JAN FAYE
KVANTEFILOSOFI
Ved virkelighedens grænser?
FORORD
I mange år har jeg interesseret mig for kvantemekanikkens fortolkning, ikke sådan dag ud og dag ind, men tilbagevendende. Interessen blev igen vakt til live, da jeg skulle skrive denne bog. Kvantemekanikken blev udviklet for mere end 80 år siden af Heisenberg, Born, Schrödinger, Dirac og andre, da man opdagede, at Bohrs atommodel ikke var holdbar. Kvantemekanikken er ikke blevet forandret eller forbedret siden, ret så bemærkelsesværdigt, skønt den i dag bruges på områder, som ligger langt fra dem, hvor den oprindeligt blev udviklet. Alligevel har det voldt enorme problemer at forstå teorien, fordi den var så anderledes end de klassiske teorier, fysikerne havde været vant til. Man kunne bruge teorien til at beskrive målinger og eksperimenter, men hvad den egentlig fortalte os om verden, stod hen i det uvisse. Her bidrog bl.a. Niels Bohr aktivt og betydningsfuldt til teoriens tolkning.
Fra første gang jeg begyndte at læse Bohrs artikler – længe efter de var skrevet – er der sket meget på den eksperimentelle front, og man kunne derfor forvente, at Bohrs komplementaritetssynspunkt for længst var lagt i graven. Det er der også mange, der mener, er sket. Nye eksotiske tolkninger er kommet til, og Bohr-spøgelset har man forsøgt at mane i jorden med skældsord og besværgende bønner. Alligevel har jeg bevaret en vis forkærlighed for Bohr, fordi han i sin grundindstilling, ligesom jeg selv, anlægger et pragmatisk syn på forståelsen af kvantefænomenerne.
Mit første møde med Bohrs skrifter husker jeg ellers med beskæmmelse. Jeg var da 13-14 år og boede en tid hos en tante og onkel, og mellem deres bøger fandt jeg Atomfysik og menneskelig erkendelse. Mit klare indtryk var, da jeg stod dér med bogen i hånden, at min interesse for atomfysik var større end deres, og lige så ubemærket listede jeg bogen ned i min kuffert. Samvittigheden – den dårlige af slagsen – lod sig bemærke i en kende frygt for afsløringen. Da jeg næste dag skulle rejse og lukkede kufferten, opdagede jeg, at bogen var væk. Og blev ret så hed om ørerne. Jeg skulle nok ikke spørge til, hvad der var sket med den. Jeg hørte heller aldrig for det. På denne taktfulde måde lærte jeg at spørge, førend jeg låner andres ting til eje.
Et forord er ment som en personlig meddelelse til læseren. Det fortæller ikke blot læseren, hvad der er i vente. Det fortæller også læseren om de øvrige medvirkende: Filosoffen Jens Hebor og fysikeren Ulrik Uggerhøj skal takkes for deres udførlige kommentarer, for at have reddet mig fra at lave et par bommerter, og for at have givet brugbare råd og vink. Bogen ville ikke være blevet helt det, den blev, hvis de ikke uegennyttigt havde læst manuskriptet til ende. Tak for det. En sådan skal også rettes til Cecilie Eriksen for hendes kyndige assistance og hendes ønske om at udgive bogen. Endelig skal Aarhus Universitetsforlag ikke høre for, at det har vist mig den tillid at bringe bogen i trykken.
Kgs. Lyngby, 5. januar 2010
INDLEDNING
Du, kære læser, har sikkert som barn ligget og iagttaget en solstråle falde ind under et halvt nedrullet gardin på dit værelse. Måske lå du syg og kedede dig gudsjammerligt. Eller du lå på høloftet og betragtede det skarpe sollys skinne gennem en sprække i gavlen. Det har jeg prøvet. Midt i det hvasse sollys svævede små bitte støvgran rundt uden mål og med for pludseligt at forsvinde i mørket. Åbenbart vægtløse og yndefulde tumlede de hid og did uden hensyn til Jordens tiltrækning. Helt imod naturens orden – syntes man.
For to tusinde år siden så den romerske digter Lucrets bevægelsen som tegn på atomernes eksistens. I sit videnskabelige hyldestdigt Om naturens ting (De Rerum Natura) fra omkring 60 år før vor tidsregning bemærkede han: “Iagttag, hvad der sker, når solstråler får adgang til en bygning og kaster lys på dens skyggefulde steder. Man vil se en mangfoldighed af bittesmå partikler blande sig på mangfoldige måder.” Og hans fortsætter: “Deres dans er en direkte tilkendegivelse af bevægelserne i det underliggende stof, der er skjult for vort syn … Disse bevægelser fremkommer med atomerne, som bevæger sig selv. De små sammensatte legemer, som er mindst fjernet fra atomernes påvirkning, sættes i bevægelse ved sammenstødet med deres usynlige slag, og i tilgift braser de mod lidt større legemer. Så bevægelserne opbygges fra atomerne og gradvist kommer til syne for vores sanser, hvorved de legemer, som vi ser i solstrålerne, bevæges ved slag, der forbliver usynlige.”1 En ufattelig skarpsindighed set med nutidens øjne. Men det vender vi tilbage til.
Lucrets’ digt er en lovsang til Epikurs atomteori – en teori, der oprindeligt stammede fra den græske naturfilosof Leukippos (5 årh. f.v.t.), videreudviklet af Demokrit og sat i system af Epikur. Teorien skulle forklare altings bevarelse og forandring. Hvor Aristoteles og andre filosoffer mente, at alt stof var sammensat af fire grundelementer, jord, vand, luft og ild, argumenterede atomisterne for, at verden bestod af atomer og tomrum. Atomerne var alle tings mindste dele, de var uforgængelige og kunne ikke yderligere deles i mindre stykker, og de bevægede sig tilfældigt rundt i et uendeligt tomrum. Naturens mindste dele var karakteriseret ved størrelse, form og vægt. De manglede farve, lugt, varme og kulde, hårdhed og tæthed. Når andre ting ændrede facon, skyldtes det atomernes omplacering i rummet, når andre ting ændrede temperatur fra kold til varm, skyldtes det forøgelse af tomrummet mellem atomerne, og når andre ting havde forskellig vægt og hårdhed, skyldtes det atomernes størrelse og tæthed. Atomerne skabte enhed i mangfoldigheden. Dermed fik Leukippos og Demokrit slået flere fluer med et smæk. For mens enheden var permanent, var mangfoldigheden foranderlig. Enhver ting i naturen var ikke, som Heraklit påstod, flygtig og foranderlig, og forandring var ikke, som Parmenides havde fremført, en illusion.
Den græske atomteori var spekulativ. Men ikke mere end at den byggede på nogle dristige hypoteser og rationelle argumenter. Ideen beroede på et simpelt tankeeksperiment: Tag en massiv ting og del den i to. Gentag derefter processen med de tilbageværende stykker, og gør det igen og igen. Kan man blive ved at dele i det uendelige, eller støder man til sidst på udelelige mindstedele? Atomisterne drog den konklusion, at der måtte findes noget, som ikke kunne skæres i mindre stykker. Atomerne. Stoffet måtte være sammensat af sådanne usammensatte enkeltdele. Men ud over Lucrets’ henvisning til støvpartiklernes bevægelse forsøgte atomisterne ikke at begrunde hypotesen empirisk. Det lå slet ikke til græsk videnskab at ræsonnere ved hjælp af fysiske forsøg. Man søgte ikke at ændre på naturen på en ordnet måde for at se, hvad der så ville ske. Det hører en senere tid til. Og selvom filosofferne havde forsøgt sig, lå de relevante eksperimenter hinsides enhver teknisk mulighed at udføre.
Med den græske filosofis og videnskabs forfald i senantikken forsvandt også kendskabet til atomteorien i den europæiske kreds. Derimod overlevede det i den islamiske kultur og vendte først tilbage til den kristne verden i 11-1200-tallet, da man begyndte at oversætte de græske filosoffer til latin. Hovedparten af middelalderens filosoffer tog imidlertid parti for Aristoteles. Den franske filosof og teolog Pierre Gassendi (1592-1655) forsvarede som en af de første direkte Epikurs atomteori, mens den franske filosof René Descartes (1596-1650), englænderne Robert Boyle (1627-1691) og Isaac Newton (1642-1727) bekendte sig til den beslægtede korpuskelteori. (Forskellen er hovedsagelig, at korpuskler ikke nødvendigvis er uden dele.)
Det var først, da Antoine Lavoisier (1743-1794) formulerede loven om massens bevarelse under kemiske reaktioner i 1789, og Joseph Louis Proust (1754-1826) formulerede loven om de konstante proportioner i 1799, at atombegrebet fik mere fast grund under fødderne. Lavoisier konstaterede, at massen af de stoffer, der dannes ved en kemisk reaktion, har samme masse som de stoffer, der var til stede før reaktionen. Altså synes der at være en enhed i mangfoldigheden, som sikrer, at massen bevares under de kemiske processer. Enheden er dog ikke ganske ens. Man havde fundet ud af, at der fandtes grundstoffer, som de kemiske forbindelser var sammensat af. Og Proust opdagede så, at enhver kemisk forbindelse indeholder grundstofferne i et konstant masseforhold, der er karakteristisk for netop en sådan forbindelse.
Den første, der fremsatte en egentlig moderne teori om atomerne, var den britiske kemiker John Dalton (1766-1844). Stillet over for udfaldet af en række eksperimentelle undersøgelser af luftarter konkluderede han, at grundstofferne