Tilblivelsen af kvantemekanikken gik hånd i hånd med eksperimentelle opdagelser af naturens mindste byggestene. Jeg har bestræbt mig på at gøre fremstillingen i de følgende kapitler historisk korrekt, i den forstand at jeg præsenterer den tidlige udvikling af kvanteteorien på basis af den aktuelt kendte teoretiske forståelse og eksperimentelle viden og ikke i lyset af det, vi ved i dag. Det gør jeg, fordi der gemmer sig en god portion fysisk indsigt i at følge, hvordan teorier opstår og går under i et samspil mellem eksperimentelle fakta og håbefulde spekulationer, og fordi teorien, som vi benytter den i dag, indeholder så mærkværdige elementer, at jeg ikke vil lade læseren tro, at den bare blev fremsat af gale videnskabsmænd i elfenbenstårne og uden jordforbindelse. Kvantemekanikken fremkom i bidder over et par årtier, hvor man vedholdende tilstræbte at fastholde kontakten til den etablerede fysik, og både dens mest dristige fornyere og dens mest arge modstandere ydede enestående bidrag til skabelsen af den robuste teori, som har holdt skansen siden.
Kvantemekanikken, de splittede fysikere og den samlede fysik
På “familiebilledet” ses deltagerne ved Solvay-konferencen i fysik i Bruxelles i 1927. Hvis der kan spores en tilfredshed i mange af deltagernes ansigter, er det forståeligt, for i løbet af de foregående årtier var det lykkedes denne eksklusive kreds af forskere at skabe en gennemgribende revolution af hele fysikkens verdensbillede. Hvis der også kan anes en smule anspændelse på billedet, har det imidlertid også en god forklaring. 1927 var nemlig året, hvor de ledende aktører, Niels Bohr og Albert Einstein, for første gang tørnede sammen i deres berømte uoverensstemmelser om, hvad den nye beskrivelse af fysikken egentlig gik ud på.
ILLUSTRATION 1. DELTAGERNE I SOLVAY-KONFERENCEN I 1927
Øverst fra venstre: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, Ed. Herzen, Th. de Donder, E. Schrödinger, J.-E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin.
Midterst fra venstre: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L.V. de Broglie, M. Born, N. Bohr.
Nederst fra venstre: I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, Ch. E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson.
Einstein brød sig ikke om, at man ifølge den nye teori ikke kunne forudsige resultatet af enkelte målinger, og han håbede inderligt, at det ville blive korrigeret i en kommende, forbedret udgave af teorien. Bohr var derimod overmådeligt tilfreds med de af teoriens sider, der umiddelbart forekom mest besynderlige, og han drog allerede i 1920’erne den stik modsatte konklusion af Einstein, nemlig at det var vores opfattelse af virkeligheden snarere end den nye kvanteteori, der skulle modereres!
Kvantemekanikken er en mageløs teori, og dens evne til præcist at redegøre for alle mulige fysiske og kemiske fænomener står i et enestående forhold til dens meget bemærkelsesværdige beskrivelse af verden. I dag ved vi, at der ikke kom en ny og “forbedret”teori, som Einstein gerne havde set det, og selvom man stadig diskuterer, hvad kvanteteorien egentlig betyder, og hvordan vi skal forstå og fortolke den, er vi efter et helt århundrede med eksperimenter og teoretiske undersøgelser i dag helt sikre på, at teorien har ret i, at man på det kvantemekaniske niveau ikke kan forudsige måleresultater, og at man ikke kan betragte en partikels position i rummet som veldefineret på samme måde, som vi i den klassiske mekanik har lært at betragte fysiske legemer.
Fysikere og kemikere har i snart et århundrede gjort brug af kvanteteorien. Selvom de nok er væsentlige elementer i teorien, er spørgsmål om partikler, der er flere steder på samme tid, og måleresultater, der ikke kan forudsiges teoretisk, ikke altid af afgørende betydning for fysikken. Vi vil i denne bog se, hvordan kvantemekanikken først førte til forståelsen af atomernes verden og derefter med succes blev benyttet ved udforskningen af større systemer (molekyler, faste stoffer og dagligdagens materialer) og ved udforskningen af atomets indre (kerner, elementarpartikler). Ved således at gennemgå teoriens “hjemmebane-succeser” i fysikkens og kemiens verden håber jeg at kunne give en afrundet beskrivelse af, hvad kvantemekanikken er til for, og hvad den gør godt for. Vi vil naturligvis berøre de filosofiske diskussioner udførligt, men deres betydning aftager ikke ved at blive set i lyset af de mere tekniske aspekter af kvantemekanikken og den massive eksperimentelle erfaring, som jeg vil omtale undervejs i præsentationen.
Vi indledte med en beskrivelse af den meget aktuelle forskning i kvantecomputing. Samtidig med at kvantecomputeren gør brug af og er helt i overensstemmelse med kvanteteoriens kvantitative grundlag, er mange af de ideer, der har ført til fremskridt i kvantecomputerforskning, direkte udsprunget af de mere filosofiske diskussioner mellem Bohr og Einstein. Bogens kapitel 5 vil gå i dybden med de diskussioner, og sidste kapitel vil handle om kvantecomputeren og andre kvanteteknologier, som stiller spørgsmålet: “Hvis vi accepterer, at verden opfører sig så sært, som kvanteteorien fortæller os, hvad kan vi så bruge det til?”. Denne forskning i kvanteteknologi er endnu kun i sin vorden og ligner i mange henseender mere science fiction end naturvidenskab.
Tal og matematik
Før vi går i gang, vil vi kort se på matematikkens rolle i denne bog:
Store og små tal: Universet er næsten ufatteligt stort og næsten ufatteligt gammelt. Atomer og elementarpartikler er næsten ufatteligt små, og deres indbyrdes processer foregår næsten ufatteligt hurtigt.
Afstanden fra Jorden til Solen er 150 millioner km, som vi også kan skrive som 1.5·1011 m, mens elektronen i brintatomet befinder sig cirka 5.10-11 m fra kernen. Det er pudsigt at se fra disse tal, hvordan vores menneskelige skala ligger næsten midt imellem de astronomiske og de atomare størrelser.
Det er vigtigt at understrege, at de mest forbløffende aspekter ved kvantemekanikken og ved relativitetsteorien ikke er størrelsen af de ekstremt store og små tal, men det nye verdensbillede og den nye virkelighedsopfattelse, de giver anledning til. De ekstreme talværdier har naturligvis konsekvenser for, hvilke eksperimentelle metoder man må benytte til at studere de givne fænomener og objekter, og de har konsekvenser for, hvor markant teoriernes konsekvenser træder frem i forskellige sammenhænge, men ellers må vi tage til efterretning, at de store og små tal er helt “naturlige”.
ILLUSTRATION 2. STØRRELSESORDENER I VERDEN
Matematiske formler: Foruden at skrive store og små tal vil vi også skrive enkelte af de matematiske formler, som er helt centrale for teorien. Den formelle matematiske beskrivelse er et helt naturligt værktøj i teoretisk naturvidenskab, men den er også et uomgængeligt problem for populærvidenskabelig formidling af naturvidenskab. For den matematikkyndige er matematikkens sprog den letteste måde at skrive noget svært på, mens det for den, der ikke behersker dette særlige sprog, snarere er en meget svær måde at skrive noget på, endda også når det er let.
Jeg vil kun vise ganske få, helt centrale formler i denne bog, og på samme måde som man ved abstrakt kunst ikke altid kan se, “hvad det forestiller”, må læseren gerne betragte formlerne som en abstrakt del af underholdningen, og jeg sætter derfor “billedrammer” omkring dem.
Ved udarbejdelsen af denne bog har jeg valgt ikke at benytte matematiske udledninger eller argumenter, men jeg vil alligevel vise enkelte formler og forsøge at beskrive deres indhold. Det gør jeg for at illustrere, hvor simpelt og kompakt fysikere, trods alt, kan nedskrive meget generelle fysiske sammenhænge,