Kvantmekaniken, teorin som styr mikrovärlden av atomer och partiklar, har verkligen X-faktorn. Till skillnad från många andra områden inom fysiken är den bisarr och kontraintuitiv, vilket gör den bländande och spännande. När Nobelpriset i fysik 2022 tilldelades Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger för forskning som kastade ljus över kvantmekaniken väckte det spänning och diskussion.
Men debatter om kvantmekanik - vare sig de är på chattforum, i media eller i science fiction - kan ofta bli röriga tack vare ett antal ihärdiga myter och missuppfattningar. Här är fyra.
Innehåll
Erwin Schrödinger kunde förmodligen aldrig ha förutspått att hans tankeexperiment, Schrödingers katt, skulle uppnå internetmemestatus under 2000-talet.
Det tyder på att ett olyckligt kattdjur som fastnat i en låda med en kill switch utlöst av en slumpmässig kvanthändelse - radioaktivt sönderfall, till exempel - kan vara levande och död samtidigt, så länge vi inte öppnar rutan för att kontrollera.
Vi har länge vetat att kvantpartiklar kan vara i två tillstånd - till exempel på två platser - samtidigt. Vi kallar detta en superposition.
Forskare har kunnat visa detta i det berömda dubbelslitsexperimentet, där en enda kvantpartikel, som en foton eller elektron, kan gå igenom två olika slitsar i en vägg samtidigt. Hur vet vi det?
Inom kvantfysiken är varje partikels tillstånd också en våg. Men när vi skickar en ström av fotoner - en efter en - genom slitsarna, skapar det ett mönster av två vågor som interfererar med varandra på en skärm bakom slitsen. Eftersom varje foton inte hade några andra fotoner att störa när den gick genom slitsarna, betyder det att den samtidigt måste ha gått igenom båda slitsarna – stör sig själv (bilden nedan).
För att detta ska fungera måste dock tillstånden (vågorna) i överlagringen av partikeln som går genom båda slitsarna vara "koherenta" - ha ett väldefinierat förhållande till varandra.
Dessa superpositionsexperiment kan göras med föremål av ständigt ökande storlek och komplexitet. Ett berömt experiment av Anton Zeilinger 1999 visade kvantöverlagring med stora molekyler av kol-60, kända som "buckyballs."
Så vad betyder detta för vår stackars katt? Är den verkligen både levande och död så länge vi inte öppnar lådan? Uppenbarligen är en katt ingenting som en enskild foton i en kontrollerad labbmiljö, den är mycket större och mer komplex. All koherens som de biljoner på biljoner av atomer som utgör katten kan ha med varandra är extremt kortlivad.
Detta betyder inte att kvantkoherens är omöjlig i biologiska system, bara att det i allmänhet inte kommer att gälla stora varelser som katter eller en människa.
Entanglement är en kvantegenskap som länkar samman två olika partiklar så att om du mäter den ena vet du automatiskt och omedelbart tillståndet för den andra – oavsett hur långt ifrån varandra de är.
Vanliga förklaringar till det involverar vanligtvis vardagliga föremål från vår klassiska makroskopiska värld, som tärningar, kort eller till och med par med udda färgade strumpor. Tänk dig till exempel att du berättar för din vän att du har lagt ett blått kort i ett kuvert och ett orange kort i ett annat. Om din vän tar bort och öppnar ett av kuverten och hittar det blå kortet, kommer de att veta att du har det orange kortet.
Men för att förstå kvantmekaniken måste du föreställa dig att de två korten inuti kuverten är i en gemensam överlagring, vilket betyder att de är både orange och blå samtidigt (särskilt orange/blå och blå/orange). Att öppna ett kuvert avslöjar en färg som bestäms slumpmässigt. Men att öppna det andra avslöjar alltid motsatt färg eftersom det är "läskigt" kopplat till det första kortet.
Man kan tvinga korten att visas i en annan uppsättning färger, liknande att göra en annan typ av mätning. Vi kunde öppna ett kuvert och ställa frågan:"Är du ett grönt eller rött kort?" Svaret skulle återigen vara slumpmässigt:grönt eller rött. Men avgörande, om korten var intrasslade, skulle det andra kortet fortfarande alltid ge det motsatta resultatet när samma fråga ställdes.
Albert Einstein försökte förklara detta med klassisk intuition och antydde att korten kunde ha försetts med en dold, intern instruktionsuppsättning som berättade för dem i vilken färg de skulle visas med en viss fråga. Han avvisade också den uppenbara "läskiga" åtgärden mellan korten som till synes tillåter dem att omedelbart påverka varandra, vilket skulle innebära kommunikation snabbare än ljusets hastighet, något som är förbjudet enligt Einsteins teorier.
Men Einsteins förklaring uteslöts senare av Bells teorem (ett teoretiskt test skapat av fysikern John Stewart Bell) och experiment av 2022 års Nobelpristagare. Tanken att mäta ett intrasslat kort ändrar det andras tillstånd är inte sant. Kvantpartiklar är bara mystiskt korrelerade på sätt som vi inte kan beskriva med vardagslogik eller språk - de kommunicerar inte samtidigt som de innehåller en dold kod, som Einstein trodde. Så glöm vardagliga föremål när du tänker på förveckling.
Bells teorem sägs ofta bevisa att naturen inte är "lokal", att ett objekt inte bara är direkt påverkat av sin omedelbara omgivning. En annan vanlig tolkning är att det antyder att egenskaper hos kvantobjekt inte är "riktiga", att de inte existerar före mätning.
Men Bells teorem tillåter oss bara att säga att kvantfysik betyder att naturen inte är både verklig och lokal om vi antar några andra saker samtidigt. Dessa antaganden inkluderar tanken att mätningar bara har ett enda utfall (och inte flera, kanske i parallella världar) som orsakar och verkan flyter framåt i tiden och att vi inte lever i ett "urverksuniversum" där allt är förutbestämt sedan tidernas gryning.
Trots Bells teorem kan naturen mycket väl vara verklig och lokal, om du tillät att bryta några andra saker som vi anser vara sunt förnuft, som att tiden går framåt. Och ytterligare forskning kommer förhoppningsvis att begränsa det stora antalet potentiella tolkningar av kvantmekanik. Men de flesta alternativen på bordet – till exempel tiden som rinner bakåt eller frånvaron av fri vilja – är minst lika absurda som att ge upp begreppet lokal verklighet.
Ett klassiskt citat (tillskrivet fysikern Richard Feynman, men i denna form också parafraserande av Niels Bohr) antar:"Om du tror att du förstår kvantmekanik, förstår du det inte."
Denna uppfattning är allmänt hållen. Kvantfysiken är förmodligen omöjlig att förstå, inklusive av fysiker. Men ur ett 2000-talsperspektiv är kvantfysiken varken matematiskt eller begreppsmässigt särskilt svår för vetenskapsmän. Vi förstår det extremt väl, till en punkt där vi kan förutsäga kvantfenomen med hög precision, simulera mycket komplexa kvantsystem och till och med börja bygga kvantdatorer.
Superposition och förveckling, när de förklaras på kvantinformationens språk, kräver inte mer än gymnasiematematik. Bells teorem kräver ingen kvantfysik alls. Det kan härledas på några rader med hjälp av sannolikhetsteori och linjär algebra.
Där den verkliga svårigheten ligger, är kanske hur man förenar kvantfysik med vår intuitiva verklighet. Att inte ha alla svar kommer inte att hindra oss från att göra ytterligare framsteg med kvantteknologi. Vi kan helt enkelt bara hålla käften och räkna.
Lyckligtvis för mänskligheten vägrade Nobelvinnarna Aspect, Clauser och Zeilinger att hålla käften och frågade hela tiden varför. Andra som dem kan en dag hjälpa till att förena kvantkonstigheter med vår upplevelse av verkligheten.
Alessandro Fedrizzi är professor i fysik vid Heriot-Watt University. Han får finansiering från U.K. Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
Mehul Malik är professor i fysik vid Heriot-Watt University. Han får finansiering från UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) och European Research Council (ERC) Starting Grant PIQUaNT.
Denna artikel är återpublicerad från Konversationen under en Creative Commons-licens. Du kan hitta originalartikel här.
