Kvantefysiker observerer

Fysikerne avskaffer objektiv virkelighet

Einstein gjorde tid og sted til relative størrelser, og nå går fysikerne et skritt videre: Om noe finner sted eller ikke, er kanskje avhengig av observatøren. Bare en bevisst kvantedatamaskin kan svare på om objektiv virkelighet finnes.

Einstein gjorde tid og sted til relative størrelser, og nå går fysikerne et skritt videre: Om noe finner sted eller ikke, er kanskje avhengig av observatøren. Bare en bevisst kvantedatamaskin kan svare på om objektiv virkelighet finnes.

Claus Lunau

Hvis et tre velter i skogen, men ikke noe menneske ser det falle, veltet det kanskje ikke i det hele tatt.

Det høres absurd ut, men nettopp det paradokset har kvantefysikerne måttet leve med i tiår. Partikler på atomnivå forvandles nemlig først fra en diffus sekk av muligheter til en virkelig partikkel i det øyeblikket vi måler dem. Det svarer til at treet både har veltet og ikke veltet, med mindre vi går ut i skogen og ser etter.

Nå har et banebrytende forsøk gjort kvanteverdenen enda mer absurd.

Forsøket ble utført av forskere ved Griffith University i Australia ved hjelp av lasere og prismer, men det simulerte et tankeeksperiment der fire forskere foretar kvantemålinger og samtidig måler hverandre.

I eksperimentet burde de fire forskerne alltid få samme resultat – men det gjorde de ikke. Det svarer til at selv om to av forskerne definitivt så treet falle, så veltet det kanskje ikke likevel.

Nora Tiscler

Fysikeren Nora Tischler er foruroliget over sitt eget forsøk, som viser at virkeligheten kanskje er avhengig av observatøren, for uten sikre måleresultater vakler naturvitenskapens grunnlag.

© Griffith University

Perspektivene er sjokkerende.

Hvis kvantemekanikken ikke er konsistent, må den nemlig skrotes som teori. Det er litt av en kamel å svelge, siden teorien forklarer alle kjente fysiske og kjemiske reaksjoner og er fundamentet for all moderne teknologi.

Hvis kvantemekanikken tvert imot holder, er konsekvensen enda mer rystende, for da kan virkeligheten være ulik for to ulike observatører, og det betyr at det kanskje ikke finnes noen objektiv virkelighet.

Selv om en partikkel blir virkelig for én forsker, kan virkeligheten være en annen for en annen forsker som måler den første.

Dermed har fysikerne demontert enda en viktig bit av virkeligheten slik vi intuitivt opplever den – en prosess som begynte med Einstein for over hundre år siden.

Relativiteten sniker seg inn

Den moderne naturvitenskapen ble grunnlagt av Isaac Newton på 1600-tallet, og fram til begynnelsen av 1900-tallet var fysikkens verdensbilde deterministisk:

Fysikerne mente at tiden alltid gikk fra fortid mot framtid, og at enhver prosess ble utløst av en lokal årsakskjede, omtrent som dominobrikker. Datidens fysikere var kort sagt helt overbevist om at virkeligheten var absolutt og fungerte nøyaktig slik vi ser, veier og måler den.

Men med Einsteins relativitetsteori brøt det verdensbildet sammen.

Teorien viser nemlig at tid og sted ikke er absolutte størrelser. Hvis en stjerne eksploderer et sted i Melkeveien og astronomer på jorden og på en fjern planet måler når eksplosjonen fant sted, og hvor det skjedde, får de derfor helt ulike resultater.

Én ting har imidlertid vært bombesikkert: Stjernen eksploderte. Så langt. For med det nye australske forsøket har fysikerne også satt spørsmålstegn ved det.

Katten er både død og levende

Atomer og partiklene atomer bygges av, er ikke like håndgripelige som de gjenstandene de utgjør.

I vår makroskopiske virkelighet er en biljardkule for eksempel definitivt rund, hard og tung, og lys brer seg entydig ut som bølger. Men i kvanteverdenen er atomenes byggesteiner både partikler og bølger på en gang.

Det viser et berømt eksperiment som første gang ble utført i 1927. I forsøket blir et elektron skutt mot en plate med to spalter. Setter man en detektor like bak spaltene, går elektronet gjennom en av spaltene som en punktformet partikkel. Men når detektoren flyttes lenger fra platen, dannes det et lysmønster som viser at elektronet også gikk gjennom begge spalter som en bølge.

Et elektron som går gjennom to spalter, er både en partikkel og en bølge. Resultatet er avhengig av hvordan vi måler.

Kvantemystikken er imidlertid flere lag dypere. Når du støter en biljardkule og den ruller over bordet, kan man til enhver tid måle både kulens posisjon og hastighet med stor nøyaktighet.

Slik er det ikke i atomenes verden. Her kan man presist fastslå et elektrons posisjon i rommet, men da er det umulig samtidig å bestemme elektronets fart. Og omvendt. Den av de to egenskapene vi ikke kan måle presist, kan bare sannsynliggjøres med beregninger.

Det store mysteriet er imidlertid at det er selve målingen som gjør partikkelen virkelig. Før målingen er elektronet en diffus sky av alle sine mulige kvantetilstander – for eksempel roterer et elektron både med klokken og mot klokken samtidig. Den er med fysikernes betegnelse i en superposisjon. Men i nøyaktig det øyeblikket der en forsker måler elektronet, velger den en konkret tilstand – for eksempel rotasjon mot klokken – og blir dermed virkelig.

Ifølge kvantemekanikken er uforstyrrede partikler i alle tilstander på samme tid. Først når vi måler dem, blir de virkelige – men ikke engang en måling kan avsløre både posisjonen og hastigheten til en partikkel.

Kvantefysik 3D-illustration
© Shutterstock

1. Elektronet er et vell av muligheter

Uforstyrede atomer og elementærpartikler, for eksempel elektroner, er ikke konkrete på samme måte som biljardkuler. Elektronet er i en såkalt superposisjon av alle de mulige kvantetilstandene og roterer for eksempel med klokken og mot klokken samtidig.

Kvantefysik 3D-illustration
© Shutterstock

2. Bevisst måling gjør elektronet virkelig

Elektronet blir først konkret virkelighet når en forsker foretar en måling på det. I samme øyeblikk opphører elektronets superposisjon, og partikkelen begynner å rotere en bestemt vei, mens den andre mulige tilstanden forsvinner.

© Shutterstock

3. Målingen kan ikke fortelle alt

Vi kan til enhver tid måle en kules posisjon og hastighet med stor presisjon. Men det gjelder ikke for et elektron. Hvis vi bestemmer elektronets posisjon (t.v.), kan vi ikke samtidig måle hastigheten (t.h.) – den kan bare beregnes.

Måleproblemet plaget den østerrikske fysikeren Erwin Schrödinger så voldsomt at han i 1935 etablerte et berømt tankeeksperiment som setter fingeren på kvantemekanikkens absurditet. Han tenker seg en katt i en lukket kasse sammen med et radioaktivt atom, en hammer og en flaske blåsyre. Hvis atomet henfaller, knuser hammeren flasken, og blåsyren dreper katten.

Men radioaktivitet er en ubestemt kvanteprosess, så man kan ikke forutsi nøyaktig når nedbrytingen vil skje, og etter en tid er det derfor umulig å avgjøre utenfra om dyret lever eller ikke. Katten befinner seg med andre ord i en superposisjon der den både er død og levende, noe som er umulig i vår erfaringsbaserte virkelighet.

Schroedingers box

Partikler er i alle kvantetilstander på samme tid inntil vi måler dem. Det svarer til at en katt i en kasse er både død og levende før vi åpner kassen og ser etter.

© Shutterstock

Den eneste måten å få klar beskjed på er å foreta en måling ved å åpne kassen og se om den inneholder en død eller en levende katt.

Fysiker sperrer inne vennen sin

I 1967 foreslo den ungarske fysikeren Eugene Wigner et nytt tankeeksperiment som setter paradoksene rundt målinger og superposisjon ytterligere på spissen ved å trekke inn betydningen av bevissthet.

Wigners mål var å utforske en tese om at bare en bevisst måling på for eksempel et elektron gjør elektronet virkelig, idet det velger en bestemt tilstand, for eksempel rotasjon mot klokken. Eller med andre ord: at det dypest sett er vår egen bevissthet som skaper virkeligheten.

I tankeeksperimentet byttet han ut Schrödingers katt med et menneske som foretar en måling på et elektron i et forseglet laboratorium. Wigners venn gjør frie valg og måler elektronet når det passer ham. Imens modellerer Wigner vennens forsøk utenfra med kvantemekaniske beregninger.

Spørsmålet er når virkeligheten blir virkelig: så snart vennen måler elektronet, eller først når Wigner får kjennskap til måleresultatet?

Matematikken forutsier at så lenge Wigner ikke vet om målingen er utført, og ikke kjenner måleresultatet, er både elektronet, vennen, måleinstrumentet og laboratoriet i superposisjon. I så fall avløses superposisjonen først av konkret virkelighet når vennen senere informerer Wigner om resultatet.

Eugene Wigner selv var imidlertid ikke i tvil om at superposisjonen øyeblikkelig erstattes av håndgripelig virkelighet ved den første målingen, når vennen ser måleresultatet. Og han mente at det er nonsens å tro at bevisste mennesker kan bringes i superposisjon.

Eugene Wigner

Den ungarske fysikeren Eugene Wigner mente at det er vår egen bevissthet som skaper virkeligheten når vi måler en partikkel.

© Ritzau Scanpix

Den mest sannsynlige kvantemekaniske forklaringen på det er enkel. Når en gjenstand blir stor nok og inneholder tilstrekkelig mange atomer, kollapser atomenes superposisjoner av seg selv, og derfor kan verken fysikere eller katter være i to motstridende tilstander på en gang.

Det høres svært så fornuftig og herlig beroligende ut. Men hva om den ungarske nobelprisvinneren tok feil?

Kvantemekanikk styrer mennesker

Spørsmålet trenger seg på av to grunner. For det første forutsier fysikernes moderne teorier at kvantemekanikken ikke bare regjerer i atomenes verden, men utgjør den underliggende mekanismen bak tyngdekraften, tiden og rommet. Og hvis kvantemekanikk styrer hele universet, er bevisste mennesker neppe et unntak.

For det andre har fysikerne nå begynt å flytte på grensene for hvor store systemer de kan bringe i superposisjon eksperimentelt.

Hvis kvantemekanikkens lover styrer alt i universet, styrer de sannsynligvis også menneskers bevissthet.

I 2021 satte kvantefysikeren Shlomi Kotler ved USAs National Institute of Standards and Technology ny rekord med to membraner av aluminium som ble satt i svingninger med mikrobølger på en måte som gjorde at de samtidig beveget seg både oppover og nedover.

Membranene er 0,01 millimeter lange og halvparten så brede, og de inneholder en billion atomer. I forhold til et elektron, som hvert enkelt aluminiumatom inneholder 13 av, er de altså gigantiske systemer.

Til sammenligning er mikroskopiske bjørnedyr bare tjue ganger så lange. Flere forskergrupper undersøker nå om de kan bringe to tilstrekkelig store membraner i superposisjon og sette bjørnedyr på dem.

Bjørnedyr

Forskere har fått små membraner til å svinge opp og ned på samme tid. Nå vil de plassere 0,2 millimeter store bjørnedyr på membranene slik at dyrene bringes i superposisjon akkurat som partikler.

© Shutterstock

I så fall vil bjørnedyrene gynge både opp og ned på samme tid sammen med membranene og altså være to steder samtidig. Og hvis man kan bringe bjørnedyr i superposisjon, hvorfor ikke mennesker også?

Sammenfiltring åpner døren

For seks år siden foreslo kvantefysikeren Caslav Brukner ved universitetet i Wien en ny utgave av Wigners tankeeksperiment. Forsøket er utformet for å teste Wigners teori om at en partikkel i kvanteverdenen blir virkelig i samme øyeblikk som Wigners venn i det forseglede laboratoriet måler tilstanden til partikkelen.

Nyskapningen består i å innføre kvanteverdenens mest forunderlige fenomen – sammenfiltring – i forsøket. Med to sammenfiltrede lyspartikler som nøkkel kan fysikerne så å si åpne døren og se den skjulte virkeligheten i det forseglede laboratoriet.

Sammenfiltring oppstår når to lyspartikler (fotoner) frigis som et par. Partiklenes kvanteegenskaper sammenfiltres, det vil si at de blir til et felles system. Og det er eksperimentelt bevist at sammenfiltringen fortsetter selv om de to partiklene sendes så langt fra hverandre at de umulig kan kommunisere innbyrdes.

På reisen er fotonene i superposisjon og svinger altså i både loddrette og vannrette bølger på en gang, men i samme øyeblikk en detektor måler at den ene lyspartikkelen for eksempel svinger loddrett, velger den andre å svinge vannrett.

To forskerpar samarbeider

I Caslav Brukners utgave av Wigners tankeeksperiment spiller to fysikere som kalles Alice og Bob, begge rollen som Wigner, mens to andre, Charlie og Dorthe, spiller Wigners venn. Charlie og Dorthe er plassert i hvert sitt forseglede laboratorium, mens Alice og Bob står utenfor.

Et par sammenfiltrede lyspartikler skilles uten at de måles, og den ene sendes til Charlie, mens den andre sendes til Dorthe. Når de to mottar hver sin partikkel, er partiklene i superposisjon og svinger for eksempel både loddrett og vannrett.

Så måler Charlie fotonet sitt, som for eksempel velger å svinge i loddrett plan, og på grunn av sammenfiltringen viser Dorthes samtidige måling at fotonet hennes svinger vannrett.

Etter målingen sender Charlie fotonet sitt videre til Alice, mens Dorthe sender fotonet sitt videre til Bob. Alice og Bob slår nå begge kron og mynt om de skal måle lyspartiklene sine med det samme eller vente.

Hvis det blir kron, måler de med en gang. Det svarer til å åpne laboratoriedørene til vennene og spørre om resultatene deres. Eksperimenter har nemlig vist at en ny måling raskt etter den første alltid gir det samme resultatet.

Sett fra synsvinkelen til Alice og Bob er kollegene deres Charlie og Dorthe i superposisjon akkurat som de partiklene de måler.

Hvis det blir mynt, måler de senere. Da skjules vennenes måleresultater for dem, og frem til deres egen måling er både lyspartiklene og Charlie og Dorthe i superposisjon sett fra perspektivet til Alice og Bob. Etter å ha gjentatt forsøket flere tusen ganger bruker Alice og Bob statistiske beregninger til å utlede måleresultatene til Charlie og Dorthe.

I Eugene Wigners eksperiment med ham selv som observatør av vennen i det forseglede laboratoriet ble vennens måleresultat beskrevet matematisk som en skjult variabel, men i Caslav Brukners versjon blir kvanteberegningene forankret i virkeligheten av partiklenes sammenfiltring, og et stort antall ellers mulige kvantetilstander kan utelukkes.

Alice og Bob vet nemlig at vennene enten har målt for eksempel 1–0 (loddrett–vannrett) eller 0–1, men aldri 1–1 eller 0–0, siden en sammenfiltret partikkel alltid vil velge den motsatte tilstanden når man måler den andre.

To grupper av forskere måler de samme partiklene. Partiklene er i superposisjon, men det er usikkert om de blir virkelige ved første eller andre måling. Konsekvensen er at forsøksresultat aldri er likt for alle observatører.

3D-illustration
© Shutterstock

1. To forskere overvåker to andre

To fotoner sendes til forskerne Charlie og Dorthe i forseglede laboratorier som overvåkes av Alice og Bob. Fotonene er i superposisjon, slik at de både svinger vannrett og loddrett, og sammenfiltrede slik at en måling på den ene straks påvirker den andre.

3D-illustration
© Shutterstock

2. Charlie og Dorthe måler på partikler

Når Charlie måler fotonet sitt, opphører superposisjonen med det samme sett fra perspektivet hans. Han måler at fotonet svinger i vannrett plan, og siden Charlies foton er sammenfiltret med Dorthes, måler hun at fotonet hennes svinger i loddrett plan.

3D-illustration
© Shutterstock

3. De to forskerne er i superposisjon

De sender fotonene til Alice og Bob. Sett fra deres perspektiv er fotonene, samt Charlie og Dorthe, prinsipielt i superposisjon før de måler selv, men spørsmålet er når superposisjonen faktisk opphører og partiklene blir virkelige.

3D-illustration
© Shutterstock

4. Alice og Bob slår mynt og kron

For å avgjøre det slår Alice og Bob mynt og kron. Ved kron måler de med en gang – noe som svarer til å åpne døren og spørre – slik at superposisjonen opphører straks. Ved mynt måler de senere, slik at superposisjonen først opphører da. Forsøket gjentas mange ganger.

3D-illustration
© Shutterstock

5. Forskerne er uenige om resultatet

Så beregner Alice og Bob kollegenes resultater ved hjelp av statistikk. Hvis superposisjonen opphører når Charlie og Dorthe måler, vil Alice og Bob alltid ha rett – men det gjør de ikke. Det tyder på at begivenheter ikke alltid er like for alle.

Alice og Bob bør derfor ifølge kvantemekanikkens lover kunne beregne Charlies og Dorthes målinger korrekt hver eneste gang – hvis partikkelen blir virkelig ved den første målingen, slik som Wigner mente.

Prismer spiller Charlie og Dorthe

Tankeeksperimentet har i det siste fått stor internasjonal oppmerksomhet fordi kvantefysikeren Nora Tischler og kollegene hennes ved Griffith University i Australia har utført et optisk forsøk som er en modell av eksperimentet.

Og selv om de optiske instrumentene ikke er bevisste, som mennesker, viser modellen at det prinsipielt vil være mulig å utføre tankeeksperimentet i praksis.

I forsøket er fysikerne Alice og Bob måleinstrumenter, mens kollegene i de forseglede laboratoriene, Charlie og Dorthe, er prismer foran instrumentene. Når en lyspartikkel i superposisjon treffer prismet, fortsetter den gjennom én kanal hvis den velger å svinge vannrett, og gjennom en annen hvis den svinger loddrett. Det etterligner Charlies og Dorthes målinger som tvinger fotonet til å velge tilstand og bli virkelig.

Måleinstrumentene Alice og Bob er styrt av et dataprogram som avgjør tilfeldig om de måler straks eller venter litt.

En øyeblikkelig måling fastslår om vennens foton kom gjennom den vannrette eller den loddrette kanalen. Den senere målingen utføres først etter at fotonet har passert enda et prisme, der den vannrette og loddrette kanalen gjenforenes. Da er Charlies og Dorthes måleresultater skjult for Alice og Bob når de selv måler, og de, altså en datamaskin, må derfor utlede kollegenes resultater.

Forsøgsopstilling

Et optisk forsøk har testet et tankeeksperiment der to par forskere måler de samme partiklene. Resultatene skaper tvil om det finnes en objektiv virkelighet.

© Griffith University

Siden kvantemekaniske målinger er basert på statistikk, ble prosedyren utført 90 000 ganger. I de aller fleste tilfeller utledet Alice og Bob resultatene av målingene til Charlie og Dorthe korrekt – som forventet hvis superposisjonen bryter sammen og virkeligheten materialiserer seg ved den første målingen.

Men noen ganger var fasiten feil, og det sender vår vanlige oppfatning av virkeligheten ned for telling.

Virkeligheten begynner å vakle

Resultatene kan tolkes på to måter. Den ene mulige konklusjonen er at kvantemekanikken er inkonsistent, siden den ikke kan beskrive seg selv. Derfor må den skrotes som en universell teori til tross for dens ubestridelige suksess.

Hvis kvantemekanikken holder, er det til gjengjeld den objektive virkeligheten vi kanskje må si farvel til, for da kan virkeligheten være ulik for ulike observatører. Nora Tischler mener selv at denne muligheten er foruroligende, siden naturvitenskapen er basert på resultater av målinger. Hvis måleresultater ikke er definitive, ryster det selve vitenskapens fundament.

Tischlers forsøk avslører ingenting om bevissthetens betydning for virkeligheten, for de optiske komponentene som ble brukt, har jo ingen bevissthet. Men bevissthetens rolle vil kanskje kunne testes eksperimentelt hvis forskere utvikler ørsmå kvantedatamaskiner med kunstig intelligens og en form for bevissthet.

De må være små nok til å komme i superposisjon og erstatte de to prismene i rollene som Charlie og Dorthe i det optiske eksperimentet. Da kan fysikerne teste om bevisste kvantedatamaskiner virkelig kan bringes i superposisjon.

Hvis det mislykkes, antyder det at bevisste aktører som oss selv bare eksisterer i én tilstand og aldri samtidig kan være i flere motstridende kvantetilstander, som de atomene vi består av. I så fall er mennesker virkelige.

Men hvis det faktisk lykkes å bringe kvantedatamaskiner i superposisjon, er bevisste vesener som mennesker kanskje ikke virkelige i den forstand vi vanligvis forstår det, men nøyaktig like diffuse størrelser som de elementærpartiklene vi består av.