Søren er en av Europas beste matematikere, og nå skal han løse gåten om et mystisk kvantefenomen: «Kaffemaskinen blir et sentralt verktøy»
De neste fem årene skal toppmatematikeren Søren Fournais ta for seg en gåtefull kvantetilstand som allerede ble forutsagt av Einstein og Bose på 1920-tallet og fortsatt gir forskere over hele verden hodebry.
Søren Fournais interesse for de kvantemekaniske ligningene begynte allerede på videregående, da han oppdaget at kvantemekanikken er kilde til det han kaller fantastiske problemer: «Det er veldig mange ting å jobbe med – det ligger i spenningsfeltet mellom matematikken, som er spennende å nerde med og abstrakt nok, og fysikken, som er relativt nær virkeligheten», sier han.
«Forestill deg en spektakulær OL-åpningsseremoni der en enorm menneskemengde plutselig samler seg som én organisme og utfører de samme bevegelsene helt synkront. Det skjer også i atomenes verden i noen helt bestemte og merkverdige tilfeller.»
«Her er det snakk om en million atomer som kommer i nøyaktig samme kvantetilstand og på den måten oppfører seg helt synkront», sier matematikkprofessor Søren Fournais ved Københavns Universitet.
Den danske toppmatematikeren forsøker å gi et virkelighetsnært bilde av et ekstremt komplisert og gåtefullt kvantefenomen som kan oppstå når det lykkes å kjøle ned atomer til temperaturer nær det absolutte nullpunktet.
Her blir atomene en slags kollektiv kvantebølge, en atomsky som oppfører seg som én sammenhengende organisme der stoffet verken er fast, flytende, gass eller plasma – men sin egen aggregattilstand.
Fenomenet har fått navnet Bose-Einstein-kondensater etter den indiske fysikeren og matematikeren Satyendra Nath Bose, som i 1924 sendte et optimistisk manuskript til tyske Albert Einstein, som videreutviklet den ukjente fysikerens metode og forutsa fenomenet i 1925.
Først sytti år senere lyktes forskerne med å skape selve tilstanden i laboratoriet. Og nå har Søren Fournais nylig mottatt 15 millioner kroner fra Det europeiske forskningsrådet gjennom de prestisjetunge ERC Advanced-bevilgningene slik at han kan jobbe videre med den komplekse matematikken som ligger bak tilstanden.
«Det er et veldig stort klapp på skulderen. Det er herlig å få et bevis på at man har kommet i en bestemt divisjon», sier professoren, som håper at de neste årenes arbeid kan knekke en del av gåten bak det mystiske fenomenet.
«Hver gang vi forstår matematikken og ligningene bedre, gir det oss en innsikt i hva det faktisk er som foregår», forklarer professoren til Illustrert Vitenskap.
«Det er det jeg skal forsøke: å utvikle bedre matematiske metoder til å analysere de kvantemekaniske ligningene» sier han.
«Må være bedre enn alle de andre»
Fournais vil bruke en stor del av tiden de neste fem årene foran en tavle sammen med et team han selv setter sammen av unge talentfulle forskere.
I motsetning til det mange kanskje tror, foregår de kompliserte matematiske utregningene nemlig langt fra elektronikk og tunge, kompliserte dataprogrammer.
«Den perfekte dagen er en dag der vi har god tid og kan diskutere fram og tilbake mellom oss – helst foran en tavle eller noe som ligner – for å se om vi kan få noen små gjennombrudd og komme litt videre», forklarer professoren.
Sløve atomer blir en iskald sky
1 Laserstråler fryser bevegelser
Et magnetfelt holder en gass av atomer svevende i et vakuumkammer. Laserstråler bremser atomene og avkjøler dem til 100 milliondeler av en grad over nullpunktet. Den kalde gassen overføres til en såkalt atombrikke på toppen av kammeret.
2 Radiobølger fjerner varme atomer
Radiobølger skyver de varmeste atomene ut av gassen, som når man blåser på varm te. Det senker temperaturen til noen få milliarddeler av en grad over nullpunktet, der blir til en atomsky, et såkalt Bose-Einstein-kondensat.
3 Vektløs utvidelse kjøler ned skyen
Brikkens magnetiske grep svekkes, og atomskyen utvider seg i vektløsheten. Det avkjøler den ytterligere, som når gass slippes ut av en sprayboks. Utvidelsen skal sette kulderekord med 20 billiondeler av en grad over nullpunktet.
Den virkelig store utfordringen blir ifølge forskeren å trekke ut informasjon fra et ekstremt komplisert system og omarbeide den til noe vi kan forstå.
«Vi har en million partikler som vekselvirker. Det er veldig komplisert, og verden kunne egentlig bare være uforståelig. Hvorfor er ikke svaret bare veldig komplisert?» spør matematikeren retorisk.
«Hvorfor kan man, når man har et veldig komplisert system under de riktige forholdene, egentlig beskrive det mye enklere enn hvis vi skulle holde orden på alle partiklene?»
Fournais håper at han kan komme nærmere svaret etter en årrekke med idémyldring, utregninger og kreative tanker som skal forsøke å angripe problemet fra ulike vinkler.
Tavle, kritt og kaffe blir noen av de viktigste verktøyene når Søren Fournais og et team av matematikere skal jobbe med ligningene bak Bose-Einstein-kondensat. Datamaskiner kan de ikke bruke til så mye. «Datamaskiner kan gi deg et tall, de kan ikke gi deg forståelsen», sier han. «Og hva skulle vi be datamaskinen om å regne ut?»
«Vi gjør ting som folk ikke har gjort før, så vi må være bedre enn alle de som har kommet før», forklarer han.
Og her vil et konkret og veldig håndfast instrument spille en større rolle enn de fleste forestiller seg.
«Den gode ideen kommer jo ikke bare av seg selv – den krever hardt arbeid. Hvis vi står der og ikke egentlig kommer noen vei, går vi bort til kaffemaskinen og tar en kopp kaffe – og så prøver vi igjen», sier matematikeren.
Kaffemaskinen kan ende med å være et sentralt redskap på et matematisk institutt.» Søren Fournais, professor i matematikk ved Københavns Universitet
Faseovergang er den virkelig store drømmen
Akkurat som når vann fryser til is, er Bose-Einstein-kondensering, der atomene går over til kvantetilstand, en faseovergang. Og det er nettopp den fysiske forvandlingen Fournais drømmer om å finne den matematiske beskrivelsen av.
«Min virkelig store drøm er å bevise den faseovergangen Bose-Einstein-kondensering er. Men det å vise faseovergang er notorisk vanskelig fordi man går fra at partiklene beveger seg tilfeldig rundt, til at de setter seg fast», sier han.
«Jeg tror det er urealistisk å løse den oppgaven på fem år, men jeg håper at vi kommer nærmere enn vi er i dag. Og så har vi en masse delmål vi håper å nå på veien», sier Fournais.
Lykkes det å finne løsningen, vil vi ifølge forskeren forstå verden litt bedre. Og det er først da vi kan finne ut hva oppdagelsen kan brukes til.
«Hvis vi får bedre redskaper til å forstå de store kvantesystemene, er jeg helt overbevist om at det også vil være nyttig», sier han.
«Men det er først når vi har forstått systemet, at vi vet hva det kan brukes til – og slik er grunnforskning», avslutter professoren.