Schrödingers kattunger

 

Du husker sikkert at en av kvantefysikkens store helter, Erwin Schrödinger, har en katt. Det stakkars dyret befinner seg i et låst bur sammen med en beholder blåsyre og en atomkjerne. Kjernen har en viss sannsynlighet for å emittere en kjernepartikkel. Hvis det skjer en sånn emisjon, slipper blåsyren ut, og katten omkommer under tragiske omstendigheter. Hvis emisjonen ikke skjer, forblir katten så frisk som en fisk. Les mer om den stakkars katten her: https://no.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%B6dingers_katt

Om kjernen emitterer en partikkel eller ikke i det tidsintervallet den har til rådighet styres av rein slump – det kan ikke forutsies. Det er altså umulig å vite hva kjernen har foretatt seg før vi observerer den. Kvantefysikeren vil si at den befinner seg i en superposisjon av mulige tilstander, men idet vi observerer den, kollapser den til én av disse tilstandene. Dermed befinner katten seg også i en superposisjon – den er død og levende på samme tid. Først når vi observerer atomkjernen og katten, kollapser sistnevnte til en tilstand av død eller levende.

Schrödinger er ellers mest kjent for at han formulerte Schrödingerlikninga som beskriver partiklenes bølgefunksjon, og dermed sannsynligheten for at en partikkel befinner seg på et bestemt sted når vi observerer den. Bruksanvisningen til denne berømte likninga finner du for eksempel her: https://www.sciencing.com/schrodingers-equation-explained-how-to-use-it-13722578/

Tankeeksperimentet med katten formulerte han for å demonstrere hvordan i hvert fall én tolkning av kvantemekanikken strider mot sunn fornuft. Her var han på linje med Einstein, som mislikte at naturen måtte beskrives med sannsynlighetsfunksjoner: «Gott würfelt nicht!» påsto han jo, i en berømt polemikk med Niels Bohr, hvortil den sindige dansken svarte at han (Einstein) ikke burde prøve å lage regler for hva Gud kunne foreta seg. Einstein var i det hele tatt skeptisk til mange rare ting i kvantefysikken, særlig sånt som han ikke hadde tenkt ut sjøl.

Sunn fornuft tilsier jo at katten er levende eller død helt uavhengig av om vi observerer den eller ikke. Den fornuftige tolkningen av superposisjonens kollaps er altså den som Einstein tviholdt på, nemlig at observasjonen bare avdekker en skjult tilstand som har vært der hele tida. Min elektromagnetiske foreleser i fysikkbygget på NTH-skolen, Hemmer, helte nok til denne tolkningen, husker jeg: Den andre tolkningen ble for mystisk i møtet med den prosaiske virkeligheten. Etterhvert har det likevel vist seg, både eksperimentelt og teoretisk, at den sunne fornuft kollapser i møtet med kvantefysikken. Dermed er katten både både død og levende helt til vi observerer den.

En tankevekkende variasjon på dette temaet er følgende: Tenk deg at atomkjernen ikke er knyttet til en beholder med blåsyre, men til en helvetesmaskin som vil utslette alt liv på Jorda hvis den blir startet opp. Inntil vi åpner boksen og observerer, befinner altså livet her i jammerdalen seg i en superposisjon av levende og utslettet. Tar du sjansen på å observere?

Huff nei, la oss holde oss til katter. Det viser seg at Schrödingers katt har to kattunger som, i et nytt tankeeksperiment, hjelper oss å analysere et beslektet kvantemekanisk fenomen, nemlig sammenfiltring («entanglement», hvis du er henfallen til engelsk – se for eksempel her: https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement ). Hvis to partikler er knyttet sammen ved sitt felles opphav er de sammenfiltret; det vil si at observasjon av egenskaper ved én partikkel avdekker tilsvarende egenskaper hos den andre. Ta for eksempel et elektron og et positron som blir født i en «par-kreasjon» når et særlig energisk foton blir mishandlet og utslettet. Eller ta en atomkjerne som deler seg i to like atomkjerner. Avhengig av prosessen som skapte partiklene har de enten samme spinn eller motsatt spinn. Hver av de to nye partiklene har en superposisjon av mulige spinntall. Når du observerer den ene partikkelen, kollapser superposisjonen, og partikkelen får et bestemt spinn. Da kjenner du også spinnet til den andre partikkelen, helt uten å observere! De to er nemlig sammenfiltret og fortsetter å være det, uansett hvor langt de reiser ut i verden og bort fra hverandre.

Nå kommer vi til kattungene. Kari får den ene kattungen, Ola får den andre. De setter kattungene i hvert sitt bur med blåsyrebeholder og tilhørende atomkjerne, som kan finne på å slippe fra seg en kjernepartikkel eller la det være, helt basert på slump. Disse to atomkjernene er sammenfiltret, og det fortsetter de å være.

Ola og Kari tar hver sin kattunge i hvert sitt bur og reiser til hver sin ende av galaksen. Der ute tar Ola sjansen på å observere katten. Det viser seg at den er sprell levende! Han trekker et lettelsens sukk og veit at da er kattungen til Kari også i live samtidig. (La oss ikke bekymre oss for begrepet «samtidighet», sjøl om de to observatørene befinner seg 100.000 lysår fra hvereandre: Vi observerer nemlig observatørene fra et punkt like langt fra begge. De to har synkronisert klokkene sine før de reiste, og de har reist like langt og like fort, så signalene som når oss fra Ola og Kari er fortsatt synkronisert. De har avtalt presist når de skal foreta observasjonene sine.)

Når vi mottar resultatet av Olas observasjon på avtalt tidspunkt, veit vi straks hvilket resultat vi vil motta fra Kari, to hundre millisekunder seinere: Hvis Olas kattunge lever, så lever også Karis kattunge. Hvis Olas kattunge er død, derimot, må du også felle ei tåre på vegne av Kari og kattungen hennes.

Hva er det som har foregått? Har Olas atomkjerne informert Karis atomkjerne om hva den foretar seg? Det er jo ikke mulig: Einstein har bestemt at ingen signaler kan reise raskere enn lyset, og hittil har alle forsøk på å motbevise Einstein på dette punktet vært fullstendig mislykket. Så hvis de to atomkjernene skulle holde hverandre oppdatert, ville det ta 100.000 år før Karis kattunge fikk vite at Olas kattunge fortsatt var i live.

Likevel kan Kari registrere virkningen av at Ola observerer sin kattunge, 100.000 år før noe signal fra Ola og katten hans kan nå henne. Dette henger ikke på greip! Det meinte i hvert fall den evig kvante-skeptiske Einstein: «Spukhafte Fernwirkung», gryntet han. «Spøkelsesaktig fjernvirkning».

Det er riktignok ikke foretatt eksperimenter og observasjoner av dette fenomenet over galaktiske avstander ennå. Av praktiske grunner må vi nøye oss med å utføre eksperimentet i tankene, heller enn i virkeligheten. Men det er foretatt utallige eksperimenter over mer overkommelige avstander og tidsrom, og resultatet er det samme: Sammenfiltring virker uavhengig av avstand. Her kan du lese om ett av disse bevisene: https://www.caltech.edu/about/news/proving-that-quantum-entanglement-is-real

Og sia du spør: Nei, du kan ikke bruke dette til å kommunisere raskere enn lyset: Einstein ruler! Du veit jo ikke hva du kommer til å observere før du observerer, og da kan ikke Per få gitt noen beskjed til Kari heller. Hun veit ikke en gang at han har observert noe som helst. Hun veit bare det hun sjøl kan observere, nemlig at kattungen er i live. Da tenker hun sikkert: - Hvis Per observerer noe nå, så ser han at kattungen hans er i live, og da skjønner han at hvis jeg observerer, så ser jeg at - - - osv.

Hvilken naturstridig naturlov kan vi utlede av dette? Vi kan i hvert fall utlede Bells teorem, som sier – på mange forskjellige måter – at kvantefysikk er uforenlig med en lokal, realistisk beskrivelse av verden der kausalitet gjelder. Les mer om teoremets mange utgaver her: https://plato.stanford.edu/entries/bell-theorem/ '

Fysikerne er etterhvert kommet til at både kvantefysikken og den generelle relativitetsteorien gir riktige resultater når man anvender dem på den virkelige verden. Samtidig er de uforenlige. For mitt vedkommende klarer jeg såvidt å få huet rundt den spesielle relativitetsteorien, og jeg har resignert når det gjelder å forstå den generelle, men flinkere folk enn jeg har funnet ut at Einsteins beskrivelse av kosmos er den beste beskrivelsen vi har: Uten relativitetsteorien ingen GPS; ingen atombomber. Kvantefysikken stemmer også overens med virkeligheten, uansett hvor sprø noen av resultatene virker: Uten kvantefysikk ingen tunnel-effekt (at en partikkel plutselig befinner seg utafor en uoverstigelig barriere), og dermed ingen datamaskiner, mobiler eller andre dippedutter. Og absolutt ingen kvantecomputere, som jeg ikke skjønner opp ned på i det hele tatt – bortsett fra at de virker og oppfyller alle forventninger til supersuperdatamaskiner.

I «The Hitch-Hiker's Guide to theGalaxy» ( https://en.wikipedia.org/wiki/The_Hitchhiker%27s_Guide_to_the_Galaxy ) får vår helt etter mye om og men omsider vite svaret på «det ytterste spørsmålet om livet, universet og alt», nemlig 42. Etter ytterligere galaktiske eventyr og anstrengelse får han også vite hva det «ytterste spørsmålet» går ut på. Han synker sammen i stille resignasjon og sukker: «Jeg visste det var noe galt med dette universet.»

En liknende konklusjon kan en fort komme til å trekke etter møtet med Schrödingers katt. Og ikke minst etter møtet med de to kattungene.