Osäkra besked
All känd materia, på jorden och i stjärnorna, består av atomer och dess delar. Och allt som sker bland atomerna beskrivs av kvantmekaniken. Tillsammans utgör atomen och kvantmekaniken basen för dagens fysik och för stora delar av dagens naturvetenskap. De utgör ett oslagbart par: alla experiment har bekräftat teorin att materia består av atomer som styrs av kvantmekanikens lagar. Denna kunskap genomsyrar också dagens teknik, alltifrån mikrochipsen i våra mobiler till nya material och led-lampor och – kanske i en framtid – även kvantdatorer.
Trots dessa fantastiska framgångar för duon atom-kvantmekanik återstår det några problem. Det gäller framför allt hur man skall åskådliggöra skeendena i mikrokosmos, alltså hur man på bästa sätt skall föreställa sig de atomära skeendena.
Vi lär oss visserligen att en atom består av en atomkärna omgiven av elektroner i banor kring denna kärna, som planeter i banor kring en sol. Men denna föreställning om atomen är bara ungefärlig. Även om atomer är små, så små att den sida du läser den här texten från är ungefär hundra tusen atomer tjock, så kan forskarna i sina laboratorier studera atomerna noga. De kan till och med undersöka delar som bara är en miljarddel av själva atomen. Det är när man skall beskriva resultatet av denna kartläggning av mikrokosmos som våra vanliga föreställningar inte riktigt räcker till. Planetmodellen för atomen förslår inte när man med större noggrannhet vill redogöra för hur en atom fungerar, hur en atom växelverkar med andra atomer, hur atomer sänder ut och tar emot ljus, hur atomer i mängd bygger upp materien. Det går helt enkelt inte att föreställa sig mikrokosmos på samma sätt som vi föreställer oss vår vanliga omvärld, den som vi direkt kan se och ta på.
I fysiken vilar vår vanliga omvärldsbeskrivning på den grund som Isaac Newton lade i slutet av 1600-talet. Även om dess precisa formulering fordrar matematik, kan man utan större tvetydigheter översätta denna till vanligt språk och klä den i en åskådlig dräkt. Från första början har den newtonska insikten inte bara väglett fysikerna, utan också präglat hela den västerländska världsbilden, ofta sammanfattad i begreppet ”urverksuniversum”. Där liknas världen vid en klocka som har dragits upp i begynnelsen och som sedan bara ”tickar på”, helt förutbestämt och förutsägbart. Det finns här egentligen ingen plats för improvisationer, inte heller för någon fri vilja. Allt är ju bestämt på förhand.
Men i atomens värld duger alltså inte en sådan världsbild. Kvantmekaniken kräver en annan föreställning – ja, den fordrar att vi i mycket överger kravet på att överhuvudtaget få en åskådlig bild av den atomära världen. Många tycker därför att hela den kvantmekaniska föreställningsvärlden är konstig eller rent av obegriplig.
I en strikt tolkning av kvantmekaniken får man som sagt inte föreställa sig att en elektron i en atom rör sig längs någon sorts bana, bara att den beskrivs med ett ”sannolikhetsmoln”. Mycket i mikrokosmos sker nämligen slumpmässigt (men ändå så att sannolikheterna följer bestämda lagar). Dessutom är elektronen inte bara en partikel, utan har även vågegenskaper. Den lyder också ”Heisenbergs obestämbarhetsprincip”: en elektrons läge och hastighet kan inte samtidigt bestämmas hur noggrant som helst. Lägg därtill – hur konstigt det än låter – att det läge eller den hastighet som ändå kan mätas beror, åtminstone delvis, på hur mätningarna görs. Ytterligare en sådan där ”konstighet” är att två partiklar tycks kunna påverka varandra på långt håll med vad som Einstein kallade en ”spöklik avståndsverkan”.
Allt detta beskrivs perfekt av den kvantmekaniska matematiken. Men till skillnad från vad som är fallet för den newtonska fysiken, kan denna matematik egentligen inte översättas till vårt vardagliga språk. Det är liksom inte är riktigt anpassat för att beskriva skeenden i mikrokosmos. En ungefärlig beskrivning ja, men att få den mera precis är svårt. Även vanliga ord, som ”finnas till”, ”påverka”, ”iaktta”, ”ha en egenskap”, måste användas med stor försiktighet på atomen och dess delar.
En följd av alla dessa ”konstigheter” är då inte bara att vardagliga bilder och ord blir otillräckliga, utan också att hela den newtonska världsbilden sviktar när det gäller mikrokosmos. Och även om fysikerna, från sina kvantmekaniska formler, alltid kan räkna ut vad som händer i ett experiment, är de ännu idag, 90 år efter det att kvantmekaniken etablerades, oeniga om hur man skall tolka och åskådliggöra den kvantmekaniska formalismen, hur man så att säga skulle kunna ”se” atomerna framför sig. En av de ledande fysikerna under 1900-talet, Richard Feynman, har till och med i (överdriven?) desperation låtit undslippa sig att ”man tryggt kan säga att ingen begriper sig på kvantmekaniken”.
En perfekt fysikalisk teori, alltså, när det gäller att räkna ut vad som sker i mikrokosmos. Men ingen har kommit på hur dessa skeenden skall åskådliggöras på korrekt sätt.
Många har gett sig i kast med att försöka beskriva situationen inom kvantmekaniken för en bredare krets. I sin bok The Quantum Moment tar filosofen R P Crease och fysikern A S Goldhaber ett lite ovanligt grepp på ämnet. Deras infallsvinkel är frågor som: Vilken påverkan har kvantmekaniken haft på kulturklimatet i allmänhet? Har någon form av kvantmekanisk världsbild fått ersätta den newtonska urverksbilden också utanför en strikt naturvetenskaplig krets? Har kvantmekanikens genombrott påverkat författare, konstnärer, den allmänna debatten, politik (eller åtminstone politisk ideologi), och i så fall hur? Och också omvänt: Har kanske det allmänna kulturklimatet påverkat fysikerna bakom kvantmekaniken och den utformning som kvantmekaniken har fått?
Crease och Goldhaber begränsar sig dock inte till denna infallsvinkel, utan ger en bred framställning av hela den kvantmekaniska problematiken. Med god framgång tar de sig an uppgiften att i ord – så gott det nu går – förklara kvantmekanikens grunder så att också den oinvigde läsaren kan hänga med. Boken utgår från en kurs författarna har hållit under ett antal år vid Stony Brook-universitet på Long Island utanför New York. Det är ett slags ”fysik för poeter”-kurs, som vänder sig till såväl naturvetare som till humanister. Varken kursen eller boken fordrar några djupare förkunskaper i fysik eller matematik; det finns, till exempel, bara några få, enkla ekvationer i boken.
När det gäller samspelet mellan kvantmekaniken och kulturlivet i vid mening är bokens perspektiv, av naturliga skäl, rätt inskränkt till den amerikanska kultursfären. Där finns det många exempel på hur inte minst författare – John Updike nämns speciellt – skickligt utnyttjar metaforer hämtade från kvantmekaniken. Man skulle kunna ge exempel också från den svenska kultursfären; ett helt färskt sådant är En kvantfysisk vaudeville, som har satts upp på Södra teatern i Stockholm under hösten 2014. Som Crease och Goldhaber framhåller: ”[…] skälet till att humanister tog emot kvantmekaniken med öppna armar var att de upplevde Newtons värld som en kall och instängd plats där de kände att de hamnade i försvarsställning och marginaliserades, så nyheterna om sällsamheterna i kvantmekaniken kom som en befrielse.”
Populärt
Amnesty har blivit en aktivistklubb
Den tidigare så ansedda människorättsorganisationen har övergett sina ideal och ideologiserats, skriver Bengt G Nilsson.
En styrka i boken är att författarna hela tiden understrycker hur viktigt det är att ha klart för sig vad de olika begreppen står för. Det är naturligtvis helt okej, även från en fysikers snävare synvinkel, att författare använder fysikens begrepp och företeelser som metaforer, att de hämtar inspiration från de kvantmekaniska ”konstigheterna” i sitt skapande. Fysiker har själva gjort det, som i fallet med Schrödingers berömda katt, den som instängd i en låda tycks kunna vara både död och levande beroende på hur en atomkärnas sönderfall styr en behållare med giftgas. Men man överträder gränsen till pseudovetenskap och hamnar lätt i ”kvantmystik” när man försöker tillämpa kvantmekanikens lagar på helt andra fenomen än de atomära, på fenomen där dess lagar definitivt inte gäller. Det finns många exempel på sådan ”kvantmystik” inom medvetandestudier, religion, österländskinspirerad vishetslära, helbrägdagörelse, med mera. Att till exempel föreställa sig att Gud på något sätt ”finns” i den heisenbergska obestämbarhetsprincipen är att göra både fysiken och teologin en otjänst. Dessvärre föregår inte alla forskare med gott exempel; flera fysiker har själva ägnat sig åt dylika spekulationer.
Hur är det då med den omvända påverkan, den från kulturlivet på fysiken? Bland annat har den mycket omdiskuterade tanken förts fram att själva kvantmekanikens genombrott på 1920-talet skulle ha påverkats av de rådande efterkrigsstämningarna i framför allt Tyskland. Det är en idé som Crease och Goldhaber dock ställer sig tveksamma till. Ett annat fall rör en av kvantmekanikens fäder, den store danske fysikern Niels Bohr. Inspirerades han kanske av kubismen inom konsten när han kom fram till sin idé om ”komplementaritet”? Den idén innebär nämligen, kort uttryckt, att det beror på hur man ”betraktar” – läs: ”mäter” – en elektron om den skall beskrivas som en våg eller som en partikel.
Om det förekom en sådan påverkan kan nog diskuteras. Bohr har i varje fall framhållit att ”de, som ikke chokeres, når de første gang støder på kvantemekanikken, kan umuligt have forstået den”. För att mildra den chocken rekommenderas The Quantum Moment.