Kvantefysikk for hele familien – slik forklarer du det til barna

Hva er egentlig kvanter?

Et kvant er i fysikken en størrelse som bare forekommer i bestemte, udelelige mengder, forklarer Store norske leksikon. Lys er det klassiske eksempelet: Det opptrer som fotoner, små energipakker, og energien i hver pakke avhenger av lysets frekvens (SNL om kvantefysikk). Elektroner, fotoner og kvarker er eksempler på partikler som følger kvantefysikkens lover.

I hverdagen virker det meste glatt og sammenhengende. En god måte å forklare forskjellen på for barn er å sammenligne en rampe med en trapp: På en rampe kan du stå i hvilken som helst høyde, men i en trapp bare på trinnene. Elektronene i et atom har det som i trappen. De kan bare ha bestemte energinivåer, og når et elektron hopper mellom to nivåer, sendes det ut lys med en bestemt bølgelengde. Derfor gir lys fra atomer i en gass med lavt trykk et spektrum med skarpe, atskilte linjer, ifølge SNL om linjespektrum.

Kvantefysikken regnes å ha oppstått i 1900, da Max Planck la fram strålingsloven sin, og i 1905 brukte Albert Einstein den samme ideen til å forklare den fotoelektriske effekten (SNL). FN gjorde 2025 til det internasjonale året for kvantevitenskap og kvanteteknologi, fordi det var 100 år siden den moderne kvantemekanikken ble født (American Physical Society).

Schrödingers katt – det merkelige fenomenet superposisjon

Superposisjon er kanskje det mest forvirrende begrepet i kvantefysikken. Det betyr at et fysisk system kan befinne seg i flere tilstander samtidig, men at det bare antar én bestemt tilstand når man måler på det. Overgangen kalles en kollaps av bølgefunksjonen (SNL). For barn kan du si det slik: Ifølge kvantefysikken kan veldig små ting være to steder samtidig, noe store ting ikke kan (Lille norske leksikon).

Et berømt tankeeksperiment fra 1935 av Erwin Schrödinger plasserer en katt i en lukket boks sammen med et radioaktivt atom, en geigerteller koblet til en hammer og en flaske med blåsyre. Henfaller atomet, knuser hammeren flasken, og katten dør. Schrödinger mente det var absurd å bruke superposisjon på hverdagslige ting som en katt, og eksperimentet skulle vise hvilke absurde konsekvenser noen av tolkningene av kvantefysikken kan få (SNL om Schrödingers katt). Det var et tankeeksperiment, ikke et forsøk med en ekte katt.

Hvorfor oppfører ikke en katt eller en fotball seg som et elektron? Store ting vekselvirker hele tiden med omgivelsene og mister dermed de kvantemekaniske egenskapene sine, et fenomen som kalles kvantedekoherens (SNL). Superposisjon er likevel ikke bare teori: Sammen med fenomenet sammenfiltring kan den brukes til å lage kvantedatamaskiner (SNL om kvanteteknologi).

Heisenbergs usikkerhetsrelasjon

Usikkerhetsrelasjonen sier at to komplementære størrelser, som posisjonen og bevegelsesmengden til en partikkel, aldri kan bestemmes helt skarpt samtidig i samme eksperiment. Prinsippet ble formulert av Werner Heisenberg i 1927, og det skyldes ikke usikkerhet i måleutstyret (SNL).

For barn kan du forklare det slik: Bevegelsesmengde handler om hvor fort og i hvilken retning noe beveger seg. Jo mer nøyaktig du vet hvor en partikkel er, desto mindre nøyaktig kan du vite hvordan den beveger seg, og omvendt.

Fra teori til smarttelefon

Kvantefysikk er ikke bare abstrakt teori, men grunnlaget for teknologi som brukes hver dag. Store norske leksikon trekker fram transistoren, som er en sentral komponent i så å si all elektronikk, og laseren som eksempler på kvanteteknologi (SNL). Energinivåene til elektronene i materialene som brukes i elektronikk, beskrives av kvantemekanikken, og størrelsen på båndgapet avgjør om et materiale er en halvleder eller en isolator (SNL om båndgap). I en lysdiode (LED) sendes det ut lys når et elektron fyller plassen til et hull i halvlederen, og fargen på lyset bestemmes av egenskapene til materialet (SNL om lysdioder).

En vanlig datamaskin regner med bits som er enten 0 eller 1. En kvantebit kan være i en blandingstilstand av 0 og 1, og bestemte typer oppgaver, som å faktorisere store tall, kan i prinsippet løses mye raskere på en kvantedatamaskin. Forskningsgrupper har laget kvantedatamaskiner med over tusen kvantebits, men de blir fortsatt utkonkurrert av vanlige datamaskiner på de fleste praktiske oppgaver, og for å bli nyttige må antallet kvantebits økes betraktelig (SNL om kvantedatamaskiner).

Nobelprisen i fysikk 2025 gikk til John Clarke, Michel H. Devoret og John M. Martinis for oppdagelsen av makroskopisk kvantemekanisk tunnelering og energikvantisering i en elektrisk krets (University of Cambridge). Prisen handler om å vise at kvantemekanikk opptrer på en større skala enn man hadde trodd, og slike elektriske kretser er byggesteinene i det mange tror blir den ledende måten å bygge kvantedatamaskiner på, skriver Titan ved Universitetet i Oslo.

En verden av muligheter

Kvantefysikk viser at naturen på det aller minste nivået oppfører seg helt annerledes enn det øynene kan se, og det er en fin inngang til undring sammen med barna. Du trenger ikke noe laboratorium eller avansert utstyr, bare nysgjerrighet og et åpent sinn.

Et enkelt forsøk å gjøre hjemme: En CD kan brukes som et enkelt spektroskop som deler lyset i farger, og med det kan dere sammenligne ulike lyskilder, som gatelys og kontorlamper, ifølge en veiledning fra Universitetet i Kiel. Se om lyset gir et sammenhengende fargebånd eller skarpe linjer, og fortell at linjene kommer fra elektroner som hopper mellom bestemte energinivåer. Se aldri direkte mot sola.

For barn som vil lese selv, har Lille norske leksikon en kort artikkel om kvantefysikk på enkelt språk, kontrollert av fagfolk og lest gjennom av elever. Så neste gang barna spør hvordan ting virker, kan du fortelle om kvantene og energitrappen i atomene. Kanskje blir en av dem fysiker selv.