Hva er kvantefysikk? En guide for nybegynnere

Atomverdenen er annerledes enn du tror

I klassisk fysikk — den Isaac Newton la grunnlaget for — er verden målbar og forutsigbar. En ball kastet i en viss vinkel med en viss kraft treffer nøyaktig der fysikken forutsier. Men da forskere begynte å undersøke naturen på atomnivå, fant de at reglene der er helt annerledes. Partikler kan opptre som om de er flere steder på én gang, og selve målingen av et system kan avgjøre hvilken tilstand det ender opp i.

Dette er kvantefysikk, og feltet er langt fra bare teoretisk. Laseren, lysdioden i taklampen, transistoren i mobiltelefonen, bildene fra MR-maskinen og tidssignalet fra GPS-en virker alle fordi forskere lærte å regne på disse reglene. Under følger en gjennomgang av det viktigste.

Tall og trender

Kvantefysikkens historie strekker seg over mer enn hundre år, og de samme prinsippene ligger i dag i teknologi de fleste bruker daglig. Her er sentrale årstall:

• 1900: Max Planck viser at varmestråling bare kan forklares ved å anta at energi overføres i pakker — kvanter.
• 1918: Planck får Nobelprisen i fysikk for 1918 for oppdagelsen av energikvantene.
• 1921: Albert Einstein får Nobelprisen i fysikk for sin forklaring av den fotoelektriske effekten, der lys opptrer som partikler (fotoner).
• 1922: Niels Bohr får Nobelprisen i fysikk for sine undersøkelser av atomenes oppbygning.
• 1927: Werner Heisenberg formulerer usikkerhetsprinsippet.
• 1935: Erwin Schrödinger presenterer tankeeksperimentet om katten i boksen.
• 1948: Transistoren oppfinnes av J. Bardeen, W. H. Brattain og W. Shockley og gjør elektronikk basert på halvledere mulig.
• 1960: Theodore Maiman bygger den første fungerende laseren, en rubinlaser, basert på stimulert emisjon.
• 2025: FNs internasjonale år for kvantevitenskap og -teknologi markerer hundre år siden kvantemekanikkens grunnleggelse.

Hva i all verden er en kvant?

En kvant er den minste mengden av en fysisk størrelse som finnes. Kvantefysikk er selve samlebetegnelsen på de fysiske teoriene som beskriver naturen på atomært og subatomært nivå — elementærpartikler, atomer, molekyler og lys. Lys kommer for eksempel ikke som en jevn strøm av energi, men i pakker kalt fotoner. Hver pakke er et kvant, og energimengden i den bestemmes av lysets frekvens og Plancks konstant.

Det som gjør feltet vanskelig å venne seg til, er at disse kvantene kan opptre både som partikler og som bølger, avhengig av hvordan de måles. Ifølge Store norske leksikon oppfører elementærpartikler seg ikke alltid som partikler når de måles i eksperimenter, men også som bølger — og hvilken side som dominerer, avhenger av det fysiske systemet og det eksperimentelle oppsettet. Både elektroner og fotoner viser denne dobbeltheten, og fenomenet er bekreftet i en lang rekke eksperimenter.

Heisenbergs usikkerhetsprinsipp - eller: du kan ikke ha alt

En av de viktigste ideene i kvantefysikken er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, formulert av Werner Heisenberg i 1927. Prinsippet sier at det er umulig å kjenne både en partikkels posisjon og bevegelsesmengde (fart multiplisert med masse) med vilkårlig presisjon samtidig. Jo mer nøyaktig den ene måles, desto mer usikker blir den andre.

Dette skyldes ikke at måleutstyret er utilstrekkelig. Ifølge Store norske leksikon er uskarpheten «ikke en konsekvens av usikkerheter knyttet til den eksperimentelle apparaturen», men en grunnleggende uskarphet i naturen selv. Det finnes ingen skjult, eksakt verdi å måle seg fram til — usikkerheten er bygget inn i virkeligheten.

Superposisjon - når partikler er flere steder samtidig

Superposisjon betyr at en kvantepartikkel kan være i flere tilstander eller steder samtidig, helt til den blir målt. Da «velger» partikkelen én tilstand. Dette er ikke fantasi, men et fenomen som er bevist eksperimentelt tusenvis av ganger på partikkelnivå.

Det mest kjente eksempelet er tankeeksperimentet til fysikeren Erwin Schrödinger fra 1935: en katt i en lukket boks er ifølge kvantemekanikken både levende og død samtidig, helt til boksen åpnes. Schrödinger brukte eksempelet for å vise hvor absurde konsekvensene blir når kvantefysikkens superposisjon overføres til store, hverdagslige objekter — ikke for å hevde at en katt faktisk kan sveve mellom liv og død.

Hvordan kvantefysikken påvirker din hverdag

Laseren bygger på et prinsipp Albert Einstein beskrev i 1917, kalt stimulert emisjon: et atom i en eksitert tilstand kan sende ut lys med nøyaktig samme frekvens, retning og fase som lyset som treffer det. Den første fungerende laseren, en rubinlaser, ble bygget av Theodore Maiman i 1960, og prinsippet brukes i dag i alt fra strekkodelesere til fiberoptisk internett. Lysdioden (LED) i taklamper og skjermer virker etter et beslektet kvanteprinsipp: når et elektron i et halvledermateriale fyller plassen til et «hull», frigjøres energien som lys, og fargen bestemmes av energigapet i halvlederen.

Transistoren, selve byggesteinen i moderne elektronikk, ble oppfunnet i 1948 av amerikanerne J. Bardeen, W. H. Brattain og W. Shockley, som fikk Nobelprisen for oppfinnelsen i 1956. Transistoren styrer strømmen av elektroner gjennom et halvledermateriale, og det er kvantemekanikken som matematisk beskriver den mikroskopiske oppførselen til atomer og elektroner som ligger til grunn for det.

MR-maskiner på sykehus bruker en kraftig magnet og lavenergi radiobølger til å avbilde hjernen, ryggmargen, muskler og ledd uten ioniserende stråling. Teknikken utnytter at atomkjerner har en kvanteegenskap — spinn og et magnetisk dipolmoment — som gjør at de reagerer på radiobølgene; kjernemagnetisk resonans er i prinsippet samme metode enten den brukes til å analysere kjemiske stoffer i et laboratorium eller til å ta bilder av pasienter.

Atomur er kanskje det tydeligste eksempelet på kvantefysikk i praktisk bruk. Uret teller ikke sekunder med en pendel, men med lysbølger som får et elektron i et cesiumatom til å hoppe mellom to bestemte energinivåer, 9 192 631 770 ganger i sekundet — selve definisjonen på ett sekund, ifølge det amerikanske standardiseringsinstituttet NIST. Hver GPS-satellitt har flere slike atomur om bord, og de gjør det mulig å fastslå tiden med en nøyaktighet på under 100 milliarddels sekund. Fordi satellittene beveger seg fort og befinner seg i et svakere tyngdefelt enn overflaten, går klokkene deres 38 mikrosekunder for mye per døgn sammenlignet med klokker på bakken — et avvik ingeniørene måtte korrigere for da GPS-systemet ble bygget.

Kvantefysikken er ikke skummelt - det er fantastisk

Kvantefysikk kan virke komplisert fordi den bryter med intuisjonen. Til daglig er ting ett sted eller et annet sted, og en måling endrer ikke det som måles. Men atomverdenen følger ikke disse reglene — og det er ikke et problem, det er en mulighet. Fordi reglene er kartlagt, kan det bygges teknologi som tidligere generasjoner ville kalt trolldom.

Hver gang en mobiltelefon, en laser eller en MR-maskin brukes, er det milliarder av elektroner og fotoner som oppfører seg på måter klassisk fysikk ikke kan forklare — og likevel fungerer teknologien pålitelig, fordi den er bygget nøyaktig etter kvantefysikkens regler. Det kreves ikke avansert matematikk for å sette pris på hvor dypt og rart virkeligheten egentlig er på det minste nivået.