Kvantefysikk vs klassisk fysikk: Hva er virkeligheten egentlig?

To verdensbilder: Newtons og Plancks arv

Newton ga oss et bilde av universet som en urverk: Hvis du kjente alle kreftene og alle posisjoner av alle gjenstander, kunne du forutsi fremtiden helt. Dette fungerte perfekt for alt fra fallende epler til revolverenes baner til planeter som kretser rundt solen. I 350 år trodde vi at virkeligheten var deterministisk, mekanisk, og helt forståelig.

Så kom kvantefysikken på 1920-tallet og sa: «Nei. Helt ned på atomnivået fungerer reglene annerledes.» Partikler oppfører seg ikke som kuler som rullet rundt. De oppfører seg som bølger og partikler samtidig. Du kan ikke vite både hvor en partikkel er og hvor fort den beveger seg — det er en grunnleggende grense på universet. Og det finnes bare sannsynligheter, ikke sikkerhet.

Klassisk fysikk: Det vi alle tror vi forstår

Klassisk fysikk sier: Hvis jeg kaster en ball, kjenner jeg hvor den er til enhver tid (omtrent). Hvis jeg ser på to biler som kolliderer, kan jeg beregne hvor de kommer til å være etter kollisjonen. Hvis jeg vet temperaturen på vannet og hvor kaldt det er utenfor, kan jeg forutsi hvor lenge det tar å frøse til is. Alt dette baserer seg på Newtons lover — kraft er masse ganger akselerasjon, og så videre.

Denne verdensbildet er ikke feil. Det er bare at det bare fungerer på stor skala — menneske-skala og større. Det brister på atomnivået fordi atomene adlyder helt andre regler.

Kvantefysikk: Der intuisjon slutter og sannsynlighet begynner

Kvantefysikk sier at på atomnivået, kan ting være på flere steder samtidig (superposisjon) inntil noen måler dem. En elektron omkring en atomkjerne er ikke på en bestemt bane — den er i en «sky» av mulige posisjoner. Bare når du måler det, «velger» det en posisjon. Det handler ikke om at du ikke vet hvor det er, det handler om at det bokstavelig ikke HAR en bestemt posisjon inntil du måler det.

Dessuten viser forsøk at lyspartikler (fotoner) og elektronpartikler kan eksistere som både bølger og partikler samtidig. De oppfører seg annerledes avhengig av om du ser på dem eller ikke. Og det finnes ikke måter å løse ut informasjonen som gjør at partiklene «må» oppfører seg klassisk. Universet er bokstavelig talt usikker på kvantenivået.

Tall og trender

Kvantefysikk handler nå ikke lenger bare om teori — det handler om praksis.

Konkret sammenligning: Slik er de ulike

La oss ta elektron som eksempel. I klassisk fysikk: Elektronets både posisjon og hastighet kan måles samtidig og nøyaktig. I kvantefysikk: Jo mer nøyaktig du måler posisjonen, jo mindre nøyaktig kjenner du hastigheten (Heisenbergs usikkerhetsprinsipp). Et klassisk menneske-eksempel: Hvis jeg skal finne deg i Oslo, vet jeg du er på ett bestemt sted. En kvante-you ville være på en «sannsynlighetssky» — kanskje 50% sannsynlig at du er på Ferner, 30% på Grønland, 20% på Solli — inntil noen faktisk går og ser hvor du er.

Et annet eksempel: Klassisk tenking sier at en gjenstand enten er her eller der. Kvantefysikk sier at en gjenstand kan være begge steder samtidig (superposisjon). Dette høres galt ut, men det er dokumentert i laboratoriet mange tusen ganger.

Hvorfor betyr dette noe — hvor brukes det?

Kvantefysikk er ikke bare abstrakt. Den brukes i: Lasere (basert på stimulert emisjon av fotoner), transistorer (basert på kvantetunneling og elektronbånd), solceller (basert på fotoelektrisk effekt), MRI-maskiner (basert på atommagnetisme), og atomklokker (basert på kvante-energihopp). Uten kvantefysikk ville vi ikke ha datamaskiner eller mobiltelefoner.

Og den kommer til å bli enda viktigere: Kvantedatamaskiner (som bruker qubits som kan være 0 og 1 samtidig) lover å løse visse problemer som klassiske maskiner ikke kan løse på rimelig tid.

En virkelighet som er strangere enn fiksjonen

Klassisk fysikk er elegant og intuitiv fordi den bygger på hvordan verden ser ut når vi ser den. Kvantefysikk er både mer kompleks og mer korrekt fordi den beskriver virkeligheten på det nivået der alt skjer — atomnivået.

Det finnes ikke enkel intuisjon som gjør kvantefysikk «lett». Selv Einstein var ubekvem over det (han mente det måtte finnes «skjulte variabler» som gjorde universet deterministisk igjen — men forsøk har vist at han tok feil). Så ikke lei deg hvis du synes det høres rart ut. Universets arkitektur er rart. Og det er vakker nettopp fordi det er så merkelig.

"Hvis du ikke blir overrasket av kvantefysikk, forstår du den ikke."