Vetenskapen ger ny definition på verkligheten

Brukar ni läsa Scientific American? Inte? Well, det brukar jag. Och jag delar gärna med mig av de goda nyheterna:

The impression that quantum mechanics is limited to the microworld permeates the public understanding of science. Yet this convenient partitioning of the world is a myth. Few modern physicists think that classical physics has equal status with quantum mechanics; it is but a useful approximation of a world that is quantum at all scales.

Until the past decade, experimentalists had not confirmed that quantum behavior persists on a macroscopic scale. Today, however, they routinely do. These effects are more pervasive than anyone ever suspected.

Ni som vill ha lite mer info, häng med så ska jag försöka förklara grunderna och orsaken till varför denna vetenskap fascinerar mig så mycket.

Den fysik vi lär oss i grundskolan beskriver hur gravitationskraften påverkar äpplet som träffade Newtons skalle. Kvantmekaniken studerar istället hur äpplets minsta beståndsdelar beter sig – och kommer fram till förbryllande slutsatser som inte alls sammanfaller med den klassiska fysikens lagar.

Enligt klassisk fysik har atomer fasta, klart definierade gränser. De befinner sig på en bestämd plats vid en viss tidpunkt och påverkar inte andra atomer om de kolliderar. Zoomar man in lite närmare börjar det däremot hända konstiga saker: kvantsystem som möts överlappar och ändrar varandra, de kombineras och bildar något nytt som är större än summan av de olika delarna. En partikel kan dessutom befinna sig på flera ställen samtidigt och det är inte förrän man observerar den som den väljer att befinna sig på en bestämd plats vid en viss tidpunkt.

Om äpplet skulle bete sig på samma sätt som sina beståndsdelar skulle det innebära följande: äpplet skulle befinna sig i superposition före mätningen, men få en position genom mätningen. En tydligare beskrivning på vanlig svenska: äpplet existerar överallt samtidigt tills någon observerar det, då existerar det där observatören hittar det. Låter helt vansinnigt – men påminner misstänkt mycket om min lilla devis: du ser det när du tror det. ;)

Här får ni ta del av kvantfysikernas legendariska experiment som demonstrerar tillståndet av superposition:

För invecklat? Ok då kör vi ett klipp från serien FlashForward som förklarar superposition på ett lite sexigare sätt:

Ja, det var Bridget från Glamour. :) Men det är inte viktigt nu. Vi ska istället ta en titt på vad hon, jag och ni andra är gjorda av. Let’s go quantum!

Subatomära partiklar (atomens innehåll, t. ex. elektroner och fotoner) är egentligen vågknippen som varken är partiklar eller vågor i sin helhet utan någon som påminner oroväckande mycket om antingen det ena eller det andra beroende på om man observerar processen eller resultatet. Här ska ni få grejen förklarad på enklast möjliga sätt:

Vad ni såg är alltså följande: materia existerar i form av energivågor men förvandlas till partiklar så fort man fäster uppmärksamheten på dem.

Ett systems vågfunktion är alla de händelser som sannolikt skulle kunna inträffa. När vi observerar (mäter) möjligheternas utveckling, försvinner alla utom den vi observerar. Varseblivningen aktualiserar en möjlighet som därmed blir verklighet. Man säger att vågfunktionen har kollapsat.

Våg-partikeldualitet: En elektron har inte någon bestämd position före mätningen (dess position kan endast anges i form av en massa sannolikheter), men får en position genom mätningen. Omedelbart efter mätningen är elektronens sannolikhetsfördelning samlad i en enda punkt, nämligen den där elektronen hittades.

Enligt den nya fysiken kan vi inte vara endast observatörer, vi är deltagare eftersom observationsakten i sig påverkar det vi observerar. Som ni såg i klippet orsakar blotta närvaron av en observatör (detektorn) förändringar i interferensmönstret av elektronvågor som passerar spalterna.

När ingen iakttar exakt vad som försiggår bildas ett interferensmönster (typiskt vågbeteende) trots att man skjuter ut en elektron i taget. Enda förklaringen är att varje elektron krockar med sig själv efter att ha passerat båda öppningarna samtidigt. Men enligt den klassiska fysiken är det här omöjligt, inget kan befinna sig på två ställen samtidigt och krocka med sig själv!

Så fort man försöker gå till botten med mysteriet och börjar observera elektronerna passera genom öppningarna ändras situationen drastiskt. Om en elektron ses passera genom en öppning är det uppenbart att den inte har passerat genom den andra, observationen av deras vägval ”bevisar” alltså att elektronerna beter sig som partiklar istället för som vågor – men detta påverkar resultatet, dvs. mönstret på väggen. Resultatet förändras till att bekräfta egenskaperna hos det man observerade!

Inte nog med det. Mönstret på väggen uppvisade variation beroende av ”mängden” observation. När detektorns kapacitet att registrera elektronerna ökade, (när nivån av observationen höjdes) blev interferensen svagare, när kapaciteten att registrera elektronerna minskade (när nivån av observationen sänktes) blev interferensen starkare. Genom att kontrollera egenskaperna hos observatören kunde forskarna kontrollera dess influens på elektronernas beteende!

Låter påståendet ”vi skapar vår egen verklighet” fortfarande ovetenskaplig? Och erkänn att ni älskar uttrycket ”wave of potentials” som Dr Quantum använder i det där klippet lika mycket som jag!

Vill man vara quantum chic säger man alltså inte ”äpplet ligger på bordet”. Det heter ”jag mätte äpplets position och observerade att det ligger på bordet”. Och är man riktigt modig kan man försöka kollapsa vågfunktionen i något ännu saftigare… ;)

Att våra frukter befinner sig i superposition bakom ryggen på oss är ett märkligt faktum men hokus pokuset tar inte slut där. Forskarna har observerat ett fenomen som antyder att information kan förflytta sig fortare än ljusets hastighet. Det förefaller som att varken tid eller fysiskt avstånd är ett hinder för två partiklar att interagera med varandra.

Kvantmekanisk sammanflätning (kvantkorrelation): Om två eller fler partiklar är sammanflätade kommer ändringar av den ena av partiklarna omedelbart att medföra att egenskaperna för den andra partikeln ändras – oavsett det fysiska avståndet mellan dem.

Här förklarar Dr Quantum varför allting i universum har potential att interagera med allting:

Föreställ er att jag och Heidi har var sitt mynt och att dessa mynt är ”födda” tillsammans, dvs. har uppstått ur samma process. Jag och Heidi befinner oss jättelångt ifrån varandra geografiskt och har ingen kontakt. Vi har tidigare konstruerat ett system som gör det möjligt för oss att singla våra respektive mynt samtidigt. Varje slantsingling jag gör sker alltså exakt samtidigt som Heidis.

Anta att våra resultat blir så här:
(KR = krona, KL = klave)
Heidi: KL KR KL KL KR KL KR KL KR KR KR KR KR KL KR KL
Irina: KR KL KR KR KL KR KL KR KL KL KL KL KL KR KL KR

När jag tittar på mina resultat utan att känna till Heidis ser jag att resultaten uppvisar något som kan förväntas av ett normalt mynt. Jag kan tillämpa alla möjliga slags slumptester och konstatera att myntet följer den klassiska fysikens lagar. När Heidi tar en titt på sina resultat kommer hon fram till samma slutsats som jag, att hennes mynt beter sig helt normalt och följer den klassiska fysikens lagar.

Men nu kommer vi till det intressanta: när jag och Heidi jämför våra resultat ser vi att de är starkt korrelerade. Varje gång jag får krona får Heidi klave och vice versa. Hur är det möjligt? Resultaten borde vara oberoende slumpmässiga men är inte det. Av någon anledning är deras slumpmässighet starkt korrelerad.

Exemplet illustrerar vad som händer om man tar två elektroner som är skapade i samma process (någon partikelreaktion) och flyttar dem långt ifrån varandra. Vad som händer är följande: när man mäter den ena elektronens spinn (antingen spinn upp eller spinn ner) är det en slumpmässig process. Samma sak gäller den andra elektronen. Men deras respektive spinnvärden är alltid korrelerade på samma sätt som i myntexemplet ovan.

En newtonfysiker skulle försöka förklara fenomenet så här: det sker någon sorts interaktion mellan elektronerna, de projicerar någon slags kraft på varandra (något i stil med magnetism eller gravitation, fast ingen av dessa två eftersom vi har utforskat båda och vet att det skulle vara omöjligt) så att när man mäter den ena elektronens spinn, så ”vet” den andra att den ska spinna åt motsatt håll.

Problemet är att mätningarna görs samtidigt vilket innebär att all slags interaktion eller påverkan mellan elektronerna skulle färdas fortare än ljuset – något som står i strid med den klassiska fysikens heligaste trossats: relativitetsteorin. Hur man än vänder på saken så motsäger fenomenet naturlagarna i den form vi hittills framställt dem.

Våg-partikeldualitet och kvantkorrelation är endast toppen på isberget. Det finns många fler ”övernaturliga” fenomen som observerats experimentellt och allt fler fysiker framhåller nu att vår syn på realiteten måste uppdateras. Men då uppstår följande fråga: hur kan vi veta vad realitet är om vi inte kan kan mäta den utan att samtidigt förvränga den?

Ja, såna här lyxproblem får man dras med när man klarar av att beräkna sannolikheter för alla händelser i sin omgivning men inte förstår exakt varför dessa saker händer. Ungefär som när man jagar sin egen svans samtidig som man tror att det är någon annan som drar undan den. ;)

Stenen vetenskapen hittills snubblat på är regeln som säger att ett fenomen inte kan anses vara ”riktigt” ifall andra människor inte förmår uppleva det under kontrollerade former och på beställning. Man ”tillåter” inte något existera utan att först finna konsensus med andra människor. Kvantforskarna är de första som har visat viljan att rubba på övertygelsen om objektiv realism. Att föremål existerar i ett visst tillstånd oberoende av om man mäter dem eller inte tycks vara ett missförstånd. Vi påverkar resultatet vi ser, vilket innebär att vi är med och aktualiserar universum!

Vår fysiska värld, dvs. allting som uppfattas av våra fem sinnen, består i grunden av ”osynliga” elementarpartiklar vars beteende inte begränsas av den klassiska fysikens lagar men som däremot påverkas av observatören.

Om vi återvänder till exemplet med myntet: exakt när förvandlades slantsinglingen från sannolikheten 50% krona – 50% klave till att vara definitivt krona / klave? Hände det när den första fotonen (ljuspartikeln) från lampan träffade slanten? Nej. Om vi utför mätningar upptäcker vi att fotonen inte fick vågfunktionen att kollapsa (fotonens handling går att omvända och myntet återgår då till att vara både krona och klave). Hände det när den första fotonen interagerade med en atom i observatörens retina? Nej. Om vi utför mätningar upptäcker vi att inte heller det får vågfunktionen att kollapsa.

Vi kan fortsätta backa i våra försök att hitta det avgörande ögonblicket men till slut slår vi i väggen. Denna vägg är observatörens medvetande. I samma ögonblick som Heidi blir medveten om vilken sida av myntet hon ser finns ingen återvändo; myntet kan inte längre vara både krona och klave, det är antingen krona eller klave. Heidis vetskap om vilken sida av hennes mynt hon ser förvandlar dessutom mitt mynt (som representerar den sammanflätade elektronen) till att bekräfta denna realitet – för Heidi. Glöm inte bort att jag, så länge Heidis resultat är okänt för mig, också kan få krona eller klave med 50 – 50 sannolikhet. Det är inte förrän jag blir medveten om hennes resultat som mitt mynt ”tvingas” visa ”rätt”.

I varje given situation är alla utgångar möjliga och det är vår perception som realiserar en av dessa möjligheter. Det finns ingen realitet som är fristående från observatören. Allting befinner sig i ett s. k. kvantumlimbo, en ocean av möjligheter, och blir ”sant” i samma ögonblick som man observerar det. Observationen påverkar dessutom andra observationer så att helheten blir sammanhängande (en överenskommelse om vad detta innebär har gett upphov till den klassiska fysiken).

Vår perception kan vara fixerad men verkligheten är inte det. Med hjälp av kvantfysiken har man nu börjat märka att det finns lika många verkligheter som det finns observatörer.

Newsflash 1000-talet: jorden är inte platt som en pannkaka
Newsflash 2000-talet: jorden är sådan man observerar att den är

Kvantmekanik var i början en slags kvasivetenskap, en samling hypotetiska koncept som inte ansågs ha någon relevans för den värld vi lever i. Nu när man börjar inse att även större partiklar än subatomära följer kvantlagarna blir allt fler forskare intresserade av att utveckla förståelse för denna nya slags fysik som revolutionerar vår tidigare världsbild lika mycket som Galilei och Newton gjorde på sin tid.

Dagens kvantforskning har ådragit sig uppmärksamhet av bl. a. investeringsbankirer och entreprenörer inom informationsbranschen. Laboratorier runtom i världen skapar och studerar sammanflätningar på löpande band och gränsen mellan mikro och makro håller sakta men säkert på att suddas ut. Forskningsresultaten lägger grunden för framtidens teknologi, där kvantdatorer som utför uträkningar många tiopotenser snabbare än traditionella och vars information krypteras med hjälp av fotoner, hör till vardagen.

Ni som vill läsa mer om kvantmekanik, här finns en intressant artikel. Jag gillar även denna uppsats trots att jag är lite osäker på om skribenten definierar konceptet ”gud” som en fristående enhet eller inte (i relation till en själv alltså). Enligt mig, en andlig ateist (tror att jag har hela universum i ryggen utan att tillskriva detta universum egenskaper av en obalanserad människa på det sätt som religionerna gör), är Abraham-Hicks definition allt man kan önska sig. Den lämnar inga frågor obesvarade och i kombination med traditionell kvantfysik (den tolkning som ligger mig närmast hjärtat heter RQM Relational Quantum Mechanics) får man en så läcker helhetsbild av livet att man ibland har svårt att somna på kvällen. ;)

Om ni, precis som jag, hellre vill vara quantum chica än new age flummiga kan jag tipsa om att frasen ”jag tänker positiva tankar” går att byta ut mot ”jag kollapsar vågfunktioner på ett fördelaktigt sätt”. Now go enjoy the universe, babes! Beauty lies in the eye brain of the beholder.