De mycket, mycket smås värld är ett konstigt underland. Molekyler, atomer och deras beståndsdelar avslöjade inte lätt sina hemligheter för de forskare som brottades med atomernas fysik i början av 20-talet. Drama, frustration, ilska, förbryllande och nervsammanbrott fanns i överflöd, och det är svårt för oss nu, ett helt sekel senare, att förstå vad som stod på spel. Det som hände var en kontinuerlig process av världsbildsnedbrytning. Du kanske måste ge upp att tro att allt du trodde är sant om något. I fallet med kvantfysikpionjärerna innebar det att de ändrade deras förståelse av reglerna som dikterar hur materia beter sig.
Strängenergi
År 1913 utformade Bohr en modell för atomen som såg ut som ett solsystem i miniatyr. Elektroner rörde sig runt atomkärnan i cirkulära banor. Bohr lade till några vändningar till sin modell - vändningar som gav dem en uppsättning konstiga och mystiska egenskaper. Vridningarna var nödvändiga för att Bohrs modell skulle ha förklaringskraft — det vill säga för att den skulle kunna beskriva resultaten av experimentella mätningar. Till exempel var elektronernas banor fixerade som järnvägsspår runt kärnan. Elektronen kunde inte vara mellan banor, annars skulle den kunna falla in i kärnan. När den väl kom till den lägsta stegen i omloppsstegen, stannade en elektron där om den inte hoppade till en högre omloppsbana.
Tydlighet om varför detta hände började komma med de Broglies idé att elektroner kan ses både som partiklar och vågor. Denna våg-partikeldualitet av ljus och materia var häpnadsväckande, och Heisenbergs osäkerhetsprincip gav den precision. Ju mer exakt du lokaliserar partikeln, desto mindre exakt vet du hur snabbt den rör sig. Heisenberg hade sin teori om kvantmekanik, en komplex anordning för att beräkna möjliga resultat av experiment. Det var vackert men extremt svårt att räkna ut saker med.
Lite senare, 1926, fick den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger en jättestor idé. Tänk om vi kunde skriva en ekvation för vad elektronen gör runt kärnan? Eftersom de Broglie föreslog att elektroner beter sig som vågor, skulle detta vara som en vågekvation. Det var en verkligt revolutionerande idé, och den omformulerade vår förståelse av kvantmekanik.
I andan av Maxwells elektromagnetism, som beskriver ljus som vågande elektriska och magnetiska fält, drev Schrödinger vågmekanik som kunde beskriva de Broglies materiavågor. En av konsekvenserna av de Broglies idé var att om elektroner var vågor så var det möjligt att förklara varför bara vissa banor var tillåtna. För att se varför detta är sant, föreställ dig ett snöre som hålls av två personer, Ana och Bob. Ana rycker snabbt och skapar en våg som rör sig mot Bob. Om Bob gör detsamma rör sig en våg mot Ana. Om Ana och Bob synkroniserar sina handlingar, dyker en stående våg upp, ett mönster som inte rör sig åt vänster eller höger och som uppvisar en fast punkt mellan dem som kallas en nod. Om Ana och Bob rör sina händer snabbare kommer de att hitta nya stående vågor med två noder, sedan tre noder och så vidare. Du kan också generera stående vågor genom att plocka en gitarrsträng med varierande styrka tills du hittar stående vågor med olika antal noder. Det finns en en-till-en-överensstämmelse mellan den stående vågens energi och antalet noder.
Arvet från Born
De Broglie föreställde elektronen som en stående våg runt kärnan. Som sådan skulle bara vissa vibrerande mönster passa i en sluten cirkel - banorna, var och en kännetecknad av ett givet antal noder. De tillåtna banorna identifierades av antalet noder i elektronvågen, var och en med sin specifika energi. Schrödingers vågmekanik förklarade varför de Broglies bild av elektronen som en stående våg var korrekt. Men det gick mycket längre och generaliserade denna förenklade bild till tre rumsliga dimensioner.
I en sekvens av sex anmärkningsvärda artiklar formulerade Schrödinger sin nya mekanik, tillämpade dem framgångsrikt på väteatomen, förklarade hur de kunde tillämpas för att producera ungefärliga svar på mer komplicerade situationer, och bevisade kompatibiliteten hos hans mekanik med Heisenbergs.
Lösningen på Schrödingers ekvation var känd som vågfunktionen. Till en början tänkte han på det som en beskrivning av själva elektronvågen. Detta var i överensstämmelse med klassiska föreställningar om hur vågor utvecklas i tiden, lydande determinism. Med tanke på deras initiala position och hastighet kan vi använda deras rörelseekvation för att förutsäga vad som händer i framtiden. Schrödinger var särskilt stolt över detta faktum - att hans ekvation återställde en viss ordning i den konceptuella röran som atomfysiken orsakade. Han gillade aldrig tanken på att elektronen "hoppade" mellan diskreta banor.
Heisenbergs osäkerhetsprincip förstörde dock denna deterministiska tolkning av vågfunktionen. I kvantvärlden var allt flummigt, och det var omöjligt att förutsäga exakt tidsutvecklingen av elektronen, vare sig det var en partikel eller våg. Frågan blev: Vad betyder då denna vågfunktion?
Fysiker gick vilse. Hur kunde våg-partikeldualiteten av materia och ljus och Heisenbergs osäkerhetsprincip förenas med Schrödingers vackra (och kontinuerliga) vågmekanik? Återigen behövdes en radikal ny idé, och återigen hade någon den. Den här gången var det Max Borns tur, som förutom att vara en av kvantmekanikens främsta arkitekter också var farfar till 1970-talets rockstjärna Olivia Newton-John.
Born föreslog, korrekt, att Schrödingers vågmekanik inte beskrev elektronvågens utveckling, utan sannolikheten att hitta elektronen i den eller den positionen i rymden. Genom att lösa Schrödingers ekvation beräknar fysiker hur denna sannolikhet utvecklas i tiden. Vi kan inte med säkerhet förutsäga om elektronen kommer att hittas här eller där. Vi kan bara ge sannolikheter för att den ska hittas hit eller dit när en mätning är gjord. Inom kvantmekaniken utvecklas sannolikheten deterministiskt enligt vågekvationen, men det gör inte elektronen själv. Samma experiment, som upprepas många gånger under samma förhållanden, kan ge olika resultat.
Kvantsuperposition
Det här är ganska konstigt. För första gången har fysiken en ekvation som inte beskriver beteendet hos något fysiskt som tillhör ett objekt - som positionen, rörelsemängden eller energin hos en boll eller planet. Vågfunktionen är inget verkligt i världen. (Åtminstone är det inte så för den här fysikern. Vi kommer att ta upp denna besvärliga fråga snart.) Det är kvadratiskt – dess absoluta värde, eftersom det är en komplex storhet – ger sannolikheten att hitta partikeln vid en viss punkt i rymden en gång en mätning görs. Men vad händer innan mätningen? Det kan vi inte säga. Vad vi säger är att vågfunktionen är en överlagring av många möjliga tillstånd för elektronen. Varje tillstånd representerar en position som elektronen kan hittas när en mätning görs.
En möjligen användbar bild (de är alla osäker) är att föreställa dig själv i ett rum som är mörkt, gå mot en vägg där många bilder hänger. Ljus tänds när du når en specifik plats på väggen, framför en tavla. Naturligtvis vet du att du är en enda person som går mot en av målningarna. Men om du var en subatomär partikel som en elektron eller en foton, skulle det finnas många kopior av dig som gick mot väggen samtidigt. Du skulle vara i en superposition av många er, och bara en kopia skulle nå väggen och få lamporna att tändas. Varje kopia av dig skulle ha olika sannolikhet att nå väggen. Genom att upprepa experimentet många gånger, avslöjas dessa olika sannolikheter.
Rör sig alla kopior i det mörka rummet verkliga, eller är det bara den som träffar väggen och tänder lamporna? Om bara den är verklig, hur kommer det sig att andra också kunde ha träffat väggen? Denna effekt, känd som quantum superposition, är kanske den konstigaste av dem alla. Så konstigt och fascinerande att det förtjänar en hel artikel.
