#34: Om kvantefysikk og hvordan den skal forstås – med Anders Kvellestad

Hei Egil! Det tok sin tid, men her er endelig et forsøk på et kort svar. Et langt svar kunne trengt en ny podcast! 🙂

Jeg limer inn det opprinnelige spørsmålet ditt fra Abels Tårn-gruppa her, så det er tilgjengelig også for folk som ikke bruker Facebook:

“Et elekton langt ute i verdensrommet ett sted gjør et kvantesprang som fører til at atomet sender ut en lysbølge. Er det slik at lysbølgen brer seg utover i flere retninger, omtrent som lydbølger? At det ikke er forutbestemt hvor den vil materialisere seg til et foton? I så fall hvor får atomet «rekylretningen» sin fra?”

Jeg synes spørsmålet ditt er veldig godt, for det får tydelig frem hvordan vi må holde tunga veldig rett i munnen når vi tenker på hva kvantemekanikkens matematikk sier eller ikke sier om den verden vi lever i. Jeg har ikke tenkt så mye på akkurat den situasjonen du formulerer, men med mindre det er noe jeg overser her så bør det konseptuelt være det samme som andre sammenfiltringsoppsett. For å se hva kvantefysikken sier, så må vi da huske på at vi må jobbe med én felles kvantetilstand (bølgefunksjon) for hele systemet.

Til å begynne med er dette én tilstand for det eksiterte atomet. Før vi gjør noen observasjon må vi berenge hvordan denne kvantetilstanden utvikler seg i tid fra den antatte starttilstanden, frem til situasjonen der vi gjør en observasjon. Denne beregningen gjør vi v.h.a. Schrødingerlikningen.

Den vil da fortelle oss at den antatte starttilstanden “eksitert atom” vil utvikle seg mot en superposisjon av alle mulige slutttilstander: “foton går i retning nr 1, atomrekyl i motsatt retning” + “foton går i retning nr 2, atomrekyl i motsatt retning” + … (osv osv for alle mulige fotonretninger.)

For å gjøre det enkelt, la oss si at det utsendte fotonet kun kan gå til høyre eller venstre. Da får vi at Schrödingerlikningen gir oss følgende utvikling av kvantetilstanden, før vi gjør en observasjon:

“eksitert atom” –> “foton mot venstre, atom mot høyre” + “foton mot høyre, atom mot venstre”.

Det er altså ikke slik at det kun er en “lysbølge” som brer seg i alle retninger. Men den *delen av kvantetilstanden* som handler om hvor fotonet til slutt observeres, vil (matematisk sett) bre seg i alle retninger. Og som tilstandene over viser, vil hver slik del av kvantetilstanden være sammenfiltret med en tilhørende tilstand for atomets rekylretning.

Når du så observerer dette fotonet, så må du, rent matematisk, “kollapse” kvanteteilstanden ned til akkurat det leddet som representerte det vi observerte. Så da blir den nye tilstanden ikke lenger en superposisjon, men f.eks. kun det ene leddet “foton mot venstre, atom mot høyre”.

I hilken grad denne kollapsen faktisk forteller oss noe om hva som fysisk skjer er nettopp samme spørsmål som “hva skjer egentlig når Alice måler spinnet på sin partikkel i et vanlig Alice-Bob-sammenfiltringsforsøk?”. Og her avhenger svaret av hvordan man tolker kvantefysikken, som diskutert i podcasten.

Om man tror kvantetilstanden i seg selv er noe fysisk, så kan man ende opp med å si at det faktisk er en form for umiddelbar “kommunikasjon” mellom fotonet og atomet, som er lysår unna. (“Kommunikasjon” er litt dårlig ord, fordi vi kan ikke bruke dette fenomenet til å faktisk sende beskjeder.) F.eks. pilotbølgetolkningen vil hevde at det er slik.

En annen løsning for de som tenker at kvantetilstanden direkte representerer noe fysisk, er gjøre som mange verdener-tolkningen: å si at virkeligheten/historien/universet delte seg i det øyeblikket fotonet ble sendt ut fra atomet, og i hver slik gren av verden så ser du kun én av de mulige retningene for fotonet (og tilhørende atomrekyl). Da handler den tilsynelatende indeterminismen bare om at du som observatør ikke kan vite hvilken “univers-gren” du befinner deg i før du faktisk observerer fotonet (eller atomrekylen).

Og så har du den andre gruppen fysikere (meg selv inkludert), som ikke tror kvantetilstanden er en matematisk *direkte* beskrivelse av hva naturen foretar seg, men mer representerer vår “informasjon om”/”grad av tro på” ulike mulige observasjoner vi kan gjøre. Vi vil stort sett si at kvantefysikkens matematikk ikke direkte besvarer spørsmål som “hva skjer med et atom som er lysår unna der jeg gjør min måling?”.

Vi sier heller at den typen spørsmål som kvantefysikken svarer på er spørsmål av typen “Hva ville jeg forvente å observere dersom jeg kunne reise til atomet og gjøre en observasjon der?”. Evt spørmsmålet “Gitt at jeg har en venn, Bob, som gjorde en måling av atomet, hva vil jeg forvente å få lære om atomets rekyl når jeg en gang senere kommuniserer med Bob?”

Enn så lenge er alle disse tolkningene like godt i overensstemmelse med empiri. Kvantefysikken er snodig. 🙂