Nyt eksperiment: Et atom er både en bølge og en partikel

På det mest basale plan adlyder naturen kvantemekanikkens love.

Kvantefysikkens verden er meget anderledes end den, vi er vant til, så resultater fra kvantemekaniske eksperimenter kan forekomme ulogiske og kontraintuitive. Men sådan er naturen nu engang skruet sammen.

Blandt de mystiske realiteter er, at et objekt både kan være en bølge og en partikel på én og samme gang. Det gælder i hvert fald for ganske små ting som elementarpartikler og for atomer, viser eksperimenter.

Både bølger og partikler samtidig

I det daglige kan vi godt se forskel på bølger og ikke-bølger. Vi ved også, at bølger opfører sig anderledes end partikler. Hvis to bølger mødes, kan de enten forstærke hinanden - konstruktiv interferens - eller udslukke hinanden - destruktiv interferens - mens mødet mellem en partikel og en anden partikel bare giver to partikler med kendte positioner.

Bølger giver et interferensmønter, partikler gør ikke, og derfor kan man opstille eksperimenter, der kan afgøre, om man har at gøre med en bølge eller en partikel.

Det er her, kvantemekanikkens såkaldte partikel-bølge-dualitet kan drille. Lys består af elementarpartikler kaldet fotoner, men man kan ikke sige, at en foton er en bølge, blot fordi vi har observeret lys opføre sig som bølger i eksperimenter. Hvis vi måler på en anden måde, kan en foton nemlig have partikel-egenskaber. På samme måde er en elektron ikke en partikel, selvom den ofte opfører sig sådan. Den kan nemlig også have bølgeegenskaber.

Tankeeksperiment blev virkeligt

Ifølge kvantemekanikken kan objekter i bevægelse opføre sig som både bølger og partikler, og om de gør det ene eller det andet, afhænger af hvordan vi måler på dem. Før man foretager målingen, giver det slet ingen mening at spørge, om objektet er en bølge eller en partikel. Man kan sige, at det først er ved målingen, at objektet 'beslutter', om det vil være det ene eller det andet.

Faktisk kan det endda se ud som om, at beslutningen om at være en bølge eller en partikel kan tages med tilbagevirkende kraft. Det viser et nyt forsøg, som australske forskere fra Australian National University har foretaget med ultrakolde helium-atomer. Forsøget er beskrevet i en artikel i det videnskabelige tidsskrift Nature Physics.

Eksperimentet tog udgangspunkt i et tankeeksperiment, som den nu afdøde amerikanske teoretiske fysiker John Wheeler første gang præsenterede i bogen 'Mathematical Foundations of Quantum Theory' fra 1978.

Han spurgte sig selv, om man kan bestemme, om en foton skal opføre sig som en bølge eller en partikel, ved at foretage en måling et stykke tid efter, at fotonen burde have 'bestemt' sig. Om man med andre ord kan foretage et forsinket valg af målemetode, som afgør fotonens historie - i fuldstændig overensstemmelse med Niels Bohrs fortolkning af kvantemekanikken, men i modstrid med sund fornuft og for den sags skyld Albert Einsteins overbevisning.

Dobbeltspalteeksperiment med et tvist

Wheeler tænkte sig en foton, der har tre muligheder i mødet med en plade med to spalter: Den kan enten gå igennem den ene spalte som en partikel, gå igennem den anden spalte som en partikel eller gå igennem begge spalter samtidig som en bølge. Om fotonen opfører sig som en bølge eller en partikel kommer an på, hvordan man måler.

Hvis man holder øje med, om fotonen passerer igennem den ene eller den anden spalte, vil man få det resultat, at fotonen opfører sig som en partikel. Hvis man derimod kigger på, om fotonen lander et sted, hvor den kun kan havne ved at have opført sig som en bølge - hvis man prøver at detektere et interferensmønster, idet fotonen som bølge kan interferere med sig selv efter pladen - så viser det sig, at fotonen rigtig nok har opført sig som en bølge og tilsyneladende har gået igennem begge spalter.

I tankeeksperimentet fik dette dobbeltspalteeksperiment nu et ekstra tvist ved at tilføje den betingelse, at man først måtte bestemme sig for, hvad man ville måle, efter at fotonen havde passeret spalten.

På den måde kunne Wheeler vise, at fotonen ifølge kvantemekanikkens love ikke bare beslutter sig for, om den vil være en bølge eller en partikel, når den møder spalten, men at den sag først afgøres ved detektionen, som kan foregå længe efter.

Fortiden påvirkes af nutiden?

Det lugter af, at fortiden påvirkes af en beslutning taget i nutiden - at virkningen kommer før årsagen. Men det gælder kun, hvis man har den klassiske fysiks opfattelse af, at en bølge er en bølge, og en partikel er en partikel.

I stedet skal man acceptere, at en foton både er en partikel og en bølge, og at den opfører sig som begge dele samtidig, lige frem til det øjeblik hvor den detekteres. Eller måske nærmere, som John Wheeler sagde det: »Intet elementært fænomen er et fænomen, før det er et observeret fænomen.«

»Det mystiske er, at systemet - bare et atom i dette tilfælde - både kan opføre sig som en partikel og som en bølge, og at valget af måleprocessen er helt essentielt i forhold til, hvad systemet vælger at være,« fortæller Peter Lodahl, der er professor og leder af gruppen for kvantefotonik på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

»Først i og med, at man laver sin måling, beslutter systemet sig for, om det er en partikel eller en bølge. Det kender man jo ikke fra klassiske systemer. En fodbold kan ikke pludselig beslutte, om den vil være to steder samtidig som en bølge eller et bestemt sted som en partikel. Vi forstår det slet ikke i vores klassiske verden.«

Nu kan teorien afprøves

I det seneste årti er det blevet muligt at efterprøve Wheelers eksperimentet i laboratorier rundt omkring i verden. De stadig mere præcise og overbevisende eksperimenter bekræfter kvantemekanikken som beskrevet af Niels Bohr.

I stedet for to spalter bruger fysikerne typisk en opstilling kaldet et interferometer, hvor en foton først sendes igennem et halvgennemsigtigt spejl. I partikelbeskrivelsen vil fotonen enten gå igennem spejlet eller blive reflekteret af spejlet, så den må vælge mellem to mulige veje.

I bølgebeskrivelsen vil fotonen derimod splitte sig op og gå begge veje. Hvis de to foton-bølger så reflekteres af spejle og samles igen af et nyt halvgennemsigtigt spejl, så vil der åbenbares et interferensmønster, hvis man måler efter. Men hvis det sidste halvgennemsigtige spejl udelades, så vil målingen afsløre, at fotonen opfører sig som en partikel, idet der ikke vil være noget interferensmønster.

Målingen afgør altså, hvad fotonen har været på sin vej - og det gælder også, hvis valget af målemetode først foretages, efter at fotonen har været igennem det første halvgennemsigtige spejl, jævnfør Wheelers tankeeksperiment om et forsinket valg.

Først fotoner, nu atomer

Den eksperimentelle efterprøvning af kvantemekanikkens forudsigelser blev foretaget med enkelte fotoner i 2007, og i det nye forsøg har forskerne nu demonstreret, at det ikke kun er de masseløse lyspartikler/lysbølger, der opfører sig på den måde. I den australske forsøgsopstilling var det nemlig atomer, der et ad gangen blev sendt ud på den lille rejse gennem interferometeret.

I stedet for at møde spejle fik atomet skub af fotoner, men princippet og resultatet var det samme. Også et atom kan altså opføre sig som både bølge og partikel, og først ved en forsinket måling afsløres det, hvad den har været.

»Det er et flot eksperiment, der teknisk er meget krævende,« siger Peter Lodahl. Men resultatet kom ikke bag på ham:

»Resultatet kan ikke opfattes som overraskende, da kvantemekanikken i talrige eksperimenter har vist sig at være en meget præcis beskrivelse af den mikroskopiske verden. Det ville have været en sensation, hvis atomet ikke havde været både en bølge og en partikel, som først besluttede sig for at opføre sig som det ene eller det andet, når der blev foretaget en måling.«

Hvor går grænsen?

Men hvorfor kan et atom være en underlig blanding af en partikel og en bølge, indtil der måles på den, når en fodbold ikke kan? Og hvor går grænsen?

»Det ved man ikke. Det spørgsmål har ikke noget simpelt svar,« fortæller Peter Lodahl og fortsætter:

»Man kan forsøge sig med stadig større molekyler, og det er der da også forskere, der prøver. Det er for eksempel lykkedes at få en buckyball - et molekyle bestående af 70 kulstofatomer - til at opføre sig som en bølge. Og der har været tale om at forsøge sig med et virus.«

»Systemerne begynder dog at opføre sig mere og mere klassisk, efterhånden som man bygger dem større. En fodbold kan beskrives fuldstændig klassisk.«

På vej mod kvantecomputere

Det aktuelle eksperiment viser, hvor gode forskerne er blevet til at manipulere enkelte atomer, og hvordan de kan bygge og kontrollere kvantemekaniske systemer med dem. Det er interessant i sig selv, lyder det fra Peter Lodahl:

»Kvantemekaniske systemer kan føre til ny teknologi. Vi vil gerne bygge store, kvantemekaniske systemer som for eksempel en såkaldt kvantesimulator. Det er en form for specialiseret kvantecomputer, der er designet til at løse et helt specifikt problem.«

»Sådan et system kunne bruges til at regne på materialers egenskaber, så man for eksempel kunne udvikle superledere, der fungerer ved høje temperaturer. Andre kvantesystemer kunne simulere kemiske eller biologiske systemer, og de ville kunne udføre beregninger langt hurtigere end eksisterende computere.«

»Endnu er der lang vej til en kvantecomputer, der kan løse en lang række forskellige opgaver, men det er nemmere at udvikle specialiserede kvantesimulatorer. Og eksperimenter som dette er et skridt på vejen til at opnå den ultimative kontrol over kvantemekaniske systemer, som er påkrævet,« slutter Peter Lodahl.