Kvantfysiker observerar

Fysikerna avskaffar objektiv verklighet

Einstein gjorde tid och rum till relativa storheter och nu går fysikerna ett steg längre. Om någonting händer eller inte beror eventuellt på iakttagaren. Endast en medveten kvantdator kan svara på om en objektiv verklighet faktiskt existerar.

Einstein gjorde tid och rum till relativa storheter och nu går fysikerna ett steg längre. Om någonting händer eller inte beror eventuellt på iakttagaren. Endast en medveten kvantdator kan svara på om en objektiv verklighet faktiskt existerar.

Claus Lunau

Om ett träd faller i skogen men ingen människa ser det falla, kan det vara så att trädet eventuellt inte föll.

Det låter absurt, men just den paradoxen har kvantfysikerna tvingats leva med i årtionden. Atomära partiklar förvandlas nämligen från ett oklart antal eventualiteter till en verklig partikel först i samma stund som vi mäter dem. Det motsvarar att trädet både har fallit och inte fallit, om vi inte går ut i skogen och ser efter.

Nu har en banbrytande studie gjort kvantvärlden ännu mer absurd än så.

Studien genomfördes av fysiker vid Griffith University i Australien med hjälp av lasrar och prismor, men den simulerade ett tankeexperiment där fyra fysiker gör kvantmätningar och samtidigt mäter varandra.

I experimentet bör de fyra fysikerna alltid få samma resultat, men det fick de inte. Det motsvarar en situation där två av fysikerna definitivt såg ett träd falla, men trädet kanske ändå inte föll.

Nora Tischler

Fysikern Nora Tischler oroas av sin egen studie, som visar att verkligheten kanske påverkas av iakttagaren. Utan säkra mätresultat kollapsar nämligen hela grundlagen för naturvetenskapen.

© Griffith University

Utsikterna är skrämmande.

Om kvantmekaniken inte är konsekvent måste den nämligen skrotas som teori. Det hade varit väldigt besvärligt, eftersom den teorin förklarar alla kända fysiska och kemiska reaktioner och utgör grunden för all modern teknologi.

Om kvantmekaniken i stället håller är konsekvenserna ännu mer långtgående, för då kan verkligheten se olika ut för två iakttagare, vilket innebär att det kanske inte finns någon objektiv verklighet.

Även när en partikel blir verklig för en forskare, kan verkligheten vara annorlunda för en annan forskare som mäter den första partikeln.

Därmed har fysikerna monterat ner ytterligare en viktig del av verkligheten så som vi intuitivt uppfattar den, en process som började med Einstein för drygt hundra år sedan.

Relativiteten smyger sig in

Isaac Newton lade grunden till den moderna naturvetenskapen på 1600-talet, och tills i början av 1900-talet var fysikens världsbild deterministisk.

Fysikerna ansåg att tiden alltid gick från dåtid till framtid och att alla processer uppstod till följd av en lokal orsakskedja, ungefär som fallande dominobrickor. Dåtidens fysiker var kort sagt övertygade om att verkligheten var absolut och fungerade precis så som vi ser, väger och mäter den.

I och med Einsteins relativitetsteori raserades den världsbilden.

Einsteins teori visar nämligen att tid och rum inte är några absoluta storheter. Om en stjärna exploderar någonstans i Vintergatan och astronomer på jorden och på en avlägsen planet mäter när och var explosionen inträffade, kommer de därför fram till helt olika slutsatser.

En sak är dock glasklar: stjärnan exploderade – ja, tills nu, det vill säga. För i och med den nya australiska studien har fysikerna även satt frågetecken vid detta.

Katten är både död och levande

Atomer och atomära byggstenar är inte alls lika handgripliga som de föremål som är uppbyggda av dem.

I vår makroskopiska verklighet är en biljardboll definitivt rund, hård och tung, och ljus sprids utan tvivel som vågor. I kvantvärlden är dock atomer och deras beståndsdelar både partiklar och vågor på en och och samma gång.

Det visar ett berömt experiment som utfördes för första gången år 1927. I det skjuts en elektron mot en skiva med två smala öppningar. Om man placerar en detektor precis bakom öppningarna passerar elektronen genom en av dem som en punktformad partikel. När detektorn flyttas längre bort från skivan bildas emellertid ett ljusmönster, vilket visar att elektronen även passerade genom båda öppningarna i form av en våg.

En elektron som passerar genom två smala öppningar är både en partikel och en våg. Resultatet påverkas av hur vi mäter.

Kvantmystiken är emellertid flera lager djupare än så. När man gör en stöt och biljardbollen rullar iväg på bordet kan man med absolut säkerhet i varje ögonblick mäta både bollens position och hastighet.

Så är det inte i atomernas värld. Där kan man exakt fastslå en elektrons position i rummet, men då är det omöjligt att samtidigt bestämma elektronens hastighet, och omvänt. Den av de två egenskaperna som vi inte kan mäta exakt kan bara göras sannolik med hjälp av beräkningar.

Det stora mysteriet är dock att det är mätningen i sig som gör partikeln verklig. Före mätningen är elektronen ett diffust moln av alla sina möjliga kvanttillstånd. En elektron roterar till exempel både medurs och moturs på en och samma gång. Den befinner sig i det som fysikerna kallar en superposition. I samma stund som en forskare mäter elektronen väljer den emellertid ett konkret tillstånd, till exempel rotation moturs – och blir därmed verklig.

Enligt kvantmekaniken befinner sig ostörda partiklar i alla tillstånd samtidigt. Det är först när vi mäter dem som de blir verkliga. Inte ens en mätning kan dock visa både en partikels position och dess hastighet.

Kvantfysik 3D-illustration
© Shutterstock

1. Elektronen är ett överflöd av möjligheter

Ostörda atomer och elementarpartiklar, till exempel elektroner, är inte konkreta på samma sätt som biljardbollar. Elektronen befinner sig i en så kallad superposition av alla tänkbara kvanttillstånd och roterar exempelvis medurs och moturs samtidigt.

Kvantfysik 3D-illustration
© Shutterstock

2. Medveten mätning gör elektronen verklig

Elektronen blir konkret verklighet först när en forskare utför en mätning på den. I samma stund upphör elektronens superposition, varefter partikeln roterar åt ett visst håll, medan det andra möjliga tillståndet försvinner.

© Shutterstock

3. Mätningen säger inte allt

Vi kan alltid mäta en bolls position och hastighet med absolut precision. Det gäller emellertid inte för en elektron. Om vi bestämmer elektronens position (till vänster) kan vi inte samtidigt mäta hastigheten (till höger), som då bara kan beräknas.

Mätningsproblemet irriterade den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger så mycket att han år 1935 ställde upp ett berömt tankeexperiment som visar hur absurd kvantmekaniken är. I tankeexperimentet stängs en katt in i en låda med en mekanism som består av en radioaktiv atom, en hammare och en flaska vätecyanid. När atomen sönderfaller krossar hammaren flaskan, varefter vätecyaniden läcker ut och dödar katten.

Radioaktivitet är emellertid en obestämd kvantprocess, vilket gör att det inte går att förutsäga exakt när sönderfallet kommer att ske, så efter en tid går det följaktligen inte att veta om djuret lever eller inte. Katten befinner sig därmed i en superposition där den är både död och levande, vilket i vår erfarenhetsbaserade verklighet är omöjligt.

Schrödingers låda

Innan vi mäter partiklar befinner de sig i alla kvanttillstånd på en och samma gång. Det motsvarar att katten i Schrödingers låda är både död och levande innan vi öppnar den och ser efter.

© Shutterstock

Det enda sättet att säkert veta är att göra en mätning genom att öppna lådan och se efter om den innehåller en död eller en levande katt.

Fysiker stänger in sin vän

År 1967 föreslog den ungerske fysikern Eugene Wigner ett nytt tankeexperiment, som ställer paradoxerna med mätningar och superpositioner ytterligare på sin spets genom att inkludera medvetandets betydelse.

Wigners mål var att testa en tes om att endast en medveten mätning av exempelvis en elektron gör elektronen verklig, det vill säga får den att välja ett visst tillstånd, till exempel moturs rotation. Då skulle det vara vårt medvetande som skapar verkligheten.

I sitt tankeexperiment ersatte han Schrödingers katt med en människa som gör en mätning på en elektron i ett förseglat laboratorium. Wigners vän bestämmer själv när han vill mäta elektronen. Under tiden modellerar Wigner vännens försök utifrån med hjälp av kvantmekaniska beräkningar.

Frågan är när verkligheten blir verklig – när vännen mäter elektronen, eller först när Wigner får kännedom om mätresultatet?

Matematiken förutsäger att så länge Wigner inte vet om att mätningen har utförts och inte känner till mätresultatet befinner sig både elektronen, vännen, mätinstrumentet och laboratoriet i superposition. Då ersätts superpositionen av konkret verklighet först när vännen meddelar Wigner resultatet.

Eugene Wigner själv var dock övertygad om att superpositionen ögonblickligen ersätts av handgriplig verklighet redan vid den första mätningen, så snart hans vän blir medveten om mätresultatet. Han ansåg att det är nonsens att tro att medvetna människor kan befinna sig i superposition.

Eugene Wigner

Den ungerske fysikern Eugene Wigner ansåg att det är vårt medvetande som skapar verkligheten när vi mäter en partikel.

© Ritzau Scanpix

Den mest sannolika kvantmekaniska förklaringen på det är enkel. När ett objekt blir stort nog och består av tillräckligt många atomer kollapsar atomernas superpositioner av sig själva. Därför kan varken fysiker eller katter befinna sig i två motstridiga tillstånd samtidigt.

Det låter både förnuftigt och lugnande. Men tänk om den ungerske Nobelpristagaren misstog sig?

Kvantmekanik styr människor

Frågan pockar på en lösning av två skäl. För det första förutsäger fysikernas moderna teorier om allting att kvantmekaniken inte bara gäller i atomernas värld, utan utgör den underliggande mekanismen bakom gravitationen, tiden och rummet – och om kvantmekaniken styr hela universum, så utgör medvetna människor knappast ett undantag.

För det andra har fysikerna börjat flytta gränsen för hur stora system de kan få att befinna sig i superposition i sina experiment.

Om kvantmekanikens lagar styr allt i universum, så styr de troligen även människors medvetande.

År 2021 satte kvantfysikern Shlomi Kotler, som arbetar för den amerikanska organisationen National Institute of Standards and Technology, nytt rekord med två membran av aluminium, som med hjälp av mikrovågor sattes i svängning på ett sätt som gjorde att de svängde både uppåt och nedåt på samma gång.

Membranen, som är 0,01 millimeter långa och hälften så breda, består av en biljon atomer. Jämfört med en elektron, som det finns 13 stycken av i varje aluminiumatom, är de med andra ord gigantiska system.

Mikroskopiska trögkrypare är bara 20 gånger längre än så. Det har fått flera forskargrupper att seriöst undersöka om de kan få två tillräckligt stora membran att befinna sig i superposition och därefter placera trögkrypare på dem.

Trögkrypare

Forskare har fått små membran att svänga upp och ner samtidigt. Nu vill de placera 0,2 millimeter stora trögkrypare på membranen, detta för att få även djuren att befinna sig i superposition, precis som partiklar.

© Shutterstock

I så fall kommer trögkryparna att röra sig både uppåt och nedåt samtidigt tillsammans med membranen och därmed befinna sig på två ställen på en och samma gång. Och om man kan få trögkrypare att befinna sig i superposition, varför då inte människor?

Sammanflätning öppnar dörren

För sex år sedan föreslog kvantfysikern Caslav Brukner vid Universität Wien en ny version av Wigners tankeexperiment. Försöket är utformat för att testa Wigners teori om att en partikel i kvantvärlden blir verklig i samma stund som Wigners vän i det förseglade laboratoriet mäter dess tillstånd.

Det nya är att kvantvärldens märkligaste fenomen, så kallad sammanflätning, förs in i försöket. Med två sammanflätade ljuspartiklar som nyckel kan fysikerna ”öppna dörren” och blottlägga det förseglade laboratoriets dolda verklighet.

Sammanflätning uppstår när två ljuspartiklar (fotoner) produceras som ett par. Då flätas partiklarnas kvantegenskaper samman, så att de blir ett gemensamt system. Det har bevisats experimentellt att sammanflätningen kvarstår, trots att de två partiklarna skickas så långt bort från varandra att de omöjligt kan kommunicera inbördes.

Längs vägen befinner sig fotonerna i superposition och svänger alltså med både lodräta och vågräta vågor samtidigt, men i samma stund som en detektor mäter att den ena ljuspartikeln svänger till exempel lodrätt, väljer den andra att svänga vågrätt.

Två forskarpar samarbetar

I Caslav Brukners version av Wigners tankeexperiment spelar två fysiker, Alice och Bob, rollen som Wigner, medan två andra, Charlie och Dorthe, spelar rollen som Wigners vän. Charlie och Dorthe befinner sig i var sitt förseglat laboratorium, medan Alice och Bob befinner sig utanför.

Ett par sammanflätade ljuspartiklar skiljs åt utan att någon mäter dem. Den ena ljuspartikeln skickas till Charlie, den andra till Dorthe. När de tar emot partiklarna befinner de sig i superposition och svänger alltså exempelvis både lodrätt och vågrätt.

Sedan mäter Charlie sin foton, som kanske väljer att svänga i det lodräta planet. Sammanflätningen gör att Dorthes simultana mätning visar att hennes foton svänger vågrätt.

Efter mätningen skickar Charlie vidare sin foton till Alice, och Dorthe skickar sin foton vidare till Bob. Alice och Bob singlar nu slant om huruvida de ska mäta sina respektive ljuspartiklar med det samma eller om de ska vänta en stund.

Om det blir krona mäter de direkt, vilket motsvarar att öppna dörrarna till sina vänners respektive laboratorier och fråga om deras resultat. Experiment har nämligen visat att en ny mätning en kort tid efter den första alltid ger samma resultat.

Sett ur Alices och Bobs synvinkel befinner sig deras kollegor Charlie och Dorthe i superposition, liksom partiklarna de mäter.

Om slantsinglingen i stället resulterar i klave mäter de senare. Då döljs vännernas mätresultat för dem, och innan de gör sin egen mätning befinner sig både ljuspartiklarna och Charlie och Dorthe i superposition sett ur Alices och Bobs perspektiv. Efter att ha upprepat försöket tusentals gånger använder Alice och Bob statistiska beräkningar för att avgöra Charlies och Dorthes mätresultat.

I Eugene Wigners experiment med honom själv som observatör av vännen i det förseglade laboratoriet beskrevs vännens mätresultat matematiskt som en dold variabel, men i Caslav Brukners version förankras kvantberäkningarna i verkligheten av partiklarnas sammanflätning och då kan en massa annars eventuella kvanttillstånd uteslutas.

Alice och Bob vet nämligen att deras vänner antingen har mätt 1–0 (lodrätt–vågrätt) eller 0–1, men aldrig 1–1 eller 0–0, eftersom en sammanflätad partikel alltid väljer det motsatta tillståndet när man mäter dess motsvarighet.

Två forskargrupper mäter samma partiklar. Partiklarna befinner sig i superposition, men det är ovisst om de blir verkliga vid den första eller den andra mätningen. Konsekvensen blir att försöksresultat aldrig är de samma för alla iakttagare.

3D-illustration
© Shutterstock

1. Två forskare övervakar två andra

Två fotoner skickas till forskarna Charlie och Dorthe, som befinner sig i förseglade laboratorier som övervakas av Alice och Bob. Fotonerna befinner sig i superposition, vilket innebär att de svänger både vågrätt och lodrätt. De är dessutom sammanflätade, vilket gör att en mätning av den ena omedelbart påverkar den andra.

3D-illustration
© Shutterstock

2. Charlie och Dorthe mäter partiklar

När Charlie mäter sin foton upphör superpositionen med det samma, sett ur hans perspektiv. Han mäter att fotonen svänger i vågrätt plan och eftersom Charlies foton är sammanflätad med Dorthes mäter hon att hennes foton svänger i lodrätt plan.

3D-illustration
© Shutterstock

3. De två forskarna befinner sig i superposition

De skickar vidare fotonerna till Alice och Bob. Sett ur deras perspektiv befinner sig både fotonerna och Charlie och Dorthe i superposition tills de själva mäter. Frågan är dock när superpositionen faktiskt upphör och partiklarna blir verkliga.

3D-illustration
© Shutterstock

4. Alice och Bob singlar slant

För att avgöra det singlar Alice och Bob slant. Vid krona mäter de direkt, vilket motsvarar att öppna dörren och fråga, varefter superpositionen genast upphör. Vid klave mäter de senare, så att superpositionen upphör först då. Försöket upprepas vid flera tillfällen.

3D-illustration
© Shutterstock

5. Forskarna är oense om resultatet

Sedan beräknar Alice och Bob kollegornas resultat med statistiska hjälpmedel. Om superpositionen upphör när Charlie och Dorthe mäter kommer Alice och Bob alltid att få rätt, men så är det inte. Det tyder på att händelser inte alltid är de samma för alla.

Alice och Bob bör därför enligt kvantmekanikens lagar kunna beräkna Charlies och Dorthes mätningar korrekt varje gång, förutsatt att partikeln blir verklig redan vid den första mätningen, som Wigner ansåg.

Prismor spelar Charlie och Dorthe

Detta tankeexperiment har på senare tid fått stor internationell uppmärksamhet, eftersom kvantfysikern Nora Tischler och hennes kollegor vid Griffith University i Australien har utfört ett optisk försök som är en modell av experimentet.

Trots att de optiska instrumenten inte är medvetna som vi människor, visar modellen att det i princip är möjligt att utföra tankeexperimentet i praktiken.

I försöket är fysikerna Alice och Bob mätinstrument, medan Charlie och Dorthe, deras kollegor i de förseglade laboratorierna, är prismor framför instrumenten. När en ljuspartikel som befinner sig i superposition träffar prismat fortsätter den genom en kanal när den väljer att svänga vågrätt och genom en annan ifall den svänger lodrätt. Det efterliknar Charlies och Dorthes mätningar, som tvingar fotonen att välja tillstånd och bli verklig.

Mätinstrumenten Alice och Bob styrs av en algoritm som slumpmässigt avgör om de mäter direkt eller om de väntar en stund.

En omedelbar mätning fastslår om vännens foton passerade genom den vågräta eller den lodräta kanalen. Den senare mätningen utförs först efter det att fotonen passerat ytterligare ett prisma, där den vågräta och den lodräta kanalen återförenas. Sedan döljs Charlies och Dorthes mätresultat för Alice och Bob när de själva mäter. Därför måste de, det vill säga en dator, avläsa kollegornas resultat.

Försöksuppställning

Ett optiskt försök har testat ett tankeexperiment där två par forskare mäter samma partiklar. Resultaten väcker tvivel om huruvida det finns någon objektiv verklighet.

© Griffith University

Eftersom kvantmekaniska mätningar grundas på statistik utfördes förloppet 90 000 gånger. I de allra flesta fall avläste Alice och Bob resultaten av Charlies och Dorthes mätningar korrekt, vilket är förväntat när superpositionen kollapsar och verkligheten materialiseras i samband med den första mätningen.

Men i vissa fall var det fel i facit, vilket sätter vår vanliga uppfattning av verkligheten ur spel.

Verkligheten vacklar

Dessa resultat kan tolkas på två sätt. Den ena möjliga slutsatsen är att kvantmekaniken är inkonsekvent, eftersom den inte kan beskriva sig själv. Då måste den skrotas som universell teori, dess obestridliga framgångar till trots.

Om kvantmekaniken håller är det i stället den objektiva verkligheten vi kanske måste ta farväl av, för då kan verkligheten vara olika för olika iakttagare. Nora Tischler upplever själv denna möjlighet som bekymmersam, eftersom naturvetenskapen ju grundas på mätresultat. Om mätresultat inte är definitiva skakar själva vetenskapens fundament.

Tischlers försök säger ingenting om medvetandets betydelse för verkligheten, eftersom de optiska komponenter som användes inte har något medvetande. Men medvetandets roll kommer kanske att kunna testas experimentellt om forskarna utvecklar tillräckligt små kvantdatorer med artificiell intelligens och en typ av medvetande.

De behöver vara så små att de kan befinna sig i superposition och ersätta de två prismorna i rollerna som Charlie och Dorthe i det optiska experimentet. Då kan fysikerna testa om man verkligen kan få medvetna kvantdatorer att befinna sig i superposition.

Om det misslyckas antyder det att medvetna aktörer som vi människor bara existerar i ett tillstånd och aldrig kan befinna oss i flera motstridiga kvanttillstånd samtidigt, vilket atomerna som vi består av kan. I så fall är människor verkliga.

Men om man faktiskt lyckas få kvantdatorer att befinna sig i superposition är medvetna varelser som människor kanske inte verkliga på det sätt som vi normalt förstår det, utan precis lika diffusa storheter som elementarpartiklarna vi består av.