Søren Fournais är en av Europas bästa matematiker. Nu ska han lösa gåtan med ett mystiskt kvantfenomen: ”Kaffemaskinen blir ett centralt verktyg.”
De kommande fem åren ska professorn och toppmatematikern Søren Fournais brottas med ett gåtfullt kvanttillstånd som förutsades redan på 1920-talet av Einstein och Bose och som fortfarande vållar forskare världen över huvudbry.
Søren Fournais intresse för kvantmekaniska ekvationer började redan i gymnasiet, då han upptäckte att kvantmekaniken är en källa till det som han kallar fantastiska problem: ”Det finns så många saker att jobba med. Det ligger i spänningsfältet mellan matematik, som är spännande att nörda ner sig i och lagom abstrakt, och fysik, som ligger relativt nära verkligheten”, säger han.
”Tänk dig en sådan där spektakulär OS-invigning där en enorm massa människor plötsligt blir en enhet och utför samma rörelser, helt synkroniserat som en flock starar. I mycket speciella och märkvärdiga fall sker det även i atomernas värld.”
”Då rör det sig om en miljon atomer, som allihop ingår i samma kvanttillstånd och därmed agerar synkront”, säger matematikprofessor Søren Fournais vid Köpenhamns universitet.
Den danske toppmatematikern och forskaren försöker ge en konkret, verklighetsnära bild av ett oerhört komplicerat och gåtfullt kvantfenomen, som kan uppstå när man kyler vissa atomer till temperaturer nära absoluta nollpunkten.
Då övergår atomerna till en sorts kollektiv kvantvåg, eller ett atommoln, som fungerar som en enda sammanhängande organism där materien varken är fast, flytande, gas eller plasma, utan i det närmaste ett helt eget aggregationstillstånd.
Detta fenomen har fått namnet Bose–Einstein-kondensat. År 1924 skickade nämligen den indiske fysikern och matematikern Satyendra Bose ett lovande manus till tysken Albert Einstein, som vidareutvecklade den okände fysikerns metod och förutsade fenomenet år 1925.
Först 70 år senare lyckades man åstadkomma tillståndet i ett laboratorium och nu har dansken Søren Fournais fått motsvarande 22 miljoner kronor från Europeiska forskningsrådet, via det prestigefyllda stipendiet ERC Advanced, för att han ska kunna fortsätta brottas med den komplexa matematik som ligger bakom tillståndet.
”Det är en riktigt fin klapp på axeln. Det är härligt att få ett bevis på att man har nått upp till en viss nivå”, säger professorn, som hoppas att de närmaste årens arbete ska kunna lösa en del av gåtan bakom det mystiska fenomenet.
”Varje gång vi förstår matematiken och ekvationerna bättre ger det oss insikter i vad det faktiskt är som händer”, förklarar professorn för Illustrerad Vetenskap.
”Det är det jag ska försöka göra: få fram bättre matematiska metoder för att analysera kvantmekaniska ekvationer”, säger han.
”Måste vara bättre än alla andra”
Helt konkret kommer Søren Fournais att tillbringa en stor del av sin tid de närmaste fem åren framför en tavla tillsammans med en grupp unga, begåvade forskare som han själv ska sätta samman.
Till skillnad från vad många kanske tror sker nämligen de komplexa matematiska uträkningarna långt från elektronik och tunga, avancerade datorprogram.
”En perfekt dag är en då man har gott om tid och kan arbeta lite i skift i gruppen och diskutera – helst framför en tavla eller liknande – för att se om vi kan göra några små genombrott och komma lite längre”, förklarar professorn.
Slöa atomer övergår till ett iskallt moln
1. Laserstrålar fryser rörelser
Ett magnetfält håller en gas av atomer svävande i en vakuumkammare. Laserstrålar bromsar atomerna och kyler dem till 100 miljondelar av en grad över nollpunkten. Den kalla gasen förs över till ett så kallat atomchips överst i kammaren.
2. Radiovågor avlägsnar varma atomer
Radiovågor knuffar ut de varmaste atomerna ur gasen, ungefär som när man blåser på varmt te. Det sänker temperaturen till några miljarddelar av en grad över nollpunkten. Då omvandlas gasen till ett atommoln, ett så kallat Bose-Einstein-kondensat.
3. Tyngdlös expansion kyler molnet
Chipsets magnetiska grepp försvagas och atommolnet expanderar i tyngdlösheten. Då kyls den ytterligare, ungefär som gas som sprutas ut ur en sprejburk. Expansionen ska sätta köldrekord med 20 biljondelar av en grad över nollpunkten.
Enligt forskaren blir den stora utmaningen att ta ett extremt komplicerat system och få ut information till något relativt enkelt, som vi kan förstå.
”Vi har den här miljonen partiklar, som alla växelverkar med varandra. Det är enormt komplicerat och världen känns helt oförklarlig. Varför är svaret inte enormt komplicerat?” frågar matematikern retoriskt. Han fortsätter: ”Hur kommer det sig att man när man ställs inför ett mycket, mycket komplicerat system under rätt förhållanden i själva verket beskriva det mycket enklare än om vi skulle hålla koll på alla partiklarna?”
Søren Fournais hoppas att svaret kommer att uppenbara sig efter år av hjärnstormande, beräkningar och kreativa idéer, som ska försöka angripa problemet från olika håll.
En tavla, en krita och kaffe blir några av de viktigaste verktygen när Søren Fournais och en grupp matematiker ska brottas med ekvationerna bakom Bose–Einstein-kondensatet. Till skillnad från vad många kanske tror har de ingen större nytta av datorer. ”Datorer kan ge dig ett tal. De kan inte ge dig förståelse”, säger han. ”Och vad skulle vi be datorn räkna ut?”
”Vi pysslar med saker som folk inte har klarat av tidigare, så man behöver vara bättre än alla de som har gått före”, säger han.
I det här sammanhanget kommer ett praktiskt och mycket handgripligt instrument att spela en större roll än de flesta nog tror.
”Den goda idén kommer ju inte av sig själv. Den kräver hårt arbete. Om vi står där och inte kommer någonvart, så går vi till kaffemaskinen och tar en kopp. Sedan gör vi ett nytt försök”, säger den danske matematikern.
”Kaffemaskinen kan visa sig vara ett centralt verktyg på en matematisk institution.” Professor Søren Fournais, matematiska institutionen vid Köpenhamns universitet
En fasövergång är den stora drömmen
Liksom den fasövergång som sker när vatten fryser till is är Bose–Einstein-kondensering, då atomerna övergår till ett kvanttillstånd, en fasövergång. En sådan fysisk övergång drömmer Søren Fournais om att hitta det matematiska svaret på.
”Min stora dröm är att matematiskt bevisa den fasövergång som Bose–Einstein-kondensering utgör. Att påvisa en fasövergång är emellertid notoriskt svårt, eftersom man går från partiklarna som slumpmässigt förflyttar sig runt tills att de fastnar”, säger han.
”Jag tror att det är orealistiskt att lösa den uppgiften på fem år, men jag hoppas att vi under projektets gång kan komma närmare än vi befinner oss i dag. Sedan har vi en massa delmål som vi hoppas nå längs vägen”, säger Søren Fournais.
Om forskaren hittar lösningen befinner vi oss enligt honom ett litet steg närmare att förstå världen lite bättre. Först då förstår vi också till fullo vad upptäckten kan användas till.
”Om vi får bättre redskap för att förstå de stora kvantsystemen är jag övertygad om att det kommer att vara till nytta”, säger han. ”Men det är först när vi har förstått systemet som vi vet vad det kan användas till. Så är det med grundforskning.”