af Niels Gregersen, cand.scient., Ph.D.

Jeg hører undertiden følgende kritik af den naturvidenskabelige metode: “Einstein påpegede selvmodsigende elementer i kvantemekanikken (og dermed i al moderne fysik) Så må der jo være luskeri i foretagendet… Ha!”

Well, det er faktisk rigtigt hvad de siger, det er det såkaldte såkaldte EPR paradoks, og det er emnet for denne artikel.

EPR paradokset

Einstein, Podolsky og Rosen udgav i sin tid en artikel hvor de påpegede at kvantemekanikken i den såkaldte “københavnerfortolkning” enten 1) bryder med lokalitetsprincippet eller 2) er ukomplet. Det problematiske fænomen kommer fra “entanglement”. Når to partikler er entanglede betyder det at en måling på en af partiklerne påvirker den anden partikels tilstand – instantant. Så man kan forestille sig to partikler, en her på jorden og en i den anden ende af universet, og at disse to partikler er entanglede. Man laver en måling af partiklen her på jorden og påvirker – instantant – den anden partikels tilstand, der jo altså befinder sig i den anden ende af universet. Einsteins relativitetsteori fortæller at ingen information kan bevæge sig med en hastighed over lysets, så umiddelbart ser det ud til at lokalitetsprincippet, forstået som at Einsteins relativitetsteori skal overholdes, bliver brudt ved målinger på entanglede partikler.

Einstein og andre foreslog diverse udvidelser af kvantemekanikken, den mest berømte er teorien om “hemmelige variable”, et sæt variable der ligger under kvantemekanikken og deterministisk bestemmer udfaldet af målinger der ellers virker tilfældige. Man har dog udført en masse eksperimenter gennem årene, og disse indikerer alle sammen at kvantemekanikkens forudsigelser holder stik og at de foreslåede udvidelser er forkerte.

Så det ser ud til at kvantemekanikken holder samtidig med at ikke-lokalitet gælder. Og ikke-lokalitet er jo umiddelbart svær at forstå i forhold til relativitetsteorien. Så er den moderne fysik inkonsistent? Bruger fysikerne i grunden bare den tilfældige model der nu passer bedst til resultaterne, i strid med god videnskabelig praksis? Har postmodernisterne – der mener, at al viden er konstrueret – alligevel ret?

Situationen i 1935 var den at den store Einstein havde udgivet en artikel der tilsyneladende afslørede en modstrid mellem kvantemekanikken og relativitetsteorien pga. ikke-lokalitet vedr. entanglede partikler og Einstein foreslog en “hemmelig variabel” teori til at erstatte kvantemekanikken. Samtidig havde kvantemekanikken med succes forudset udfaldet af alle de eksperimenter man kunne finde på, og relativitetsteorien validitet var også veletableret. Så fysikerne gik rundt i 30 år og kløede sig selv lidt i håret og vidste ikke rigtigt hvad de skulle stille op med EPR paradokset.

Det første fremskridt skete så, da Bell i 60’erne skrev en artikel som svar på den oprindelige fra 1935. I den artikel demonstrerede han to ting, 1) ingen “hemmelig variabel” teori kan forudsige de samme resultater som kvantemekanikken (Bell’s theorem) og 2) det kan lade sig gøre at designe et eksperiment der tester hvorvidt kvantemekanikken eller en hemmelig variabel teori gælder. Eksperimentet består i at måle korrelationer og hvis en “hemmelig variabel” teori gælder skal korrelationerne være under en bestemt værdi. (Bell’s ulighed). Kvantemekanikken tillader dog en større korrelation og dermed et brud af Bell’s ulighed.

Artiklen var et gennembrud fordi nu kunne man pludselig rent faktisk undersøge eksperimentelt hvad der var rigtigt, kvantemekanikken eller en “hemmelig variabel” teori. Dengang havde man dog ikke de eksperimentelle faciliteter tilgængeligt, så det var først i 80’erne at de første serier af eksperimenter blev lavet af Aspect. Samtlige hans eksperimenter indikerede entydigt at Bell’s ulighed blev brudt og at kvantemekanikken altså måtte gælde istedet for en “hemmelig variabel” teori.

Einstein var modstander af kvantemekanikken hele hans liv pga. de stokastiske (*) elementer i den. Han foretrak en deterministisk teori, f.eks en “hemmelig variabel” teori, deraf hans berømte citat “Gud kaster ikke terning”, som han sagde til Bohr. Men stor fysiker som Einstein var, så har han så vidt jeg kan se ganske enkelt fucked op med EPR paradokset. Der var ingen kvantitative problemer med hverken kvantemekanikken eller relativitetsteorien, og Einsteins insisteren på lokalitet kom så vidt jeg kan se fra et naivt ønske om at etablere en klassisk forståelse af noget der ikke skal forstås intuitivt men istedet analyseres matematisk.

Så ja, kvantemekanikken holder samtidig med at ikke-lokalitet gælder. Men er det ikke en modstrid? Faktisk ikke, fordi indenfor de sidste par år er det blevet demonstreret at ikke-lokalitet gennem entanglement ikke kan bruges til at sende information med. Fysikerne har siddet ned med de tunge ligninger og har vist at selvom partiklens tilstand på den anden side af universet bliver påvirket, så kan denne påvirkning ikke bruges til at lave en telefon til den anden side af universet, hvilket etablerer overensstemmelse med Einsteins relativitetsteori.

Jeg tror den væsentligste årsag til at EPR paradokset opstod er at kvantemekanikken er dybt “counter-intuitive”. Når man sætter sig ind i den skal man virkelig opgive hele sin intuitive tankegang omkring hvordan verden fungerer og tage nogle meget komplicerede matematiske udtryk til sig istedet. Det er selvsagt vanskeligt for de fleste, og jeg vil vove påstanden at mindst halvdelen af de fysikere der bliver uddannet på Københavns Universitet stadigvæk ikke forstår kvantemekanikkens grundelementer fuldt ud. Kvantemekanik og relativitetsteori er logisk forenelige… men udfra al almindelig intuition virker det bare ikke sådan.

(*) Vedr. ordet “stokastisk”, så er et stokastisk udfald ganske rigtigt simpelthen et tilfældigt udfald man ikke kan forudsige på nogen måde. Det almindelige eksempel er at kaste en terning, vi kan sædvanligvis ikke vide om resultatet bliver 1, 2, 3, 4, 5 eller 6. Modsætningen til det stokatiske udfald er det deterministiske udfald. Hvis man sparker til en fodbold kan man (med kendskab til fysikkens love) regne ud hvordan den vil flyve og hvordan den vil lande på jorden igen, og det er således en deterministisk proces.