26 november 2017

Godmorgon världen om klimatet

Idag (26/11 2017) hade P1:s Godmorgon världen ett inslag om klimatfrågan. Här refereras till ett av New York Magazines mest lästa reportage: David Wallis Wells "den  obeboeliga jorden". Jag länkar till Expressen svenska översättning. Men i den versionen finns en länk till en kommenterad version av originalartikeln.

Artikeln är en nyttig om än journalistiskt slängig (för kritik kan man läsa här) genomgång av "worst case scenarios" men avslutas i god ton med att konstatera att "klimatforskare har en märklig slags tro: de säger att vi kommer att hitta sätt att föregripa radikal uppvärmning, eftersom vi måste det."

Det går säkert att hitta vetenskapliga belägg för att det är den mest rationella hållningen. Finns det ingen anledning att hoppas så får vi hoppas utan anledning.

Ett hoppfullt tecken skulle vara att den 1 januari 2018 träder den nya klimatlagen i kraft i Sverige. Klimatlagen ska fungera som ett regelverk för att besluta om ett "budgettak" för klimatutsläpp med slutmålet att Sverige inte ska ha nettoutsläpp av växthusgaser senast år 2045. Den första handlingsplanen enligt lagen ska presenteras 2019. Själva målen står inte i lagen (Klimatlag 2017:720) utan beslutades separat av Riksdagen den 15 juni 2017. Det hela beskrivs av Naturvårdsverket här. Och på internationella mötet i Bonn kunde Sverige berätta om detta.

Målen inkluderar tyvärr inte import och utrikes resor, men inget hindrar att kompletterande miljömål beslutas senare. Vilket framförts av miljörörelsen, till exempel i SvD. Ett klimatråd ska utses som kommer att lägga en första rapport i februari 2018. Ola Alterå är utsedd till kanslichef för rådet.

Om "den obeboeliga jorden" handlar om olika worst case kan man fråga sig hur "best case scenarios" för klimatet ser ut. Ett "best case" kan antingen vara att temperaturökningen inte blir så hög eller att det visar sig att höga temperaturer inte orsakar så stor skada,

Klimatpanelen IPCC har sina möten, och de sammankallade sina bästa krafter i Malmö i år för att hantera målet 1,5 graders uppvärmning, under förkortningen IPCC SR 15. Rapporten kommer 2018. Bara det faktum att man genomförde detta visar att det finns dom som ser det som meningsfullt att räkna på en så låg temperaturhöjning. Med dagens utveckling når vi sannolikt 1,5 grader år 2030.

En alternativ "best case"-metodik är att räkna nationalekonomiskt på effekter av klimat-förändringarna. Så gör Björn Lomborg. Han inser att vi får temperaturhöjningar av koldioxidutsläpp. Men för att minska effekterna av dem gäller det att maximera BNP-utvecklingen så att skadeverkan blir en liten andel av totala BNP. Det kan man till exempel göra genom att satsa på fracking och producera naturgas som visserligen ger växthuseffekt men ännu mera ekonomi-effekt. Björn Lomborg finner då att skadeverkan hamnar under 1 procent av totala BNP. Detta har vad jag förstår på något vis också att göra med diskontering av framtida kostnaders värde. Maximal ekonomisk utveckling på kort sikt är nästan alltid ett nationalekonomiskt "best case".

Ett tredje alternativ för "best case" är det som inom teatern kallas "deus ex machina". Här ser jag principiellt två möjligheter: att det händer något som minskar solinstrålningen eller att det finns någon okänd mekanism som förbrukar växthusgaser i allt högre takt när de överstiger en viss gräns.

Vulkanutbrott skulle kunna vara en sådan lösning. Precis lagom mycket vulkanutbrott kan ge en viss avkylning. Det är väl inte helt osannolikt att isavsmältning kan orsaka en viss ökad geologisk aktivitet. Men att det skulle leda till någon stabil effekt är tämligen osannolikt.

Mekanismer för global homeostas skulle däremot kunna reglera växthuseffekten på en viss nivå. Detta är motsatsen till olika tröskeleffekter som diskuteras i worst case-sammanhang. Tyvärr har jag inte sett någon publikation som visat på en tillräckligt kraftfull sådan reglerande mekanism men det hindrar inte att det kan dyka upp en sådan. I bästa fall.

Tillägg 2017-12-10. Här är hela klimatrådet. Eller här hos Formas.





25 november 2017

Syntetiskt liv och respekt för liv

J Craig Venters bok "Liv i ljusets hastighet" (2013) innehåller en detaljerad och imponerande beskrivning av modern forskning kring hur liv kan konstrueras. Viktigast känns den forskning som syftar till att förebygga epidemier och hantera antibiotikaresistens. Intressant är att Craig Venter (f. 1946) även tar upp betydelsen av forskning kring bakteriofager. Det ämnesområdet har haft låg status men kan komma att få betydelse ifall man inte löser frågorna om antibiotikaresistens.

Jag har svårt att inte sugas in i Craig Venters fantastiska värld. Med shotgun sequencing passerade hans forskningsgrupp det stora Human Genome Project år 2000. Diverse strul uppstår men han bara fortsätter och år 2008 publicerade de hela det syntetiserade genomet av Mycoplasma genitalium. Det är inte lättläst, men mina elementära kunskaper i biokemi gör att det nästan blir hanterligt att läsa om DNA-sekvensering, gelelektrofores och PURE-systemet (cellfri proteinsyntes).

Craig Venter har många utblickar. På sidan 150 refererar han till "the Human Brain Project". Och i  sista kapitlet funderar han över hur man ska kunna sekvensera liv på mars, skicka över sekvensen till jorden och sedan bygga upp "marsianska organismer" i ett P4-laboratorium. Efter att ha läst senaste Forskning och Framstegs (nr 10-2017) artikel om svampliknande organismer i berggrunden börjar jag förstå att liv finns i berg och att det kan överföras från en planet till en annan.

Syntetiskt liv innebär risker. Från sidan 162 och framåt diskuterar Craig Venter olika etiska problem. Han har varit rådgivare i etiska kommittéer som upprättats, t.ex. av dåvarande president Barack Obama. "Biohackers" och "bioterror" är risker som ska hanteras. Däremot nämns inga funderingar kring riskerna med att företag som transnationella Novartis kontrollerar tekniken. Inte oväntat tror Craig Venter att överdriven reglering kan vara lika skadlig som överdriven försiktighet. I hans värld kan miljöproblem lösas genom att vi förbättrar människokroppen och gör den tålig för radioaktivitet och klimatförändringar.

Jag kan vara kritisk mot detta, men jag kommer att vilja ha det vaccin som Novartis utvecklar med hjälp av de forskningsframsteg som bland andra J Craig Venter varit med och tagit fram. Och Venter tänker på dessa frågor, mycket populärvetenskap tar inte ens upp risker och etik. Johnjoe McFadden och Jim Al-Khalili väljer i "Kvantbiologi" bara att räkna upp en massa tänkbara positiva effekter av forskningen och i en del fall (som rörande "det gyllene riset" som ännu inte fått livsmedelsgodkännande)  har de inte ens kollat upp fakta.

Den unika slump som livets uppkomst utgör stämmer till respekt eller vördnad för det liv vi ser och lever. Men vad skulle, från en naturvetares perspektiv, en sådan respekt innebära?


12 november 2017

Livets uppkomst, slump och nödvändighet i kvantvärlden

Livets uppkomst. Toppar nog listan av händelser som periodiserar historien. Big history! Samtidigt är det nog den händelse som är öppen för mest spekulation, det finns mycket lite fakta att gå på. Till och med Big bang verkar vi ha mer begripliga teorier om.

Jag läser "Kvantbiologi" av  Johnjoe McFadden och Jim Al-Khalili (från 2014) och "Liv i ljusets hastighet" av Craig Venter, 2013. Och jag läser om lite i klassikerna "Vad är liv" av Schrödinger från 1944 och "Slump och nödvändighet" av Jaques Monod, från 1970.

Det finns inte några spår av de äldsta livsformerna, de försvann i någon tidig fas av evolutionen. Och ännu har inga experiment varit i närheten av att skapa liv från enkla kemikalier. Vi vet helt enkelt inte hur det gick till.

Även de enklaste levande organismer som finns nuförtiden är mycket avancerade. När J. Craig Venter och hans team försöker skapa syntetiskt liv arbetar de med enkla organismer som Mycoplasma genitalium. Men denna bakterie har 482 proteinkodande gener och 42 RNA-gener, det är inget som enkelt kan sättas ihop av sig själv i en ursoppa av kemikalier. 1995 publicerades hela genomet på 580000 baspar. Och då är mykoplasma bland de enklaste bakterierna. De har ingen cellvägg utan omges enbart av ett cellmembran.

En annan modellorganism är Methanococcus jannaschii, en så kallade extremofil inom domänen arkeer. (dvs varken Bacteria eller Eukarya). Arkebakteriernas gener är till mer än hälften helt skilda från andra domäners gener. Just denna variant lever vid hetvattenutflödet i djuphavsbottnar och skapar sin energi genom att omvandla koldioxid till metan. Det kanske liknar mer villkoren i den kemiska ursoppan för 4 miljarder år sedan. Men det är inte någon enkel organism, genomet innehåller över 1800 proteinkodande gener, dvs. 3-4 ggr mer än mykoplasma

Hur ska det allra enklaste livet definieras? Livets uppkomst kan banalt definieras som det som gav upphov till det vi nu känner som liv. Andra mer generella definitioner brukar gå på linjen att liv är komplexa system som klarar att uppnå homeostas och som i någon fas av sin existens kan föröka sig. Homeostas är förmågan att reglera processer för att klara förändring. Att hålla sig vid liv, om man så vill. Och utöver det ingår ett kretslopp i definitionen av liv - förökning, fortplantning eller självreplikation. Det kan ses som en utvidgning av begreppet homeostas till att inkludera att organismen överlever genom att återfödas.

David Christians "Big history" hänvisar till Schrödingers definition från klassikern "Vad är liv" från 1944. Att liv är något som skapar komplexitet istället för sönderfall i oordning och att livet grundläggande byggstenar är någon form av aperiodiska kristaller som samverkar i en allt mer komplex metabolism. Det finns något bra med att ha med att livet ska bestå av "kristaller", dvs av strukturerade kemiska substanser. Schrödinger kallar det inte kristaller, han skriver "aperiodic solid". Det är Jaques Monod som skriver om aperiodiska kristaller, och menar proteinter, RNA och DNA.  "Artificiellt liv" som kan skapas i datorer eller av storskaliga tekniska apparater (robotar som bygger och kopierar sig själva) får då kallas för något annat än liv - det tycker jag känns rimligt och bra.

Den första referensen kring forskning om livets uppkomst är "Miller-Urey"-experimenten som på 50-talet visade att komplexa molekyler kan uppkomma i en ursoppa av kemikalier. De byggde på Alexander Oparins (1894-1980) och John B.S. Haldanes (1892-1964) teorier om en ursprunglig soppa (primordial soup). Redan Darwin skrev kortfattat om detta. och ett fint ord för detta område är "abiogenes". Det betyder ungefär "liv som inte kommer från liv" och begreppet myntades av T.H. Huxley 1870.

Den moderna referensen är främst Jack Soztack, (född 1952). Hans forskning rör protoceller med självkatalyserande RNA, även kallat ribozymer. Även här pratar vi rätt komplicerade strukturer.

Johnjoe McFadden och Jim Al-Khalili redogör på ett roligt vis om hur resultatet av ett "Miller-Urey"-försök egentligen ser ut. Om man tar en blandning av enkla kemiska föreningar och utsätter det för värme och blixtar så får man visserligen en del intressanta molekyler men det samlade intrycket är att man helt enkelt bränner vid hela blandningen och får en svart knäck som får skrapas ur reaktionskolven. Sådant har alla organiska kemister åstadkommit, men det gör inte att de varit nära att skapa liv.

För att liv ska uppkomma krävs något mer strukturerat. Av en slump måste "aperiodiska kristaller" funnits i en miljö där rätt reagens doserades in och slutprodukterna sedan paketerades på något vis för att skyddas mot vidare reaktioner och kopior av de ursprungliga molekylerna skapats och sedan ska denna process upprepas. För att liv ska uppstå måste dessa slumpartade reaktioner leda till den "nödvändighet" som Jaques Monod talar om, det vill säga den relativt stabila reproduktion som evolutionen sedan kan börja verka på.

I boken Kvantbiologi så argumenterar författarna för att kvantfenomen har betydelse för denna process. De refererar till försök av Marlan Scully vid Princeton och teorier av Apoorva D. Patel i Bangalore. Utan att gå in på detaljerna så finner jag det rimligt om nu all kemi i grunden är kvantkemi. Men de försök som gjorts har ännu inte visat på någon mekanism för hur det har skett.

På det filosofiska planet tillför kvantmekaniken en nivå av slump utöver den "klassiska slump" som uppkomsten av en livgivande ursoppa utgör. Och vidare, när livet väl uppkommit, så måste mekanismerna för reproduktion vara så oerhört stabila att de inte trasas sönder av olika kvantfenomen. Om livet uppkommit på grund av att vissa kvantreaktioner tyglats så har det skett på ett vis som med nödvändighet har upprepats sedan arkeikum.

.







28 oktober 2017

Hur går det till när solen lyser?

Fusion, det är när små atomkärnor slås ihop till större, och en liten mängd massa omvandlas till stora mängder energi enligt Einsteins berömda ekvation. I skolboksmodellen så räcker det att solen är väldigt stor så blir det så högt tryck att fusion sker. Det är främst vätekärnor, dvs protoner, som slås ihop till helium (dvs två protoner och två neutroner)  med flera mellansteg och under avgivande av fotoner och neutriner. Trycket måste övervinna den repellerande kraften mellan två positivt laddade protoner. Men i solen krävs inte så högt tryck som i en vätebomb. Det beror på att solen består av ett stort antal protoner, och det ökar sannolikheten för att kvanttunnel-effekter ska ha betydelse.
Återigen har vi ett bildspråk som ställer till problem. En kvant-tunnel är inget magiskt hål i en vägg. Utan ordet avser att fast det finns en potentialbarriär för två positiva protoner att slås ihop så finns en sannolikhet att det sker utan att partiklarna har den energi som krävs enligt klassisk fysik för att detta ska ske. Det är ingen stor sannolikhet, bara 1 på 10 upphöjt till 28, men utan tunneleffekten skulle sannolikheten för fusion i solen vara noll. Med 10 upphöjt i 56 protoner bara i solens kärna så räcker det för att solen ska tändas. Räcker med råge, även mindre stjärnor än solen, som röda dvärgstjärnor, lyser tack vare denna kvant-effekt som på svenska fått det fula namnet tunnling.
Så på partikelnivå pågår kvanteffekter i solen samtidigt som dessa partiklar också stöter på varandra i den betydelse som jag beskrev i förra inlägget - sammanstötningar som leder till dekorens och kollaps för våg-partikel-tillståndet. Vilket är uppenbart, solen finns i den klassiska världen på samma vis som månen. Men för en okunnig man som jag är detta inte lätt att begripa. På något vis måste det finnas en beräkning som visar när kvant-egenskaperna bevaras och när de kollapsar inne i solen. Och på alla andra ställen. Eller är det det som är osäkerheten?




26 oktober 2017

Kvantvandring

Jag har lite svårt att motivera varför denna blogg, som jag tänkt ska handla om världshistoria, har hamnat i utläggningar om kvantmekanik. Det började med att jag försökte periodisera det som kallas "Big history" i ett inlägg . Då kom jag in på spåret att kvantmekaniska förklaringar har betydelse för vissa av de grundläggande biologiska processerna, som cellandning och fotosyntes. Kvantbiologi är sannolikt en del av förklaringen till livets uppkomst.
I inledningen till David Christian "Maps of time" citeras fysikerna Schrödinger och Murray Gell-Mann, mest för att visa att några av kvantfysikerna själva funderat över sin vetenskaps roll för en större helhetssyn.

Nåväl, jag följde min vanliga arbetsmodell och lånade den populärvetenskapliga bok som verkade bäst och som gick att beställa via Uppsala bibliotek. Det blev "Paradoxen som försvann, Kvantvärlden är konstig men inte så konstig som du tror" av David Lindley (Studenlitteratur, 2002, utkom på engelska 1996). 

David Lindley redogör för att dubbelspaltexperimentet är ett sätt att visa på Heisenbergs osäkerhetsprincip. "Om vi vill veta vilken väg fotonen tog kan vi inte se något interferensmönster. Vill vi se interferensmönstret, kan vi inte ställa frågan vilken väg fotonen tog". Med "att ställa frågan" menar Lindley mätandet. Hela situationen måste beskrivas som en helhet av fotonen och försöksuppställningen, man kan inte tänka på fotonen som oberoende av vad den befinner sig i för sammanhang. Den klassiska Köpenhamnstolkningen av experimenten är Bohrs strikta förbud att försöka föreställa sig vad "fotonen" gjorde innan den detekterades. (sid 71).

Lindley redovisar fler försök som visar på detta, som experiment med Stern-Gerlach-magneter och Wheelers "fördröjt val-experimentet" (delayed choice experiment). Andra viktiga experiment för diskussionen handlar om två fotoner som skickas åt var sitt håll när en partikel sönderfaller och sedan mäts fotonerna på olika vis. Se vidare på EPR-experiment, Bells teorem och Alain Aspect (fransk nobelpristagare, född 1947).

I förra inlägget skrev jag att i dubbelspaltexperimentet "utforskade partikeln båda vägarna samtidigt". Den typen av bildspråk tror jag frångår Niels Bohrs (1885-1962) klassiska tolkning av kvantmekaniken där man inte ger någon bild av vad som pågår när partikel/vågen befinner sig i det som kallas superposition. När man använder bildspråk för vad som sker ligger man närmare den tolkning som döpts efter David Bohm (1917-1992). Han försökte att skapa en tolkning av kvantmekaniken som skulle ge mer förutsägbara beskrivningar av vad som sker med kvantpartiklar. Men i förlängningen har Bohms tolkning medfört att den använts av diverse personer som menat att man bevisat omedelbar påverkan mellan partiklar. Gell-Mann noterar ironiskt att "snabbare än ljuset-kommunikation" lagts till listan av knäppa patentansökningar, efter "evighetsmaskiner" och "antigravitation". Vilket inte hindrar att när man läser om nobelpriset 2012 känns det som att man kommer att hitta tillämpningar som kan få patentverket att häpna.

Men givet att man inte låter bilderna leda till felslut så ska själva den bakomliggande matematiken som Bohm använder enligt Lindley vara densamma som den klassiska kvantmekanikens, utom att Bohm tillför dolda variabler som inte behövs. Det är säkert mer korrekt att följs Bohrs råd och enbart säga att den obestämda partikeln/vågen befinner sig i superposition och nöja sig med det. 

Lindley avslutar sin bok med (möjligen påhittade) historien om hur Einstein inte ville acceptera att kvantmekaniken innebär en fundamental nivå av oförutsägbarhet, och upprepade sin åsikt att "Gud inte spelar tärning" varpå Bohr skulle ha svarat "Sluta tala om för Gud vad han ska göra!". 

Viktigast för mig är det som Lindley klargör på sidan 196. Där förklaras att den "mätning" som krävs för att dekoherens ska ske, dvs att superposititionstillståndet ska kollapsa, kan ske genom att partiklar träffar varandra (i exemplet är det fotoner som träffar månens yta, ännu en referens till en Einstein-historia). Det innebär att det praktiska utrymmet för osannolika kvanthändelser begränsas till utrymmen där inte partiklar stöter ihop så mycket och ofta att dekoherens sker.

I en supraledare finns koherens som gör att partiklarna (elektronerna) inte träffar varandra. Det vill säga att ett markoskopiskt kvanttillstånd kan upprätthållas under speciella betingelser.

Författarna till "Kvantbiologi" berättar om det märkliga att sådana utrymmen kan upprätthållas under kortare tider i biologiska system. Fenomenet de kallar "kvantvandring" har påvisats i klorofyllkomplex genom att laserljus skickats i pulser och man sedan kunnat mäta upp mönster som är besläktade med interferensmönstret i dubbelspaltexperimentet. Detta möjliggör att fotonen som ska ge energi till den gröna cellen kan överföra sin energi till rätt ställe genom att "kvantvandra" alla vägar samtidigt till reaktionscentrum, något som är mycket effektivare än om fotonen skulle ha behövt söka sig fram i en enda sick-sack-bana.

Mer om detta i senare inlägg. Nu kan jag bara notera att "kvantvandring" låter som sådant bildspråk man ska vara försiktig med. Men att det är skickligt användande av sådana bilder som gör "Kvantbiologi" läsvärd. 


11 oktober 2017

Dubbelspaltexperimentet

"En kvantmekanisk partikel har vågegenskaper och kan växelverka med sig själv så att interferens uppkommer".

Citatet ovan är från en lärobok i kvantkemi. Dubbelspaltexeperimentet är det berömda experiment som tydligast ska visa på partikel-våg-dualiteten och tillvarons kvantegenskaper. Det finns beskrivet på många ställen (sök på double slit experiment) så jag ska inte försöka upprepa det här, utan bara summera och fundera.

Steg 1 i en beskrivning av dubbelspaltexperimentet är att förklara att ett rent ljus (helst monokromatiskt och koherent, dvs vågor med samma frekvens och i samma fas, t.ex. från en laser) som riktas mot en skiva med två spalter skapar ett interferensmönster på en vägg bakom skivan, som stämmer med att räkna på ljuset som en våg. Detta var Thomas Youngs (1773-1829) ursprungliga experiment från 1801.

Steg 2 är att förklara att för klassiska föremål, dvs "stora partiklar", som man skjuter mot de två spalterna får man helt enkelt två band där de träffar väggen rakt bakom spalterna, med lite spridning i kanterna.

Steg 3. Sen får man visa hur "små partiklar" och ger interferensmönster. Dvs elektroner eller andra elementarpartiklar (och även atomer och hela molekyler), som man skjuter mot de två spalterna ger interferensmönster som om de uppförde sig som vågor. Detta visar att även materia uppvisar vågegenskaper. Matematiken bakom att materian har vågegenskaper visades av Louis de Broglie 1924. Tidigare hade Planck och Einstein visat det omvända, att ljus (elektromagnetisk strålning) även uppför sig som materia, att fotoner kan betraktas som partiklar.

Steg 4: Nu är vi framme vid det viktigaste steget. Justera elektron-kanonen så att den skjuter iväg elektronerna en och en. Sakta kommer det att bli märken på väggen bakom som uppvisar det bekanta interferensmönstret. Det framstår som mycket märkligt. Det är detta fenomen som läroboken beskriver som att "kvantmekaniska partiklar växelverkar med sig själv".

Fenomenet är matematiskt beskrivet av att det finns en vågekvation som anger hur en enda elektron (eller foton eller atom) beter sig, Schrödingers ekvation som publicerades 1926. Matematiken fungerar men inte ens matematikerna verkar kunna säga annat än att detta är obegripligt, eller i alla fall mycket svårt att beskriva i ord.

Att skriva att partikeln växelverkar med sig själv är ett sätt att uttrycka detta men ger inte någon begriplig bild av vad som pågår. Elektronen/atomen/fotonen är inte en partikel i vanlig språklig mening (det är väl därför läroboken kallar den för "kvantmekanisk partikel", och vidare betyder "växelverkan" i detta fall något annat än vad man vanligen menar. Fysikalisk växelverkan brukar handla om krafter mellan partiklar, här skulle det då vara en slags utspridd egenskap hos en partikel som kan skapa ett interferensfenomen. Man kan även använda språkbruket avsett för vågor och säga att partikeln uppvisar koherens, men även det blir språkligt märkligt, då man säger att en våg är i fas med sig själv när den befinner sig på väg genom bägge spalterna trots att den bara borde vara riktad mot den ena.

I boken Kvantbiologi, av Jim Al-Khalili  och Johnjoe McFadden (Fri Tanke 2014), skriver de (sidan 149) att "atomen utforskar båda vägarna samtidigt". Det ger mer en bild av att partikeln har ett slags "vågekvationens karta" med vägval, med olika sannolikhet för olika val som skapar interferensmönstret. Vågekvationen beskriver sannolikheter för att en partikel finns på ett visst ställe, men hur dessa sannolikheter ska ge upphov till interferensen är inte lätt att förstå.

Referenser för dessa experiment är t.ex:
För försök med fotoner: Dimitrova och Weis.
För elektroner: Akira Tonomura. Går att se på Youtube.
För molekyer: Exempel med 154 atomer!


Steg 5. Tyvärr blir detta ännu konstigare i nästa steg. Här inför man en detektor vid en eller bägge spalterna som ger signal när partikeln passerar. Den detekterar partikeln vilket sedan registreras på något vis och sedan iakttas denna registrering av forskaren. Att detta fungerar visar på partikelegenskapen hos det som passerats, detektorn reagerar på partikeln. Men mer än så, när man använder detektorn försvinner interferensmönstret. Nu får man bara två band som vi sett tidigare i steg 2. Själva proceduren att detektera/registrera/iaktta partikeln gör att den förlorar sina vågegenskaper. Begreppet för detta är dekoherens.

Innan detektionen befinner sig partikeln i sitt kvant-tillstånd. Detta tillstånd för mig sig en rad egenskaper, att "partikeln är på två ställen samtidigt", att den "kan snurra i två riktningar samtidigt" och att den kan "tunnla sig genom väggar" (citat från Kvantbiologi, men går även att läsa om i läroboken jag refererade till i början, som heter "Kvantkemi för kemister, Studenlitteratur 2009).

Men efter dekoherens försvinner dessa kvantegenskaper. Enligt beskrivningen i Kvantbiologiboken är det själva detektionen som stör partikeln. De beskriver på sidan 151 hur själva mätanordningens alla biljoner atomer interagerar med den sköra kvantpartikeln vilket leder till dekoherens. Vad boken Kvantbiologi inte redogör för är att det finns andra tolkningar av experimentet, där det inte är detektionsanordningen som skapar dekoherensen. I dessa tolkningar är det registreringen eller det medvetna iakttagandet som orsakar vågfunktionens kollaps. Sådana tolkningar bjuder in till diverse "New age"-aktiga förklaringsmodeller och det känns skönt att slippa dem när man läser boken Kvantbiologi. Men det hade varit snyggt om Khalili och McFadden tydligt redogjort för sina skäl att välja den tolkning de valt, även om jag själv finner den vara den mest begripliga.

Bara för att nämna en auktoritet som år 1994 skrev om en tolkning där en registrering krävs för att detektionen ska anses ha skett, kan jag ta nobelpristagaren Murray Gell-Manns "Kvarken och Jaguaren" (ICA Bokförlag pocket). På sidan 191 beskriver han hur ett radioaktivt sönderfall, som ger upphov till partiklar som befinner sig i kvant-tillståndet, orsakat spår i ett glimmermineral. Detta kan ha skett för tiotusentals år sedan, men denna registrering iakttas inte förrän en geolog/fysiker långt senare tittar på mineralet. Detta talar för den enkla förklaringen att dekoherensen skedde för att sönderfallspartikeln reagerade med glimmern som här fungerade som detektor. Gell-Mann ironiserar över att många "briljanta kommentatorer har skrivit om den föregivna betydelsen av mänskligt medvetande i mätprocesen". Ändå fortsätter Gell-Man med att diskutera vad som kan ha observerat spåret då för tiotusen år sedan som om dekoherensen inte hade skett ifall inget kunnat observera den.

Nåväl, jag väljer att tänka mig att dekoherensen uppstår på grund av den direkta störningen från detektorn och då blir följden att dekoherens sker hela tiden. Så fort något stör den sköra kvantpartikeln faller den ner i ett klassiskt läge. Detta synsätt gör att man kan beskriva olika kvant-tillstånd i biologiska system. T.ex. i växter där fotosyntes pågår. Det är detta som den utmärkta boken Kvantbiologi beskriver. Och för att skriva "Big history" rörande livets uppkomst och fotosyntesens uppkomst så behöver man ha med något om dessa kvanteffekter.



4 oktober 2017

Ikoniska experiment

Igår fick LIGO nobelpriset i fysik. LIGO har vissa förutsättningar att bli ett "ikoniskt experiment". Med ikonisk menar jag ett vetenskapligt framsteg som får en berättelse som många kan relatera till. Som en poplåt som många känner igen bara på några få takter. Men LIGO når nog inte den statusen - även om själva bilden av laserstrålar i rät vinkel är lätt att ta till sig så är den bakomliggande teorin om gravitationsvågor inte någon lättsmält materia.

Arkimedes (född ca 287 f.Kr) princip, kopplad till en historia om hans badkar, är lättare att fatta. Lyftkraften motsvarar tyngden av den undanträngda vattenmängden. Hans "heureka"-ögonblick är sinnebilden för en forskares plötsliga insikt.

Isaac Newtons (1642-1727) fallande äpple är nästa ögonblick som kommer på tal, men det är givetvis inget experiment. Det experiment som Newton gjorde som kanske är mest känt är att han delade upp ljus i färger med ett prisma.

Galileo Galileis (1564-1642) experiment med fallande föremål har sin ikoniska variant, där han står i lutande tornet i Pisa och släpper kulor av olika tyngd. Det är inte belagt att han faktiskt gjorde så, däremot räknade han framgångsrikt på kulor som rullade i lutande rännor. Han visade att alla fallsträckor var proportionella mot tiden i kvadrat, samt att den fallande kroppens massa idealt (i frånvaro av luftmotstånd) inte har någon betydelse.

Att han dessutom såg Jupiters månar genom ett teleskop är rätt välkänt. Ska man sälja in LIGO ska man göra som professorn sade på radio igår. Hon menade att LIGO var som ett nytt teleskop där vi kan se in i delar av rymden vi inte tidigare sett, precis som Galileo gjorde. Kanske blir LIGO riktigt stort först när man sett något helt okänt, svarta hål visste vi redan att de fanns.

Benjamin Franklins (1706-1790) experiment med åskledare fäst i en drake kanske många känner till, mest för att det framstår som en riskabel försöksuppställning. (Just för detta experiment gäller inte regeln att man ska försöka upprepa det för att visa dess giltighet). Galvanis (1737-1798) groda och diskussioner med Volta (1745-1827) kanske också hör till elektricitetens mer populära historier. Vanliga batterier är galvaniska celler baserade på Voltas stapel.

Inom biologin har vi några ikoniska exempel: Pavlos hundar, (Ivan Pavlov 1849-1936) och Alexander Flemings (1881-1995) upptäckt av antibiotika (det mest kända fallet av upptäckt genom slumpen, eller snarare begåvat iakttagande av ett misstag). Kanske också Louis Pasteurs (1822-1895) upptäckt av mikrobiologin genom att visa att varje typ av jäsning/feljäsning var kopplad till en egen sorts jäst. Fast det som Pasteur är mest känd för är att man kan hetta upp en vätska och döda mikro-organismerna; pastörisering. Pasteur lade även grunden till kristallografin och stereokemin, utan att jag kan påstå att de experimenten nått någon pop-status.

Darwins finkar är kanske kända, men det är inte något experiment. Mendels ärtor är ikoniska inom genetiken. Och nämna vill jag Rosalind Franklins (1920-1958) röntgendiffraktionsbilder som visade DNAs struktur för "popstjärnorna" Watson och Crick

Inom kemin är det svårt att komma på något riktigt bra. Idag delades kemipriset ut, det gick till kryoelektromikroskopins upptäckare. Ett begripligt och imponerande experiment - man har lyckats kyla ner biomolekyler tillsammans med vatten så att de går att se deras naturliga form. Men kanske inte ikonstatus på det, varje sjukhus har idag diverse avancerade utrustningar som ser in i vårt biologiska inre, alla lika imponerande.

Jag kan möjligen tänka mig att folk har en bild av kemiexperiment där man förbränner något i slutna behållare och väger före och efter och drar slutsatser av det. Vi har här att göra med upptäckten av syret i luften samt lagen om massans bevarande vid kemiska reaktioner. Namn förknippade med detta är Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794), Joseph Priestly (1733-1804) och Carl-Wilhelm Scheele (1742-1786). Ingen popstjärnestatus där inte. (Stjärnan bland dessa tre är Lavoisier, "den moderna kemins fader", men vem kan nämna honom? Kan man det ska man även nämna hans fru Madame Marie-Anne Lavoisier som också var kemist och hade stor betydelse för sin makes forskning).

Ett experiment som är ikoniskt bland fysiker, dubbelspaltexperimentet, ska jag beskriva i nästa inlägg. Dubbelspaltexperimentet påvisar våg-partikeldualiteten hos ljus och är det klassiska experimentet inom kvantmekaniken. Tyvärr har det inte fått samma kändis-status som ett rent tanke-experiment som kallas "Schrödingers katt".