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.



Inga kommentarer:

Skicka en kommentar