`"

Fysikkens sprog og virkeligheden

Fysikkens sprog og virkeligheden

Benny Lautrup
Niels Bohr Institutet

2. oktober 2002

Hvad er virkeligt? Og hvad er illusion? Vi stoler på vore sanser og har intet problem med at erklære dagligdagen, dens ting, dyr og mennesker for virkelige. Vi er også fortrolige med illusioner som film, fjernsyn og tryllekunst uden at det rykker på vores overbevisning om, hvad der er virkeligt, selv om vi somme tider bringes lidt i tvivl. Naturens umiddelbare sanselighed tages af de fleste som indiskutabel evidens for eksistens. ``Jeg så det med mine egne øjne'', lukker ofte diskussionen om et fænomens mulighed eller umulighed, hvad enten det angår kuglelyn eller oversavede damer. Fysikkens svært tilgængelige love spiller kun en ringe rolle for argumentationen, når en illusion er tilstrækkelig stærk. Erasmus Montanus må altid bide i det sure æble og bøje sig for, hvad degnen har set med sine egne øjne. Fysikkens præcise sprog spændes på den anden side gerne for indtægtsgivende illusioner, når det gælder om at få publikum til at betale. Fortalere for astrologi, telekinese, hårvækstmidler og alternativ medicin benytter alle et pseudovidenskabeligt sprog, der minder om astronomiens, fysikkens eller lægevidenskabens, men alligevel ikke adlyder videnskabens strenge regler om falsificerbarhed.

I denne artikel vil jeg først påpege den sproglige knudrethed, fysikken løber ind i, når det drejer sig om at give korrekte svar på selv letfattelige fænomener, som for eksempel badevandshvirvlers omdrejningsretning. Dernæst vil jeg fortælle om det, man kan kalde kunsten i fysikken. Med ``tiden'' som eksempel vil jeg påpege, hvorledes der bag ethvert sprogligt udsagn ligger en tavs kontekst af viden, der kun sjældent gøres eksplicit, men som ikke desto mindre er essentiel for at dyrke denne videnskab og forstå den virkelighed, den beskriver. Derefter vender jeg mig mod den filosofiske forestilling, at videnskaben gennemløber revolutioner, hvor den herskende forståelsesramme fuldstændig erstattes af en ny, det Kuhn kalder et paradigmeskift. Det ser faktisk mere ud, som om fysikkens overordnede forståelsesramme består af et sæt af overlejrede paradigmer, alle med en vis gyldighed for opfattelsen af virkeligheden. Et andet filosofisk yndlingsbegreb er reduktionisme, som i dag nærmest har karakter af et skældsord, fordi det hævdes at lukke af for især den levende naturs ``kreativitet''. Jeg vil argumentere for, at det bestemt ikke er tilfældet. Til sidst vil jeg kort kommentere den besynderlige virkelighed, der åbenbarer sig i kvantefysikken.

Fysikkens knudrede tungemål

At jordens rotation får badevand til at løbe ud af karret i en hvirvel, der set oppefra drejer mod uret på den nordlige halvkugle og med uret på den sydlige, er kendt af alle ``dannede'' mennesker. Fjernsynets vejrmagistre slår gang på gang fast, at jordens omdrejning bevirker, at vindene set ovenfra altid strømmer mod uret omkring et lavtryk og omvendt omkring højtryk. Og fysikken bekræfter beredvilligt, at jordens rotation faktisk leverer en sådan kraft, kaldet Coriolis-kraften, og at den påvirker bevægelse på nævnte måde.

Henne i Afrika kan man både i Kenya og Uganda få ``eksperimentelt'' bevis for, at vand løber ud af en spand med et hul midt i bunden i en hvirvelstrømning, der som forventet drejer mod uret nogle få meter nord for ækvator og med uret nogle få meter sydligere. En lokal ``professor'' fylder en spand med vand og fjerner fingeren fra et hul midt i spanden, og vandet opfører sig dernæst som forventet. Demonstrationen giver gode turistindtægter, specielt fra de mange busser, der krydser rundt i Afrika med positivt indstillede dannede mennesker fra Europa og USA. De har ofte hørt om fænomenet, men måske aldrig rigtig set det med ``deres egne øjne''.

Men eksperimentet er et falsum. Fysikken kan nemlig fortælle, at Coriolis-kraften står vinkelret både på bevægelsens retning og på Jordens omdrejningsakse. På ækvator, hvor omdrejningsaksen peger horisontalt i nord-sydlig retning, vil Coriolis-kraften i en horisontal bevægelse derfor pege lodret opefter med mindre bevægelsen går stik nord eller syd, i hvilket tilfælde kraften er nul. Coriolis-kraftern kan derfor aldrig ændre på en horisontal bevægelses retning lige på ækvator.

Problemet med denne forklaring er imidlertid, at den ikke er tilstrækkelig. Bevægelsen foregår faktisk ikke lige på ækvator, hvor den omtalte demonstration da heller ikke viser nogen effekt, men lidt nord eller syd for. Nu tvinges fysikken til kvantitativt at redegøre for, at Coriolis-kraften er for lille til at påvirke omløbsretningen i en spand vand, specielt i nærheden af ækvator. Ved hastigheder på, for eksempel, en meter i sekundet er tyngdekraften cirka 100.000 gange større end Coriolis-kraften på vore breddegrader. Og hertil kommer, at vi kun er interesserede i Coriolis-kraftens horisontale komponent, der bliver mindre og mindre, jo nærmere man kommer ækvator, hvor den til sidst helt forsvinder.

Denne forklaring er heller ikke udtømmende. For afhænger eksperimentet ikke af, hvor uroligt vandet er efter, at spanden bliver fyldt fra en vandhane? Hvis man venter så længe, at vandet falder næsten helt til ro, vil effekten da ikke vise sig? Jo, siger fysikken, det vil den faktisk, og det er da også påvist i seriøse eksperimenter med badekars-agtige beholdere, endda på den sydlige halvkugle [1]. Kort sagt skal vandet falde så meget til ro, at enhver større bevægelse i vandet er sammenlignelig med eller langsommere end den lokale horisontale rotationshastighed, som jordens omdrejning medfører. Den lokale rotationshastighed kan bestemmes ved hjælp af et Focault-pendul, der langsomt drejer sin svingningsretning. På polerne roterer jorden som bekendt en omgang per døgn, medens den lokale horisontale rotationshastighed på vore breddegrader er omkring halvandet døgn. En enkelt breddegrad, d.v.s. 110 kilometer, nord eller syd for ækvator er den lokale rotationshastighed 60 gange mindre end på polerne og en meter fra ækvator er den endnu 110.000 gange mindre, altså 6,6 millioner gange mindre end på polerne. Det vil altså tage omkring 6,6 millioner døgn eller cirka 18.000 år at gennemføre en fuld horisontal omdrejning en meter fra ækvator!

Rigtigheden af disse argumenter kan underbygges ved at betragte en stor roterende luftmasse med en diameter på 1000 kilometer omkring et lavtryk eller højtryk. Antager vi, at vindhastigheden højst er 10 meter per sekund på randen af området, vil en fuld omdrejning tage mindst tre døgn. Coriolis-kraften vil derfor have afgørende indflydelse på luftmassens rotationsretning på vore breddegrader, hvor Jordens lokale horisontale omdrejning tager halvandet døgn. I nærheden af ækvator er den horisontale Coriolis-kraft derimod meget mindre. Faktisk er den så lille, at tropiske storme, orkaner, så godt som aldrig forefindes mellem 10 grader nord og 10 grader syd, altså cirka 1100 kilometer på hver side af ækvator.

Tilbage står spørgsmålet om, hvor længe man skal vente, før vandet i spanden er faldet tilstrækkeligt til ro. Når vandet strømmer ned i spanden fra vandhanen, er det turbulent med masser af små hvirvler, der hurtigt taber deres energi ved at splittes i mindre og mindre hvirvler, som til sidst dør ud. Det er formodentlig umuligt ``med egne øjne'' at afgøre, om der efter nogen ventetid efterlades en global rotation i spanden med en hastighed i nærheden af randen på, skal vi sige, 0,1 millimeter i sekundet. Vand er jo normalt gennemsigtigt og det vil tage omkring 6 timer for vandet at nå en hel omgang rundt med den hastighed, hvilket er 6 gange hurtigere end Jordens lokale horizontale omdrejning på vore breddegrader. Vandets rotation dæmpes af vandets viskositet gennem gnidning mod spandens rand og bund. Der er tale om en meget langsom diffusionsproces, hvor indflydelsen fra bunden af spanden tager forbavsende lang tid om at nå op til den fri overflade. Man kan gøre et overslag på diffusionstiden som forholdet mellem kvadratet på diffusionslængden, som måske her er 30 centimeter, divideret med vandets kinematiske viskositet, som er tæt ved 1 millimeter i anden per sekund. Resultatet bliver 25 timer! I et typisk eksperiment [1] ventede man da også 60 timer, førend målinger blev foretaget. Udfaldet var positivt: badevandshvirvlen opførte sig som forudsagt.

Hermed turde diskussionen være bragt til ende. Omhyggelige eksperimenter, der bekræfter effekten for badekars-agtige opstillinger, kan med noget besvær gennemføres, men de afrikanske ``eksperimenter'' er derimod snyd og humbug. Det er dog ikke helt ligetil at påvise, hvorledes nummeret faktisk udføres. Den bedste forklaring er nok, at ``professoren'' vender sig om mod tilskuerne på en sådan måde, at han tilfører vandet en smule rotation i den rigtige retning [2]. Det vanskeligste ``eksperiment'' er faktisk det, der foregår lige på ækvator, hvor der ikke må dannes en hvirvel!

Fysikkens sprog er langsommeligt og knudret og ikke egnet til enkle valgsprog. Selv om fysikken som her kan påvise, at der må være tale om snyd og humbug, så kræver det en lang og besværlig kvantitativ argumentation, der enda en del af vejen har karakter af ret usikre skøn. Argumentet forlanger en forståelse af fysik, der går ud over, hvad de fleste gymnasieelever eller universitetsstuderende besidder. Igen og igen kommer Erasmus Montanus med sine akademiske anfægtelser uhjælpelig til kort overfor degnens populistiske påstande.

Kunsten at være fysiker

Fysik er en kvantitativ disciplin, som benytter matematikken til at skabe forbindelse mellem målbare størrelser, udtrykt ved reelle tal. Det ikke særlig nyttigt at udforme naturlovene ved hjælp af udefinerede primitive størrelser, som for eksempel punkter, linier, cirkler, rum, tid og masse. Sådanne udefinerede begreber er derfor blevet elimineret overalt i fysikken og erstattet af rene numeriske størrelser. Fysikkens sprog er hovedsagelig hverdagens sprog forstærket med de reelle tals matematik.

Dette nødvendiggør en præcisering af de praktiske opskrifter eller procedurer, hvorved de numeriske størrelser bestemmes eksperimentelt, for eksempel hvilke enheder der bruges. Bag hver eneste naturlov og bag enhver formel i fysikken, ligger der en samling procedurer, kaldet referencerammen, der forsyner enhver størrelse med en operationel mening. En del af kunsten i fysikken består i at kunne bruge og redegøre for denne, ofte underforståede, infrastruktur til den matematiske formalisme.

Referencerammen drejer sig altid om fysiske objekter: vægte til at måle masse, ure til at måle tid, og målestokke til at måle længde, som ikke direkte er en del af den matematiske formalisme. Men netop fordi der er tale om fysiske objekter, kan de principielt og reelt udveksles eller kopieres og derved deles af forskellige individer. Hvis jeg finder en naturlov, kan jeg låne dig mine måleinstrumenter, og du kan bekræfte loven. Dette er i al sin enkelhed, hvad der menes med fysikkens objektivitet! For eksempel opbevares massenheden, et kilogram, stadig som en prototype i International Bureau of Weights and Measures i Paris. Denne prototype kan kopieres med en absolut præcision på omkring en milliontedel gram.

Tidens er et godt eksempel på, hvorledes fysikken objektiviserer et begreb, ingen rigtig ved, hvad er. Vi forstår ikke engang det fundamentale faktum, at den går. Ikke desto mindre spiller tiden en større og større rolle for vores teknologi. Tænk blot på computere, som er meget ``bevidste'' om deres egen tid, eller Global Positioning System (GPS), som lokaliserer ethvert punkt på jorden ved hjælp af den tid, lyset tager om at ankomme til modtageren fra forskellige satellitter.

Einstein indførte den eneste definition, der ser ud til at være langtidsholdbar: tid er det tal, du læser på dit ur. Men det efterlader selvfølgelig spørgsmålet om, hvad et ur så er. Man kan ikke bare sige, at et ur er et instrument, der måler tiden, uden at komme ind i en logisk cirkelslutning. Svaret er, at et ur er et fysisk objekt forsynet med en opskrift for, hvorledes det bringes til at levere et tal. Men kan ethvert fysisk objekt da bruges som et ur? Jo, i princippet. Selv en sten kan bruges som et ur ved, for eksempel, at måle overfladeforvitringens tykkelse. Radioaktive stoffer er fine geologiske ure, selv om de i lighed med stenen ikke er periodiske.

Periodiske ure leverer heltallig tid i form af et antal perioder, men forskellige periodiske ure vil frembringe forskellige heltallige periodetal. Et bornholmerur kommer aldrig op på de størrelser, som et kvartsur kan levere. Erfaringen har vist, at mange periodiske ure har en forunderlig evne til at følges ad med en fast faktor mellem deres tider. At verden er indrettet således, at mange periodiske ure følger hinandens gang, må betragtes som et grundlæggende vilkår for vores eksistens. Tidens rette gang defineres traditionelt ved hjælp af de periodiske ure, som viser den største stabilitet i forhold til ure af samme konstruktion. Det, vi kalder tidens jævnhed, er derfor en egenskab, vi pådutter tiden, ikke nødvendigvis en fundamental egenskab ved tiden selv. I dag består det mest stabile ur af en kvartskrystal, tunet til en fast frekvens ved hjælp af mikrobølgestråling fra cæsium atomer.

Det centrale ved Einstein's definition af tid er, at hvis jeg ved hjælp af et eksperiment opstiller en naturlov, for eksempel Galilei's faldlov, så kan en anden udføre det samme eksperiment med kopier af min målestok og mit ur og derved bekræfte loven, uanset om vedkommende er enig med mig i den ``dybere mening'' med, hvad tid er. Fysikkens kolossale succes skyldes, at den har skabt en videnskabelig metode, der fungerer uden, at dens udøvere behøver diskutere den ``dybere mening'' med livet, universet og alt det der. Min faldlov bestemt med mine instrumenter er fuldstændig åben for efterprøvning eller falsificering i Popper'sk forstand, når bare andre bruger samme referenceramme. Eller i hvert fald oversætter deres til min.

Der er mange sider til kunsten at være fysiker. En af dem består som sagt i at have en klar forestilling om den referenceramme, der normalt underforstås i ethvert matematisk udsagn om naturen. Det kan være vanskeligt at holde referencerammen klar, når man arbejder med spekulative teorier klædt i en besværlig matematisk formalisme. Det gælder for eksempel for superstrengteorien, som det ikke ser ud til at blive muligt at efterprøve i den nærmeste fremtid (for nu ikke at tage munden for fuld!). Men kravet om objektivitet og falsificerbarhed underligger alle fysisk teoridannelse, uanset hvor fjernt fra dagligdagen, den forekommer.

Lag på lag af paradigmer

I Thomas Kuhn's analyse af videnskabelige revolutioners struktur [3] indgår det centrale begreb ``paradigmeskift''. Kuhn lægger mere vægt på diskontinuiteten i den videnskabelige proces end på den jævne fremadskriden, hvor ``sten lægges på sten'' i et stort bygningsværk. Kuhn påpeger, at hele den overordnede forståelsesramme, paradigmet, som danner det etablerede grundsynspunkt, af og til rives ned, hvorefter en ny forståelsesramme, et nyt paradigme, overtager den videnskabelige scene og dens aktører.

Noget er der bestemt om sagen. Fysikken har i de sidste tre århundreder gennemløbet adskillige skift i den herskende opfattelse af, hvad der er den ``sande'' virkelighed bag fænomenerne. De mest radikale nyere skift repræsenteres af Maxwell's teori for elektromagnetismen, Einstein's relativitetsteori, og Bohr's kvantemekanik. Alle tre bryder de med det Newton'ske paradigme for mekanikken, selv om det for elektromagnetismens vedkommende ikke er helt så åbenlyst som for de to andre.

Kuhn påviser, at de fysiske begreber i forskellige paradigmer er inkommensurable og ikke formelt kan sammenlignes. Som eksempel nævner han en partikels masse, der har forskellig betydning i den Newton'ske mekanik, hvor den er konstant, og i relativitetsteorien, hvor den afhænger af hastigheden. Medens fysikken overordnet udvikler i overensstemmelse med Kuhn's paradigmeteori, så er det ikke dens praksis at forkaste de ældre paradigmer, uanset de formelle kommensurabilitetsproblemer, en bibeholdelse kan medføre. Den Newton'ske mekanik overlever i bedste velgående, selv om den i princippet er blevet afløst af både relativitetsteorien og kvantemekanikken.

Grunden til, at den klassiske mekanik stadig er en grundpille i fysikken, er, at den stadig har et enormt gyldighedsområde, der især dækker den hverdag, vi mennesker lever i. De nye teorier er kun nødvendige i marginalområderne. Relativitetsteorien kan generelt ignoreres, med mindre objekternes hastigheder når op i nærheden af lyshastigheden, og kvantemekanikken kan generelt ignoreres, med mindre man interesserer sig for objekter af atomar størrelse. Sådan da. Der findes både relativistiske effekter ved lav hastighed, for eksempelt massetabet i kernereaktioner, og makroskopiske kvanteeffekter, som for eksempel superledning og superfluiditet.

Men i almindelighed vil det betragtes som halsløs gerning at benytte relativitetsteori eller kvantemekanik til at håndtere dagligdagens mekaniske apparater, biler, kraner, skibe, flyvemaskiner og så videre. Når fysikeren beskriver en dampmaskines ``sande natur'' består hans sprog af de begreber, termodynamikken og den newtonske mekanik forsyner ham med. Atomer og andre småting ligger ham uendelig fjernt i denne sammenhæng. Selvfølgelig ved han godt, at der ligger atomer under det hele, men det vedkommer ikke dampmaskinens og hans arbejde med den. Ingen fysiker med sin fornuft i behold vil drømme om at udforske en dampmaskine til en sådan præcision, at atomerne viser deres ansigter.

En del af kunsten at være fysiker består derfor også i at holde de forskellige paradigmer adskilte fra hinanden med en klar forståelse af, hvor og hvornår hvert enkelt er gyldigt. Det er også grunden til, at fysikstudenter stadig plages med de klassiske discipliner og ikke straks får udleveret den teori, der i dag har det største gyldighedsområde, nemlig den relativistiske kvantefeltteori. Selv om denne teoris gyldighedsområde i princippet også dækker penduluret, vil det være overordentligt vanskeligt at benytte den til at beregne pendulets svingningstid.

Fysikken taler derfor med mange tunger. Paradigmerne koeksisterer fredeligt og forkastes så godt som aldrig. Det sker dog, når gyldighedsområdet skrumper ind til ingenting som for phlogiston-teorien for varme, eller epicykleteorien for solsystemet. Men ingen kunne drømme om fuldstændig at forkaste den klassiske mekanik til fordel for relativitetsteorien eller kvantemekanikken.

Hvad med virkeligheden? Den er vel entydig for fysikerne? Er det ikke sådan, at fysikerne bruger det mest omfattende paradigme, når de skal tale om den ``sande natur'' af den verden, der omgiver dem? Egentlig ikke. Det billede, der bedst beskriver en fysikers virkelighedsopfattelse er snarere en overlejring af let inkommensurable koeksisterende paradigmer end en entydig fokusering på det paradigme, der lige for tiden har æren af at være det ``sande''. Kun når fysikeren bliver presset, i diskussion eller eksperiment, flytter han sin opmærksomhed fra de gængse paradigmer, der beskriver fænomenerne bedst på det niveau, hvor han for tiden arbejder, til de mere omfattende paradigmer, der beskriver de dybere niveauer. Sandheden er nok derude, men for den praktiske arbejdende fysiker er den, i modsætning til mange filosoffers opfattelse, slet ikke entydig.

Reduktion og konstruktion

Reduktionismen er en hjørnesten i naturvidenskaben. Formuleret skarpt består den i en påstand om, at et lukket system er fuldstændig beskrevet ved en opregning af dets bestanddele og deres indbyrdes vekselvirkninger. Åbne systemer falder ind under denne lov ved at betragte et større system, der indeholder systemets omgivelser. Vekselvirkningerne kan ikke udelades. Nok består makroskopiske objekter af atomer, men uden forståelse af vekselvirkningerne mellem atomerne har vi ikke en chance for at forstå objekternes egenskaber.

Ovenstående udsagn er reduktionismens credo. Med dette i hånden er det altid muligt at splitte et vækkeur ad og samle det igen, når man har forstået, hvorledes tandhjulene griber ind i hinanden. Anvendt på levende systemer, fortæller det os, at der ikke skal andet til end atomer, molekyler og deres vekselvirkninger for at forstå selve livets natur.

Om reduktionismens princip er rigtigt, er et spørgsmål, der kan efterprøves empirisk. Hvis det viser sig, at levende stof kun kan skabes ud fra dødt ved at ``inficere'' det med allerede levende stof, så kan reduktionismen forkastes. Ligeledes er det blevet foreslået, at formdannelse i naturen er underkastet et styrende princip, som ikke udspringer af atomernes vekselvirkninger. Men indtil dato, er der intet som tyder på, at reduktionismen ikke skulle være gyldig. Selv kvark-teorien er reduktionistisk på trods af, at de fundamentale partikler ikke kan skilles fra hinanden ved normale temperaturer (men dog i et kort tidsrum efter Big Bang). Reduktionismen som videnskabeligt princip har stået sin prøve gennem tre århundreder uden, at der er gået et eneste skår af den.

Reduktionismen tillader os at forstå naturen som et system af kinesiske æsker med strukturer inden i strukturer. Der er heller ingen antydning af, at der skulle findes en ``bund'' i æskerne, en sidste æske med universets ultimative bestanddele. Hvis den ultimative struktur engang opdages, vil den fundamentale fysik have udspillet sin traditionelle rolle og må så vende sig mod forståelsen af alle de beskrivelsesniveauer, der hviler på det ultimative niveau. Denne udvikling er allerede i gang, selv om det ultimative niveau stadig er (og nok også forbliver) ukendt. Komplekse systemers fysik, som netop har at gøre med modeller for de processer, der foregår på højere beskrivelsesniveauer, tiltrækker i dag en større og større del af de unge fysikere.

Medens vi kan opløse ethvert system i dets bestanddele og deres vekselvirkninger, er det langt sværere at forudsige, hvilke helheder et sæt dele og deres vekselvirkninger kan føre til. Denne ``omvendte reduktionisme'' burde måske benævnes konstruktivisme, men ordet bruges desværre allerede til andre formål. Konstruktivisme (i min forstand) er nødvendigvis en kreativ proces, fordi vi er ude af stand til at foretage en fuldstændig opregning af, hvad der er muligt på et overliggende niveau. Det er denne asymmetri, der gør det svært at forudsige, hvad seks milliarder mennesker kan finde på, eller hvordan ekstragalaktiske civilisationer kan være opbygget.

En sådan asymmetri mellem modsatte retninger bør ikke overraske os. Ligesom det er langt sværere at konstruere end at reducere, er det også langt sværere at sælge end at købe, at skrive end at læse, eller at rejse sig end at falde. Det hævdes ofte, at videnskaben aldrig kunne have forudsagt, at evolutionen ville føre frem til en ko. Det er selvfølgelig korrekt. Med Stephen J. Gould's ord er der alt for mange indefrosne tilfældigheder i evolutionen til, at en sådan forudsigelse skulle være mulig. Men når koen nu engang er frembragt af naturen, kan vi splitte den ad og forstå, hvordan den virker.

Kollektive egenskaber i systemer bestående af mange ``agenter'' kaldes emergente. Sådanne egenskaber tilhører kollektivet af systemets dele og deres vekselvirkninger, snarere end de enkelte agenter. Videnskaben har i flere århundreder arbejdet med det reduktionistiske projekt og splittet alting ad, men der er grunde til at tro, at den i fremtiden vil koncentrere sig mere om den modsatte retning. En systematisk videnskabelig konstruktivisme muliggøres især af de store computere, der i dag tillader os at simulere de kvalificerede gæt, vi har på, hvilken form for organisation der kan findes på højere niveauer end de allerede kendte. Et af de varmeste emner i komplekse systemers fysik angår netværks evner til at selvorganisere, lige fra proteinernes biokemiske netværk, der er selve livets grundlag, og hjernens netværk af nerveceller, der er tankens grundlag, til de netværk af computere, som i dag omspænder kloden.

Den kvantiske virkelighed

Ingen diskussion af fysikkens virkelighed er fuldstændig uden en omtale af kvantemekanikken. På trods af et hundrede års intim omgang med denne teori står fortolkningen af den virkelighed, den åbenbarer, stadig til diskussion. Ikke sådan at forstå, at vi ikke ved, hvordan vi skal beregne atomare effekter. Tværtimod, atomernes struktur og dynamik er overordentlig velforstået gennem beregninger, der til overmåde er bekræftet af eksperimenter. Atomernes fysik er faktisk den allerbedst underbyggede model, vi har for noget område af fysikken. Teori og eksperiment bekræfter hinanden til en relativ præcision, der i visse tilfælde er bedre end ni cifre.

Hvad er så problemet? Kvantemekanikken giver jo en præcis forskrift på, hvorledes resultatet af eksperimenter skal beregnes, så hvorfor ikke bare følge det diktum, der tillægges Københavnerskolen: ``Hold kæft og beregn''. De fleste yngre fysikere mister da heller ingen nattesøvn på grund af subtile kvantemekaniske fortolkningsspørgsmål. Men nogle af de ældre gør!

Den grundlæggende forskel mellem kvantemekanikken og den klassiske mekanik ligger i kvantemekanikkens irreducible indeterminisme. I den klassiske statistiske mekanik opereres der også med indeterminisme, men den skyldes altid ukendskab til de underliggende frihedsgrader. Dette er ganske analogt til statistik over trafikulykker, som ser bort fra de underliggende årsager og blot sammenfatter hyppigheden af forskellige typer ulykker. Hver eneste trafikulykke har ikke desto mindre en underliggende årsag, der dog ikke altid opklares, med mindre det drejer sig om flystyrt, hvor store kræfter sættes ind på opklaringen. I kvantemekanikken kan indeterminismen derimod ikke forklares ved ukendskab til underliggende frihedsgrader. Myndighederne kan af principielle grunde ikke oprette en havarikommission for atomare kollisioner. Indeterminismen er irreducibel og en essentiel del af den mikroskopiske natur.

Kvantemekanikken sætter også grænser for, hvorledes vi taler om virkeligheden. Det er, for eksempel, ikke meningsfuldt i kvantemekanikken at sige ``Denne partikel ligger stille her'', fordi sted og bevægelsesmængde (masse gange hastighed) er komplementære størrelser, der ikke begge kan bestemmes med vilkårlig præcision. Alt kan naturligvis siges, men et udsagn som det ovenstående kan ikke kommunikere noget som helst om den kvantiske verden. At der i denne forstand findes noget meningsløst eller usigeligt, sætter stærke begrænsninger på, hvad vi i sidste ende kan fortælle hinanden om den mikroskopiske virkelighed.

Hvis et ustabilt atom isoleres i en lukket kasse, der først åbnes efter et vist tidsrum, kan atomet enten være henfaldet eller ikke, når kassen åbnes. Kvantemekanikken giver ikke nogen som helst anvisning på, hvorledes det enkelte atom opfører sig. Det, der kan beregnes i kvantemekanikken, er blot sandsynligheden for, at et meget stort antal atomer i hver deres kasse, er henfaldet, når kasserne åbnes igen.

I Københavnerfortolkningen af kvantemekanikken tager man dette helt alvorligt og anser ethvert udsagn om, hvad det enkelte atom har foretaget sig i tiden mellem dets kasse blev lukket og åbnet igen, for meningsløst. Det er således meningsløst at hævde, at atomet har befundet sig i kassen i hele tidsrummet, fordi ethvert forsøg på at konstatere, om det er tilstede, vil ødelægge eksperimentet. Det er faktisk eksperimentelt påvist, at gentagen observation af et atom kan forhindre det i at henfalde. Men når forbindelsen brydes mellem den begivenhed at anbringe et atom i kassen og den handling senere at observere atomet, så kommer årsagssammenhængen i fare. Det er meningsløst at sige, at årsagen til, at atomet henfalder er, at det anbringes i kassen, når vi ikke på nogen måde kan konstatere, at det har været der hele tiden.

Ole Ulfbeck og Aage Bohr har for nylig [4] ført Københavnerfortolkningen til dens logiske afslutning. De indfører betegnelsen klik for den begivenhed, der for eksempel fører til en detektors registrering af, hvad vi kalder en atomkernes henfald. Kvantemekanikken kan intet forudsige om det enkelte klik, men tillader kun statistisk beregning af egenskaberne for enorme ``byger'' af klik. Ethvert klik er et ``lykketræf'', der så at sige sker af sig selv uden nogen årsag. Den klassiske forestilling om kontinuitet og kausalitet må derfor opgives. Ikke nok med det, selve forestillingen om, at atomer og andre mikroskopiske partikler eksisterer, må opgives. Selv om ingen af kvantemekanikkens praktiske forudsigelser ændres, rejser denne teori bestemt nogle dybe filosofiske problemer om, hvad der er virkeligt, og hvad vi kan sige om virkeligheden.

References

[1]
L. M. Trefethen, R. W. Bilger, P. T. Fink, R. E. Luxton, and R. I. Tanner, The Bath-Tub Vortex in the Southern Hemisphere, Nature 207, 1084-5 (1965).

[2]
Se http://www.ems.psu.edu/~ fraser/Bad/BadCoriolis.html

[3]
Thomas S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions, The University of Chicago Press (1970).

[4]
Ole Ulfbeck og Aage Bohr: Genuine Fortuitousness. Where Did That Click Come From?, Foundations of Physics 31, 757-774 (2001)




File translated from TEX by TTH, version 3.00.
On 1 Dec 2002, 19:50.