I det daglige liv forstår vi intuitivt, hvordan verden fungerer. Hvis vi taber et glas, smadrer det til gulvet. Skub en vogn, og den vil rulle videre. Gå hen til en væg, og du kan ikke gå igennem den. Der er meget grundlæggende fysiske love, der gælder overalt omkring os, som vi instinktivt forstår: tyngdekraften får ting til at falde til jorden, at skubbe til noget får det til at bevæge sig, at to ting ikke kan være på samme sted på samme tid.

Ved århundredeskiftet troede forskerne, at alle disse grundlæggende regler burde gælde for alt i naturen – men så begyndte de at studere verdenen af det ultrasmå. Atomer, elektroner, lysbølger, ingen af disse ting fulgte de normale regler. Da fysikere som Niels Bohr og Albert Einstein begyndte at studere partikler, opdagede de nye fysiklove, som var ligefrem skæve. Det var kvantemekanikkens love, og de har fået deres navn fra Max Plancks arbejde.

“En desperat handling”

I 1900 var Max Planck fysiker i Berlin og studerede noget, der blev kaldt “den ultraviolette katastrofe”. Problemet var, at fysikkens love forudsagde, at hvis man opvarmer en kasse på en sådan måde, at intet lys kan komme ud (kendt som en “sort kasse”), så skulle den producere en uendelig mængde ultraviolet stråling. I virkeligheden skete der ikke noget sådant: kassen udstrålede forskellige farver, rød, blå og hvid, ligesom opvarmet metal gør, men der var ingen uendelig mængde af noget som helst. Det gav ikke nogen mening. Det var fysiklove, der perfekt beskrev, hvordan lyset opførte sig uden for kassen – hvorfor beskrev de ikke præcist dette scenario med den sorte kasse?

Planck forsøgte sig med et matematisk trick. Han formodede, at lyset i virkeligheden ikke var en kontinuerlig bølge, som alle antog, men måske kun kunne eksistere med bestemte mængder, eller “kvanta”, af energi. Planck troede ikke rigtig på, at dette var sandt om lyset, faktisk omtalte han senere dette matematiske trick som “en desperationshandling”. Men med denne justering virkede ligningerne og beskrev æskens stråling nøjagtigt.

Det tog et stykke tid, før alle var enige om, hvad dette betød, men til sidst fortolkede Albert Einstein Plancks ligninger således, at lys kan opfattes som diskrete partikler, ligesom elektroner eller protoner. I 1926 gav Berkeley-fysikeren Gilbert Lewis dem navnet fotoner.

Quanta, quanta overalt

Denne idé om, at partikler kun kunne indeholde klumper af energi i bestemte størrelser, flyttede sig også ind på andre områder af fysikken. I løbet af det næste årti inddrog Niels Bohr den i sin beskrivelse af, hvordan et atom fungerede. Han sagde, at elektroner, der bevæger sig rundt om en kerne, ikke kunne have vilkårligt små eller vilkårligt store mængder energi, de kunne kun have multipla af et standard-“kvantum” af energi.

Eventuelt indså forskerne, at dette forklarede, hvorfor nogle materialer er el-ledere, og andre ikke er det – fordi atomer med elektronbaner med forskellig energi leder elektricitet forskelligt. Denne forståelse var afgørende for opbygningen af en transistor, da krystallen i dens kerne er fremstillet ved at blande materialer med forskellige mængder af ledningsevne.

Men de er også bølger

Her er en af de finurlige ting ved kvantemekanikken: Bare fordi en elektron eller en foton kan opfattes som en partikel, betyder det ikke, at de ikke også kan opfattes som en bølge. Faktisk opfører lys sig i mange eksperimenter meget mere som en bølge end som en partikel.

Denne bølgenatur giver nogle interessante virkninger. Hvis for eksempel en elektron, der bevæger sig rundt om en kerne, opfører sig som en bølge, så bliver dens position på et hvilket som helst tidspunkt uklar. I stedet for at befinde sig i et konkret punkt, er elektronen spredt ud i rummet. Denne udtværing betyder, at elektronerne ikke altid bevæger sig helt på den måde, man ville forvente. I modsætning til vand, der strømmer i én retning gennem en slange, kan elektroner, der bevæger sig som elektrisk strøm, nogle gange følge mærkelige baner, især hvis de bevæger sig tæt på overfladen af et materiale. Desuden kan elektroner, der opfører sig som en bølge, nogle gange grave sig lige igennem en barriere. Det var nødvendigt at forstå denne mærkelige opførsel af elektroner, da forskerne forsøgte at kontrollere, hvordan strømmen flød gennem de første transistorer.

Så hvad er det – en partikel eller en bølge?

Videnskabsfolk fortolker kvantemekanikken således, at et lille stykke materiale som f.eks. en foton eller en elektron både er en partikel og en bølge. Det kan være begge dele, alt efter hvordan man ser på det, eller hvilken slags eksperiment man laver. Faktisk er det måske mere korrekt at sige, at fotoner og elektroner hverken er en partikel eller en bølge – de er udefinerede indtil det øjeblik, hvor nogen ser på dem eller udfører et eksperiment, og dermed tvinges de til at være enten en partikel eller en bølge.

Dette kommer med andre bivirkninger: nemlig at en række egenskaber for partikler ikke er veldefinerede. For eksempel er der en teori af Werner Heisenberg, som kaldes usikkerhedsprincippet. Den siger, at hvis en forsker ønsker at måle en partikels hastighed og position, kan han ikke gøre begge dele særlig nøjagtigt. Hvis han måler hastigheden omhyggeligt, kan han ikke måle positionen nær så godt. Det betyder ikke bare, at han ikke har tilstrækkeligt gode måleinstrumenter – det er mere grundlæggende end som så. Hvis hastigheden er veletableret, så findes der simpelthen ikke en veletableret position (elektronen er smurt ud som en bølge) og omvendt.

Albert Einstein brød sig ikke om denne idé. Da han blev konfronteret med forestillingen om, at fysikkens love gav plads til en sådan uklarhed, meddelte han: “Gud spiller ikke terninger med universet”. Ikke desto mindre accepterer de fleste fysikere i dag kvantemekanikkens love som en præcis beskrivelse af den subatomare verden. Og det var helt sikkert en grundig forståelse af disse nye love, der hjalp Bardeen, Brattain og Shockley med at opfinde transistoren.

Ressourcer:
— Hvor bliver det mærkelige af? Why Quantum Mechanics is Strange, But Not as Strange as You Think, David Lindley
— What is Quantum Mechanics? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein udstilling på det amerikanske institut for fysik
— Heisenberg udstilling på det amerikanske institut for fysik