I det dagliga livet förstår vi intuitivt hur världen fungerar. Om vi tappar ett glas krossas det på golvet. Skjut en vagn och den rullar vidare. Gå fram till en vägg och du kan inte gå igenom den. Det finns mycket grundläggande fysikaliska lagar som gäller runt omkring oss och som vi instinktivt förstår: gravitationen får saker att falla till marken, att knuffa något får det att röra sig, att två saker inte kan befinna sig på samma plats samtidigt.

Vid sekelskiftet 1900 trodde vetenskapsmännen att alla sådana grundläggande regler borde gälla för allt i naturen – men sedan började de studera världen av det extremt lilla. Atomer, elektroner, ljusvågor, ingen av dessa saker följde de normala reglerna. När fysiker som Niels Bohr och Albert Einstein började studera partiklar upptäckte de nya fysikaliska lagar som var rent ut sagt märkliga. Dessa var kvantmekanikens lagar, och de fick sitt namn från Max Plancks arbete.

”En desperat handling”

År 1900 var Max Planck fysiker i Berlin och studerade något som kallades ”den ultravioletta katastrofen”. Problemet var att fysikens lagar förutspådde att om man värmer upp en låda på ett sådant sätt att inget ljus kan komma ut (en så kallad ”svart låda”), skulle den producera en oändlig mängd ultraviolett strålning. I verkligheten hände inget sådant: lådan utstrålade olika färger, rött, blått, vitt, precis som upphettad metall gör, men det fanns ingen oändlig mängd av någonting. Det var inte logiskt. Dessa fysikaliska lagar beskrev perfekt hur ljuset betedde sig utanför lådan – varför beskrev de inte exakt detta scenario med den svarta lådan?

Planck försökte sig på ett matematiskt trick. Han antog att ljuset egentligen inte var en kontinuerlig våg som alla antog, utan kanske kunde existera med endast specifika mängder, eller ”kvanta”, av energi. Planck trodde egentligen inte att detta var sant om ljuset, faktum är att han senare refererade till detta matematiska trick som ”en desperationshandling”. Men med denna justering fungerade ekvationerna och beskrev exakt lådans strålning.

Det tog ett tag innan alla var överens om vad detta betydde, men så småningom tolkade Albert Einstein Plancks ekvationer som att ljuset kan betraktas som diskreta partiklar, precis som elektroner eller protoner. År 1926 gav Berkeley-fysikern Gilbert Lewis dem namnet fotoner.

Quanta, quanta överallt

Denna idé om att partiklar endast kunde innehålla energibitar i vissa storlekar flyttade in även på andra områden inom fysiken. Under det följande decenniet drog Niels Bohr in den i sin beskrivning av hur en atom fungerar. Han sade att elektroner som rörde sig runt en kärna inte kunde ha godtyckligt små eller godtyckligt stora mängder energi, de kunde bara ha multiplar av ett standard-”kvantum” av energi.

Slutligt insåg vetenskapsmännen att detta förklarade varför vissa material är elektriska ledare och andra inte – eftersom atomer med elektronbanor med olika energi leder elektricitet på olika sätt. Denna insikt var avgörande för att bygga en transistor, eftersom kristallen i dess kärna tillverkas genom att blanda material med varierande ledningsförmåga.

Men de är också vågor

Här är en av de märkliga sakerna med kvantmekaniken: bara för att en elektron eller en foton kan betraktas som en partikel betyder det inte att de inte också kan betraktas som en våg. I många experiment fungerar ljuset faktiskt mycket mer som en våg än som en partikel.

Denna vågnatur ger upphov till en del intressanta effekter. Om till exempel en elektron som färdas runt en atomkärna beter sig som en våg, blir dess position vid varje tidpunkt oklar. Istället för att befinna sig i en konkret punkt är elektronen utspridd i rummet. Denna utsmetning innebär att elektronerna inte alltid färdas helt på det sätt som man skulle kunna förvänta sig. Till skillnad från vatten som rinner i en riktning genom en slang kan elektroner som rör sig som elektrisk ström ibland följa konstiga banor, särskilt om de rör sig nära ytan av ett material. Dessutom kan elektroner som agerar som en våg ibland gräva sig rakt igenom en barriär. Det var nödvändigt att förstå detta märkliga beteende hos elektroner när forskarna försökte kontrollera hur strömmen flödade genom de första transistorerna.

Så vad är det – en partikel eller en våg?

Vetenskapsmännen tolkar kvantmekaniken så att en liten bit material som en foton eller elektron är både en partikel och en våg. Den kan vara antingen eller, beroende på hur man ser på den eller vilken typ av experiment man gör. Faktum är att det kanske är mer korrekt att säga att fotoner och elektroner varken är en partikel eller en våg – de är odefinierade fram till det ögonblick då någon tittar på dem eller utför ett experiment, vilket tvingar dem att vara antingen en partikel eller en våg.

Detta kommer med andra bieffekter: nämligen att ett antal egenskaper för partiklar inte är väldefinierade. Det finns till exempel en teori av Werner Heisenberg som kallas för osäkerhetsprincipen. Den säger att om en forskare vill mäta en partikels hastighet och position kan han inte göra båda sakerna särskilt exakt. Om han mäter hastigheten noggrant kan han inte mäta positionen lika bra. Detta betyder inte bara att han inte har tillräckligt bra mätverktyg – det är mer grundläggande än så. Om hastigheten är välbestämd så finns det helt enkelt ingen välbestämd position (elektronen är utspridd som en våg) och vice versa.

Albert Einstein ogillade denna idé. När han konfronterades med uppfattningen att fysikens lagar lämnade utrymme för en sådan vaghet meddelade han: ”Gud spelar inte tärning med universum”. Trots detta accepterar de flesta fysiker idag kvantmekanikens lagar som en korrekt beskrivning av den subatomära världen. Och det var säkert en grundlig förståelse av dessa nya lagar som hjälpte Bardeen, Brattain och Shockley att uppfinna transistorn.

Resurser:
— Vart tar det konstiga vägen? 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 exhibition at the American Institute of Physics
— Heisenberg exhibition at the American Institute of Physics