Rafflande forskardrama

I huvudrollerna har vi:

En dansk profet som levererar sina kryptiska budskap om verklighetens oåtkomlighet inifrån ett moln av rök.

En promiskuös österrikare med förkärlek för unga flickor och en grundmurad uppfattning om fysikvetenskapens uppgift.

Och, en radikal tänkare som, efter att ha kullkastat snart sagt alla mänskliga förgivettaganden om tid och rum, åldras till en konservativ skeptiker som krampaktigt klamrar sig fast vid idén om en fast yttre verklighet.

Men Niels Bohr, Erwin Schrödinger och Albert Einstein är förstås långt ifrån ensamma på scenen – en mängd andra aktörer, med namn som Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, David Bohm och Paul Dirac gör strax sitt inträde. Det är ett skådespel vars konflikt djupnar allt eftersom handlingen utvecklar sig: Från att till en början ha rört meningsskiljaktigheter om ljusets natur – våg eller partikel? – kommer det så småningom att handla om något långt mycket mer fundamentalt än så, nämligen om huruvida verkligheten existerar oberoende av om någon observerar den eller ej. Eller mer konkret, för att parafrasera en klassisk artikel i ämnet av fysikern David Mermin: om huruvida månen är där också när ingen tittar på den.

Som titel på en bok som skildrar kvantmekanikens framväxt och de därpå följande striderna om hur den ska tolkas är Quantum Drama, med andra ord, en titel med fog för sig. Dramats två nedtecknare, Jim Baggott och John Heilbron, är vetenskapsjournalist med forskarbakgrund respektive fysiker och historiker. Heilbron är numera avliden men var före sin död inbegripen i forskning som involverade flera av bokens centrala aktörer, och gammal nog att också ha mött dem medan de ännu var i livet.

Dramatiken står att finna såväl i formuleringen av nya omstörtande teorier som i forskarnas inte sällan stormiga mellanhavanden, och alltihop utspelar sig under en minst lika omvälvande tidsepok. Mindre än ett decennium efter Einsteins arbete om den fotoelektriska effekten tar första världskriget sin början, och som författarna konstaterar präglar de politiska förhållandena också fysikens tänkare: ”Den klassiska fysiken […] återspeglade den politiska och sociala stabilitet som rådde under dess glansdagar. Kvantmekaniken, med sitt avvisande av normerna hos den regim som var krigets upphov, och med sin betoning av mikrovärldens okontrollerbara, icke-kausala, osäkra beteende”, stämde väl överens med den övergripande osäkerhet som var ett såväl politiskt som so­cialt faktum under det 1920- och 30-tal då teorin utvecklades.

Och det som för fysikernas vidkommande stod på spel under denna turbulenta tid var alltså ingenting mindre än verkligheten, eller åtminstone vetenskapens möjligheter att beskriva denna verklighet. Ett kvantmekaniskt system kunde uppenbarligen representeras av lösningen till den vågekvation som Erwin Schrödinger formulerade 1925 och som bär hans namn – men exakt vad innebar det? Att det kvantmekaniska systemet var en våg? Att dess rörelse i tid och rum styrdes av en våg? Eller förhöll det sig så som Niels Bohr gjorde gällande, att denna våg liksom kvantteorin som helhet skulle förstås som ”fullständigt symbolisk”, att den var ett redskap för fysikern att förutsäga utfallet av experiment och observationer, varken mer eller mindre än så? Denna hållning – att alla frågor om den verklighet som underligger fysikens ekvationer och mätresultat är menings­lösa – utgör grunden för det som så småningom kom att bli känt som Köpenhamnstolkningen, och vars främste förespråkare var just Bohr.

En fråga kom så småningom att bli central för förståelsen av den kvantmekaniska teorin, nämligen vad som sker i det ögonblick då fysikern utför en mätning i laboratoriet. Mätprocessen är det sätt på vilket vi kan försätta oss i kontakt med den subatomära verkligheten, men denna handling är i ett kvantfysikaliskt sammanhang allt annat än neutral. Schrödingers vågfunktion, som på ett fullständigt deterministiskt sätt beskriver elektronens utveckling i tiden som en fluktue­rande summa av möjligheter, kollapsar i mätögonblicket till ett enda fastställt faktum, och den gör det på ett till synes helt slumpmässigt sätt.

Det är ett faktum som väckte, och fortsätter att väcka, många frågor. En av dem: Vilket var i så fall egentligen elektronens tillstånd innan vi mätte? Befann den sig i alla sina möjliga tillstånd? Eller i inget av dem? Bohrs, och Köpenhamnstolkningens, svar: Dessa frågor saknar mening. Verkligheten kommer för alltid att undfly våra beskrivningar. Vi har en matematisk apparat som fungerar, och vi har våra vardagliga språkliga begrepp som troligen inte har någonting alls med den subatomära existensen att göra, men det är med deras hjälp som vi har att försöka hitta ett sätt att tala om det vi faktiskt kan observera – mer än så kan vi inte begära, och detta är också just vad kvantmekaniken erbjuder oss.

Som svar på alla de gåtor och paradoxer som kvantmekaniken tycktes framställa formulerade Bohr den så kallade komplementaritetsprincipen, en idé som för honom själv så småningom kom att växa till en hel filosofi, möjlig att applicera också på andra skenbara motsättningar, som exempelvis den mellan determinism och människans fria vilja. Enligt kollegan Leon Rosenfeld ska han till och med ha yttrat att komplementariteten ”bättre än någon religion […] skulle kunna erbjuda människor den vägledning de behöver”. Ljuset framträder ibland som våg, ibland som partikel – vilken skepnad vi ser det i beror på med vilka medel vi betraktar det, och det väsentliga är att ingen verklig motsägelse någonsin uppstår, eftersom det alltid är det ena eller det andra, aldrig båda på en gång. Hur världen framträder för oss beror på ur vilken vinkel vi betraktar den, var Bohrs budskap, oavsett om det gäller kvantmekaniska partiklar eller det mänskliga sinnet.

En dramatisk höjdpunkt i bokens oavbrutet rafflande skådespel är den femte Solvaykonferensen 1927, under vilken ett berömt utbyte mellan Bohr och Einstein äger rum. Bohrs Köpenhamnstolkning kom, med sitt avvisande beträffande fysikens möjligheter att nå fram till tingens kärna, så småningom att bli dominerande inom fysikersamfundet, även om aktörer som Schrödinger såg den som ”en smärtsam begränsning av vår rätt till sanning och klarhet”. En som med fruktansvärd kraft vägrade att acceptera att kvantmekaniken skulle utgöra det sista ordet om verkligheten var emellertid just Einstein, och han lade avsevärda ansträngningar på att försöka beslå teorin med motsägelser eller logiska felslut. Ett arbete som alltså pågick intensivt under nämnda konferens, här i målande referat av kollegan Paul Ehrenfest: ”Einstein hela tiden med nya exempel […] Bohr som bland sina filosofiska rökmoln konstant söker efter redskapen för att krossa ett exempel efter ett annat. Einstein som gubben i lådan: hoppar upp med nya försök varje morgon. […] Hans attityd mot Bohr är exakt densamma som [relativitetsteorins motståndare] anlägger mot honom själv.” ”!!!!!!!BRAVO BOHR!!!!!!”

Det flöde av exempel med vilka Einstein under denna och senare konferenser ansatte Bohr kom så småningom att leda fram till ett av den moderna fysikens mer berömda experiment. I en artikel författad tillsammans med kollegerna Boris Podolsky och Nathan Rosen, också den ämnad att visa på kvantmekanikens ofullständighet, använde sig Einstein av det faktumet att en kvantmekanisk partikel har vissa egenskaper som är komplementära i Bohrs mening, och vars värden således inte kan bestämmas exakt på en och samma gång. Det är egenskaper av detta slag som beskrivs av Heisenbergs osäkerhetsrelationer: Om vi känner ett exakt värde för en elektrons rörelsemängd, till exempel, vet vi i princip ingenting alls om dess värde, och tvärtom.

Genom att använda sig av ett partikelpar i det som senare skulle komma att bli känt som ett sammanflätat tillstånd, och som kännetecknas av att kännedom om den ena partikelns egenskaper medför kunskap också om den andras, ansåg sig EPR ha visat att den kvantmekaniska ortodoxin att en partikel inte samtidigt kan vara i besittning av en bestämd rörelsemängd och ett bestämt läge var felaktig. Vi kan ju, argumenterade de tre författarna, få kännedom om den första partikelns egenskaper genom att utföra en mätning på den andra, också om de två partiklarna befinner sig långt ifrån varandra och inte längre kan påverka varandra på något sätt. Och eftersom den första partikeln omöjligt kan veta vilken egenskap vi kommer att efterfråga hos den andra, måste den helt enkelt ha haft bestämda värden på samtliga sina egenskaper hela tiden: ”Om vi, utan att på något sätt påverka ett system, med säkerhet […] kan förutsäga värdet på en fysikalisk storhet, måste det existera ett element av verkligheten som svarar mot denna fysikaliska storhet.”

Det visade sig emellertid vara en felaktig slutsats. 1964, knappt trettio år efter publiceringen av EPR:s artikel, kunde nordirländaren John Stewart Bell visa att en variant av EPR:s tankeexperiment kunde användas för att avgöra frågan om huruvida Einsteins ”element av verkligheten” faktiskt existerar innan vi utför en mätning. Och ytterligare knappt 20 år senare kunde frågan anses vara avgjord tack vare de experiment för vilka fransmannen Alain Aspect tilldelades Nobelpriset i fysik 2022. Svaret var nej.

Det måste sägas vara kulmen på det drama mot vars spelplats Baggott och Heilbron skickligt riktar sina strålkastare: Att ”strävan efter att använda det naturliga språket för att beskriva ständigt mer sofistikerade experiment på mikrovärlden”, som författarna uttrycker det, ”tycks ha gjort världen renons på ting”. Om tillvarons minsta beståndsdelar inte är någonting alls innan vi med våra mätningar tvingar dem till att vara det, vad är det i så fall för en värld vi lever i? Av vad kan den då sägas bestå? Och ännu mer oroande: Hur ska vi förstå det faktum att gränsen mellan mikrovärld och makrovärld ännu inte är funnen? Under tillräckligt ostörda omständigheter tycks också makroskopiska, till och med levande, objekt kunna fås att existera i kvantmekanikens på djupet obestämda tillstånd. Kanske är det bara en tidsfråga innan ­Schrödingers katt – den tankefigur med vars hjälp Erwin Schrödinger en gång sökte påtala kvantteorins orimlighet – faktiskt sitter i en låda och är levande och död på samma gång.

Baggotts och Heilbrons bok låter sig, med sin sällsynta kombination av vetenskaplig klarhet, språklig finess, teknisk detaljrikedom och sociologisk insikt, verkligen läsas som ett drama – fängslande lika mycket på grund av forskarnas sammandrabbningar och personliga våndor, som på grund av den teori som så småningom skulle komma att bli summan av deras kamp. Men fängslande i ännu högre grad på grund av den undflyende verklighet som deras experiment och ekvationer hela tiden sträcker sig mot, men av vilken de som bäst tycks förmögna att fånga blott en bråkdel. Den, som i själva verket innehade huvudrollen hela tiden, mäktigt tigande, medan fysikerna larmade och gjorde sig till.