Dybt inde i fysikkens hjerte er der et heldigt gæt. Det var et utroligt godt gæt, et gæt, der forbliver solidt på trods af tid og eksperimenter, og som nu er et grundlæggende princip i kvantemekanikken.
Det kaldes Born-reglen, og selv om den bruges til forudsigelser, er der ingen, der rigtig forstår, hvordan den fungerer. Men et dristigt nyt forsøg på at omskrive den kan være det gennembrud, vi har ledt efter for endelig at forstå den fuldt ud.
University College London-fysikerne Lluís Masanes og Thomas Galley er gået sammen med Markus Müller fra det østrigske videnskabsakademi for at finde en ny måde at beskrive denne grundlæggende lov i fysikken på.
De er ikke de første til at lede efter dybere sandheder om dette mest forbløffende kvanteprincip. Og, lad os være ærlige, de bliver heller ikke de sidste. Men hvis der skal findes en løsning, vil det sandsynligvis kræve en unik tilgang som deres.
For at forstå, hvad der er så specielt ved Born-reglen, er vi først nødt til at gå lidt tilbage.
Det er blevet en kliché at sige, at kvantemekanikken er underlig. Med katte, der på en gang er levende og døde, og partikler, der teleporterer information på tværs af rum og tid, er vi vant til at se fysikkens kælder som et trylleshow.
Store navne som Schrödinger, Heisenberg og Einstein har en tendens til at få æren, men det er den tyske fysiker og matematiker Max Born, der virkelig fortjener æren for den monumentale hovedpine, som kvantemekanikken leverer.
For at forstå hans bidrag behøver vi blot at se på det hede rod, som fysikerne befandt sig i i begyndelsen af 1920’erne. Atomets struktur var for nylig blevet afsløret som værende bestående af en tæt, positivt ladet kerne omgivet af mindre negativt ladede partikler.
Hvorfor hele systemet ikke kollapsede, var det store spørgsmål, der blev sparket rundt omkring, indtil den franske fysiker Louis de Broglie kom med et dristigt forslag – ligesom lysbølger havde en partikelnatur, kunne de negative elektroner forblive oppe i luften, hvis de også var bølgelignende.
Lysets dualitet var allerede svær nok at sluge. Men at beskrive fast udseende materie, som om den var en bølge på havet, var simpelthen vanvittigt. Alligevel viste eksperimenterne, at det passede godt.
Så kom Born i 1926 med et simpelt forslag – ved at trække på indsigt fra sine kollegers matematik viste han, hvordan disse bølger afspejlede sandsynligheden, og han fandt frem til en regel, der forenede observationer med målinger af tilfældigheder. Denne regel gør det muligt for fysikere at forudsige partiklers position i eksperimenter ved hjælp af de sandsynligheder, der afspejles af amplituderne af disse bølgefunktioner.
Men Borns regel var ikke baseret på et grundlæggende sæt aksiomer eller dybere sandheder om naturen. I et foredrag, som han holdt, da han modtog Nobelprisen i fysik for sit arbejde i 1954, forklarede Born, at aha-øjeblikket opstod i forbindelse med Einsteins arbejde.
“Han havde forsøgt at gøre dualiteten mellem partikler – lyskvanter eller fotoner – og bølger forståelig ved at fortolke kvadratet på de optiske bølgeamplituder som sandsynlighedstæthed for forekomsten af fotoner,” sagde Born.
Det var et inspireret gæt, og et præcist et af slagsen. Men der var ingen grundlæggende aksiomer, ingen grundlæggende love, der trak Born til sin konklusion. Den var rent forudsigelig og sagde intet om dybere principper, der gør en lang række mulige muligheder til en enkelt aktualitet.
Einstein hadede konsekvenserne og hævdede som bekendt, at Gud ikke spiller terninger, og han mente, at kvantemekanikken var en ufuldstændig teori, der ventede på nye brikker for at gøre billedet klart.
Næsten et århundrede senere er disse brikker lige så flygtige som altid. Og Born-reglen sidder stadig i hjertet af den og forudsiger i stilhed uden at afsløre hemmeligheden bag sit valg.
Det, der er brug for, er en omformulering af den berømte lov, som bevarer sin forudsigelseskraft og samtidig antyder yderligere sandheder. Så Masanes, Galley og Muller omarbejdede reglens formulering på baggrund af en håndfuld tilsyneladende trivielle antagelser.
For det første påpegede de, at kvantetilstande beskrives i henhold til mål for størrelse og retning.
For det andet viste de, hvordan disse tilstande kan beskrives i henhold til det, der er kendt som unitaritet. Denne jargon henviser til den information, der forbinder en proces’ start- og slutpunkter. (For at bruge en grov analogi: Vi ved måske ikke, hvordan vi kom hjem fra baren, men den metode, der fik os dertil, beskriver også vejen tilbage.)
Næst antog de, at uanset hvordan vi vælger at gruppere delene i et komplekst kvantesystem, bør det ikke gøre nogen forskel for målingen af den endelige tilstand. At opdele en regnbue i syv farver er et valg, som vi træffer med forbehold af konteksten; naturen er ikke altid optaget af bekvemme opdelinger.
Sidst bekræftede de, at målingen af en kvantetilstand er unik. Når alt er sagt og gjort, ender et utal af muligheder i et solidt svar.
Fra disse enkle udgangspunkter byggede trioen logisk tilbage til Born-reglen. Deres arbejde er tilgængeligt for alle til gennemlæsning på hjemmesiden arxiv.org, der er præ-peer review-webstedet, men det vækker allerede diskussion.
Det er ikke en løsning i sig selv, vel at mærke, da det ikke kan forklare, hvorfor en bølge af muligheder kollapser til den virkelighed, vi observerer.
I stedet viser det, hvordan grundlæggende antagelser kan give anledning til den samme lov, hvilket giver et nyt perspektiv på, hvordan man kan nærme sig problemet.
For nu kaster Gud stadig terningerne retfærdigt og lige. Måske er det sådan her, vi vil fange ham i at snyde.