Djupt i fysikens hjärta finns en lycklig gissning. Det var en otroligt bra gissning, en gissning som förblir solid trots tid och experiment, och som nu är en grundläggande princip inom kvantmekaniken.
Den kallas Bornregeln, och även om den används för förutsägelser är det ingen som riktigt förstår hur den fungerar. Men ett djärvt nytt försök att skriva om den kan vara det genombrott vi har letat efter för att äntligen förstå den fullt ut.
University College London-fysikerna Lluís Masanes och Thomas Galley har samarbetat med Markus Müller från den österrikiska vetenskapsakademin för att hitta ett nytt sätt att beskriva denna grundläggande fysikaliska lag.
De är inte de första som letar efter djupare sanningar om denna mest häpnadsväckande kvantprincip. Och, låt oss vara ärliga, de kommer inte att vara de sista. Men om det finns en lösning att hitta, kommer den förmodligen att kräva ett unikt tillvägagångssätt som deras.
För att förstå vad som är så speciellt med Born-regeln måste vi backa lite.
Det har blivit en klyscha att säga att kvantmekaniken är konstig. Med katter som på en gång är levande och döda och partiklar som teleporterar information över tid och rum är vi vana vid att se fysikens källare som en magisk show.
Stora namn som Schrödinger, Heisenberg och Einstein tenderar att få äran, men det är den tyske fysikern och matematikern Max Born som verkligen förtjänar äran för den monumentala huvudvärk som kvantmekaniken levererar.
För att förstå hans bidrag behöver vi bara titta på den heta röra som fysikerna befann sig i i början av 1920-talet. Atomens struktur hade nyligen visat sig bestå av en tät, positivt laddad atomkärna omgiven av mindre negativt laddade partiklar.
Varför hela systemet inte kollapsade var den stora frågan som diskuterades, tills den franske fysikern Louis de Broglie kom med ett djärvt förslag – precis som ljusets vågor var av partikelkaraktär kunde de negativa elektronerna hålla sig i luften om de också var vågliknande.
Ljusets dualitet var redan svår nog att svälja. Men att beskriva fast skenbar materia som om den vore en våg på havet var helt enkelt vansinnigt. Ändå visade experimenten att det stämde bra.
Då, 1926, kom Born med ett enkelt förslag – genom att dra nytta av sina kollegers matematik visade han hur dessa vågor reflekterade sannolikheten och kom fram till en regel som förenade observationer med mått på slumpen. Denna regel gör det möjligt för fysikerna att förutsäga partiklars position i experiment med hjälp av de sannolikheter som återspeglas av amplituderna i dessa vågfunktioner.
Men Borns regel byggde inte på någon grundläggande uppsättning axiom, eller djupare sanningar om naturen. I en föreläsning som han höll när han 1954 fick Nobelpriset i fysik för sitt arbete förklarade Born att aha-upplevelsen uppstod i samband med Einsteins arbete.
”Han hade försökt göra dualiteten mellan partiklar – ljuskvanta eller fotoner – och vågor begriplig genom att tolka kvadraten på amplituderna av de optiska vågorna som sannolikhetstäthet för förekomsten av fotoner”, sade Born.
Det var en inspirerad gissning, och dessutom en korrekt sådan. Men det fanns inga grundläggande axiom, inga grundläggande lagar som drog Born till sin slutsats. Den var rent förutsägande och sa ingenting om djupare principer som förvandlar en mängd möjliga antaganden till en enda verklighet.
Einstein hatade konsekvenserna och hävdade som bekant att Gud inte spelar tärning, och han ansåg att kvantmekaniken var en ofullständig teori som väntade på nya bitar för att klargöra bilden.
Nästan ett sekel senare är dessa bitar lika svårfångade som någonsin. Och Bornregeln sitter fortfarande i hjärtat av den, och förutsäger tyst utan att avslöja hemligheten bakom sitt val.
Vad som behövs är en omformulering av den berömda lagen som behåller sin förmåga att förutsäga samtidigt som den antyder ytterligare sanningar. Så Masanes, Galley och Muller omarbetade regelns formulering utifrån en handfull till synes triviala antaganden.
För det första påpekade de att kvanttillstånd beskrivs enligt mått på storlek och riktning.
För det andra visade de hur dessa tillstånd kan beskrivas enligt det som kallas för unitaritet. Denna jargong avser den information som förbinder en process start- och slutpunkter. (För att använda en grov analogi, vi kanske inte vet hur vi kom hem från baren, men den metod som tog oss dit beskriver också vägen tillbaka.)
Nästan antog de hur vi än väljer att gruppera delarna i ett komplext kvantsystem, borde det inte göra någon skillnad för mätningen av det slutliga tillståndet. Att dela upp en regnbåge i sju färger är ett val som vi gör beroende på sammanhanget; naturen är inte alltid intresserad av bekväma uppdelningar.
Sist bekräftade de att mätningen av ett kvanttillstånd är unik. När allt är sagt och gjort slutar en myriad av möjligheter med ett solitt svar.
Från dessa enkla utgångspunkter byggde trion logiskt tillbaka till Bornregeln. Deras arbete är tillgängligt för vem som helst att läsa igenom på webbplatsen arxiv.org, men väcker redan diskussion.
Det är inte en lösning i sig självt, märk väl, eftersom det inte lyckas förklara varför en våg av möjligheter kollapsar till den verklighet vi observerar.
Istället visar det hur fundamentala antaganden kan ge upphov till samma lag, vilket ger ett nytt perspektiv på hur man kan närma sig problemet.
För tillfället rullar Gud fortfarande tärningarna rättvist och korrekt. Kanske är det så här vi kommer att ta honom på bar gärning när han fuskar.