Kvantvandring

Jag har lite svårt att motivera varför denna blogg, som jag tänkt ska handla om världshistoria, har hamnat i utläggningar om kvantmekanik. Det började med att jag försökte periodisera det som kallas "Big history" i ett inlägg . Då kom jag in på spåret att kvantmekaniska förklaringar har betydelse för vissa av de grundläggande biologiska processerna, som cellandning och fotosyntes. Kvantbiologi är sannolikt en del av förklaringen till livets uppkomst.
I inledningen till David Christian "Maps of time" citeras fysikerna Schrödinger och Murray Gell-Mann, mest för att visa att några av kvantfysikerna själva funderat över sin vetenskaps roll för en större helhetssyn.

Nåväl, jag följde min vanliga arbetsmodell och lånade den populärvetenskapliga bok som verkade bäst och som gick att beställa via Uppsala bibliotek. Det blev "Paradoxen som försvann, Kvantvärlden är konstig men inte så konstig som du tror" av David Lindley (Studenlitteratur, 2002, utkom på engelska 1996). 

David Lindley redogör för att dubbelspaltexperimentet är ett sätt att visa på Heisenbergs osäkerhetsprincip. "Om vi vill veta vilken väg fotonen tog kan vi inte se något interferensmönster. Vill vi se interferensmönstret, kan vi inte ställa frågan vilken väg fotonen tog". Med "att ställa frågan" menar Lindley mätandet. Hela situationen måste beskrivas som en helhet av fotonen och försöksuppställningen, man kan inte tänka på fotonen som oberoende av vad den befinner sig i för sammanhang. Den klassiska Köpenhamnstolkningen av experimenten är Bohrs strikta förbud att försöka föreställa sig vad "fotonen" gjorde innan den detekterades. (sid 71).

Lindley redovisar fler försök som visar på detta, som experiment med Stern-Gerlach-magneter och Wheelers "fördröjt val-experimentet" (delayed choice experiment). Andra viktiga experiment för diskussionen handlar om två fotoner som skickas åt var sitt håll när en partikel sönderfaller och sedan mäts fotonerna på olika vis. Se vidare på EPR-experiment, Bells teorem och Alain Aspect (fransk nobelpristagare, född 1947).

I förra inlägget skrev jag att i dubbelspaltexperimentet "utforskade partikeln båda vägarna samtidigt". Den typen av bildspråk tror jag frångår Niels Bohrs (1885-1962) klassiska tolkning av kvantmekaniken där man inte ger någon bild av vad som pågår när partikel/vågen befinner sig i det som kallas superposition. När man använder bildspråk för vad som sker ligger man närmare den tolkning som döpts efter David Bohm (1917-1992). Han försökte att skapa en tolkning av kvantmekaniken som skulle ge mer förutsägbara beskrivningar av vad som sker med kvantpartiklar. Men i förlängningen har Bohms tolkning medfört att den använts av diverse personer som menat att man bevisat omedelbar påverkan mellan partiklar. Gell-Mann noterar ironiskt att "snabbare än ljuset-kommunikation" lagts till listan av knäppa patentansökningar, efter "evighetsmaskiner" och "antigravitation". Vilket inte hindrar att när man läser om nobelpriset 2012 känns det som att man kommer att hitta tillämpningar som kan få patentverket att häpna.

Men givet att man inte låter bilderna leda till felslut så ska själva den bakomliggande matematiken som Bohm använder enligt Lindley vara densamma som den klassiska kvantmekanikens, utom att Bohm tillför dolda variabler som inte behövs. Det är säkert mer korrekt att följs Bohrs råd och enbart säga att den obestämda partikeln/vågen befinner sig i superposition och nöja sig med det. 

Lindley avslutar sin bok med (möjligen påhittade) historien om hur Einstein inte ville acceptera att kvantmekaniken innebär en fundamental nivå av oförutsägbarhet, och upprepade sin åsikt att "Gud inte spelar tärning" varpå Bohr skulle ha svarat "Sluta tala om för Gud vad han ska göra!". 

Viktigast för mig är det som Lindley klargör på sidan 196. Där förklaras att den "mätning" som krävs för att dekoherens ska ske, dvs att superposititionstillståndet ska kollapsa, kan ske genom att partiklar träffar varandra (i exemplet är det fotoner som träffar månens yta, ännu en referens till en Einstein-historia). Det innebär att det praktiska utrymmet för osannolika kvanthändelser begränsas till utrymmen där inte partiklar stöter ihop så mycket och ofta att dekoherens sker.

I en supraledare finns koherens som gör att partiklarna (elektronerna) inte träffar varandra. Det vill säga att ett markoskopiskt kvanttillstånd kan upprätthållas under speciella betingelser.

Författarna till "Kvantbiologi" berättar om det märkliga att sådana utrymmen kan upprätthållas under kortare tider i biologiska system. Fenomenet de kallar "kvantvandring" har påvisats i klorofyllkomplex genom att laserljus skickats i pulser och man sedan kunnat mäta upp mönster som är besläktade med interferensmönstret i dubbelspaltexperimentet. Detta möjliggör att fotonen som ska ge energi till den gröna cellen kan överföra sin energi till rätt ställe genom att "kvantvandra" alla vägar samtidigt till reaktionscentrum, något som är mycket effektivare än om fotonen skulle ha behövt söka sig fram i en enda sick-sack-bana.

Mer om detta i senare inlägg. Nu kan jag bara notera att "kvantvandring" låter som sådant bildspråk man ska vara försiktig med. Men att det är skickligt användande av sådana bilder som gör "Kvantbiologi" läsvärd.