Poppers kvantemekaniske eksperiment

Vitenskapsfilosofen Karl Popper (1902–1994) har ved flere anledninger foreslått et eksperiment for å teste en utbredt tolkning av kvantemekanikken. I likhet med de bedre kjente tankeeksperimentene av Erwin Schrödinger («Schrödingers katt») og Einstein, Podolsky & Rosen («EPR-argumentet») er Poppers eksperiment et forsøk på å føre kvantemekanikkens subjektivistiske tolkning (København-tolkninga) ad absurdum.

Popper aksepterte fullt ut Heisenbergs uskarphetsrelasjon (usikkerhetsprinsippet), men tolket den annerledes enn relasjonens oppdager – nemlig som en statistisk naturlov, ikke som et utsagn om menneskelig kunnskap. Eksperimentet var altså ikke ment som en test av kvantemekanikken eller av uskarphetsrelasjonen, men av deres tolkning. Popper så på eksperimentet som en kritisk test, som vil si at et testresultat i tråd med Poppers forutsigelse ville innebære falsifikasjonen («motbeviset») av kvantemekanikkens København-tolkning.

Eksperimentet ble gjennomført i 1999, og resultatet var i tråd med Poppers forutsigelse. Det er imidlertid uenighet om eksperimentet virkelig representerer en kritisk test, dvs. en falsifikasjon av København-tolkninga.

Bakgrunn 
Kvantemekanikken en veldig suksessrik teori i den forstand at den gir en matematisk elegant og koherent beskrivelse av den subatomare virkeligheten og at den kan gjøre presise forutsigelser av utfallet til mange fysiske og kjemiske eksperimenter. Samtidig er kvantemekanikken uforenlig med både «sunn fornuft» og klassisk fysikk. Dette innebærer at kvantemekanikkens utsagn kan tolkes på ulike måter: De ulike tolkningene tar utgangspunkt i de samme matematiske formalismene, men tillegger dem ulike fysiske betydninger.

En av de første og mest utbredte tolkningene er København-tolkninga, som i all hovedsak baserer seg på Niels Bohrs og Werner Heisenbergs oppfatninger. Ifølge København-tolkninga anses f.eks. posisjonen til partikler for å være udefinerte inntil de blir målt; og samme kvanteobjekt anses for å kunne være både partikkel og bølge, avhengig av hva observatøren velger å måle ved objektet.

Popper var dypt uenig i København-tolkninga, spesielt i det han anså som dens anti-realistiske (instrumentalistiske/subjektivistiske) og anti-rasjonalistiske (positivistiske/empiristiske) implikasjoner. Popper tvilte altså vel å merke ikke på kvantemekanikken som sådan, men forfekta en realistisk og indeterministisk tolkning av kvantemekanikken. Han prøvde å vise at nøkkelen lå i å forstå sannsynligheter ikke som subjektive (bayesianske) mål på kunnskap, men som objektive propensiteter: «hvis vi tolker kvanteteorien som en teori om fysiske propensiteter, så kan vi løse alle de problemene som lå til grunn for København-tolkningas fremvekst.» På denne bakgrunn foreslo Popper en egen tolkning av kvantemekanikken:
 Han godtok f.eks. Heisenbergs matematiske beskrivelse av uskarphetsrelasjonen («Heisenberg-formelen», som han kalte den), men var uenig i Heisenbergs interpretasjon av denne formelen som en «ubestemthetsrelasjon». Istedenfor mente han at hver enkelt partikkel har en nøyaktig definert og målbar posisjon (bane) og bevegelsesmengde.. Heisenberg-formelen angir bare spredninga som partikler blir utsatt for ved måling, slik at forutsigelsen av partiklenes egenskaper etter en måling kun er mulig som et statistisk utsagn.
 Popper avviste bølge–partikkel-dualiteten som en kategorifeil. Ifølge ham er en partikkel alltid en partikkel, men noen av partikkelens egenskaper kan beskrives gjennom en bølgefunksjon. Å påstå at partikkel og bølge er samme sak, er som å påstå at en terning og en sannsynlighet på 1/6 er samme sak.
 Popper kritiserte bølgefunksjonens kollaps for å være en enkel misforståelse, som ikke har noe med kvantemekanikk, men med statistikk å gjøre. Å påstå at en bølgefunksjon kollapser når en observatør gjør en måling, er som å påstå at en terning som vi har kasta i blinde, får sekstallet på oversida først når vi ser etter. (Og å påstå at en slik effekt er ikke-lokal, er som å påstå at informasjonen om at terningens ettall har havna nederst, forplanter seg med overlyshastiget fra terningens over- til underside i det øyeblikket vi ser etter.)

Poppers ulike forslag til eksperiment 

Popper publiserte sitt første kvantemekaniske tankeeksperiment i 1934, men dette forslaget ble kritisert av Weizsäcker, Heisenberg og Einstein for å være prinsipielt umulig. Popper innså feilen og trakk tilbake forslaget, men opprettholdt sin kritikk av København-tolkninga. Blant annet uttrykte han sin støtte til argumentet som Einstein publiserte i 1935 og som «har slående likheter» med Poppers forslag.

Popper foreslo nye versjoner av eksperimentet i 1981 og 1982.. Senere fremhevet han ved flere anledninger betydninga av å få gjennomført et slikt eksperiment. I Poppers levetid ble det nye eksperimentforslaget kritisert ved et par anledninger, men uten at det fikk Popper til å skifte mening.

Eksperimentet kan kort beskrives slik: Par av partikler (Popper foreslår positroner) som har interagert med hverandre, sendes ut i motsatt retning fra kilden. To skjermer A og B med spalter står i samme avstand på motsatte sider av kilden, og partikler som passerer gjennom spaltene registreres av sett av geigertellere. Når begge spaltene gjøres smalere, øker spredninga av partiklene bak de to skjermene i tråd med Heisenbergs uskarphetsrelasjon (smalere spalter gjør bestemmelsen av posisjonen mer presis, altså blir bestemmelsen av bevegelsesmengden mindre presis). Spørsmålet er hva som skjer når spalten i bare én av skjermene (A) gjøres smalere. Siden partikelparene har interagert før de ble sendt ut, er de «sammenfiltra», og en forbedra posisjonsbestemmelse av den ene partikkelen i et par øker derfor også vår kunnskap om posisjonen til den andre partikkelen.
 Ifølge (Poppers forståelse av) København-tolkninga er den mindre presise bestemmelsen av bevegelsesmengden et resultat av vår kunnskap om partikkelen. Siden kunnskapen har økt, vil spredninga av partiklene også bak skjerm B øke, som om spalten i skjerm B også hadde blitt gjort smalere (men til tross for at den ikke har blitt gjort smalere).
 Ifølge Poppers hypotese er den mindre presise bestemmelsen av bevegelsesmengden et resultat av de statistiske egenskapene til et utvalg med partikler. Derfor øker partikkelspredninga bare bak skjerm A, mens partikkelspredninga bak skjerm B er upåvirka av hva som skjer med skjerm A.

Gjennomføring av eksperimentet 

1999 (fem år etter Poppers død) utførte Yoon-Ho Kim og Yanhua Shih eksperimentet i praksis. Funnene deres er i tråd med Poppers forutsigelse: Spredninga bak skjerm A øker, den bak skjerm B gjør det ikke.

Med forfatternes ord:
«Det er forbausende å se at de eksperimentelle resultatene er i overensstemmelse med Poppers forutsigelse. Gjennom kvantesammenfiltring kan man få rede på nøyaktig kunnskap om posisjonen til et foton, og ville derfor ifølge den vanlige København-tolkninga av usikkerhetsrelasjonene forvente en større usikkerhet i [fotonets] bevegelsesmengde. Målinga viser imidlertid at bevegelsesmengden ikke erfarer noen tilsvarende økning i usikkerheten.»

Tolkning av resultatet 
Gjennomføringa av eksperimentet har ført til fornya interesse for Poppers syn på kvantemekanikken og til en debatt om eksperimentets (og dermed kvantemekanikkens) tolkning. Det er enighet om at funnene er i overensstemmelse med Poppers forutsigelse. Uenigheten dreier seg om funnene dermed virkelig representerer en tilbakevisning av København-tolkninga. Flere stemmer hevder nettopp dette, mens andre forskere anser København-tolkninga for å være forenlig med eksperimentets utfall.

Noter og referanser

Kilder 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Kvantemekanikk
Karl Popper