Der er stadig intet, der er hurtigere end lyset
Mange nye eksperimenter viser tilsyneladende tegn på hastigheder højere end lysets. Men der findes naturlige forklaringer – selv om de er sværere at forstå end den specielle relativitetsteori.
Et foton-par udsendes fra universitetets laboratorium i Genève og sendes gennem teleselskabet Swisscoms optiske fibre til henholdsvis Satigny og Jussy, hvor de ankommer til målestationerne på nøjagtig samme tid. Her detekteres de med et Michelson-interferometer, idet fotonerne bliver reflekteret tilbage til detektoren fra enten den lange eller den korte gren i interferometret. Det er helt tilfældigt, om fotonerne tager den korte eller den lange gren i interferometeret, men eksperimentet viser, at fotonen i Satigny præcist ved, hvad dens tvilling i Jussy gør. De vil begge enten tage den korte eller den lange vej, her illustreret med farvede prikker. I virkeligheden røber eksperimentet dog ikke, hvilken vej de enkelte tvillingepar har taget. Det er en korrelation over mange målinger, der viser, at de altid tager den samme vej.
Læs også
-
Så er de første partikler slynget rundt i gigantisk accelerator
-
Målløse fysikere: Lyset er alligevel ikke det hurtigste i Universet
Læs mere om
Det slog gnister, når Niels Bohr og Albert Einstein diskuterede kvantemekanik og relativitetsteori.
Kvantemekanikken forklarer eksperimenter på en måde, der bryder med relativitetsteorien, og derfor er den ufuldstændig, mente Einstein.
Nej, den er ikke, svarede Bohr, når han gendrev Einsteins argumenter.
Einstein og Bohr diskuterede altid ud fra tankeeksperimenter. Den seneste snes år har fysikerne imidlertid formået at skifte de tankeeksperimenter ud med rigtige laboratorieeksperimenter. Det har afklaret en stor del af uenigheden – til Bohrs fordel. Men mange forsøg giver stadig let anledning til misforståelser.
Det drejer sig blandt andet om eksperimenter, som forskere i Schweiz og Tyskland har udført for nylig. De tager udgangspunkt i to begreber, der har stor betydning også uden for fysikinstitutterne: entanglement og tunneleffekten.
Entanglement er grundlaget for udvikling af fremtidige kvantecomputere, der på mange områder vil være traditionelle computere totalt overlegne. Tunneleffekten udnyttes allerede inden for moderne halvleder¬elektronik til design af blandt andet dioder og transistorer.
Sammenfiltrede kvantetilstande
I august beskrev forskere fra universitetet i Genève i det videnskabelige tidsskrift Nature et eksperiment, hvor observation af fotoners kvantetilstande i den schweiziske by Jussy samtidig fastlagde kvantetilstandene for andre fotoner i byen Satigny 18 kilometer borte.
Umiddelbart kunne det se ud, som om information var sendt mellem de to byer med overlyshastighed. Men der findes en anden og mere ”naturlig forklaring”.
Fotoner kan have spintilstande, der enten er ”op” eller ”ned” – lidt på samme måde, som en bold enten kan rotere den ene eller anden vej rundt. I modsætning til boldens rotationsretning, er kvantetilstanden af en foton dog ikke fastlagt, før den er målt – indtil da er den både i tilstand ”op” og ”ned” på samme tid.
Kvantemekanikken giver kun et tal for sandsynligheden for at måle den ene eller anden spintilstand. Og derfor burde der ikke være nogen sammenhæng mellem, hvad man målte i Jussy og Satigny. Med mindre fotonerne er ”entangled”, dvs. har sammenfiltrede kvantetilstande.
I den situation vil en måling af den ene foton nemlig samtidig fastlægge kvantetilstanden af den anden – den ene af to entanglede fotoner vil nemlig have spin ”op”, den anden spin ”ned”.
Og entanglede var lige præcis, hvad de var, fotonerne i det nye schweiziske eksperiment: De to fotoner var ”født” på samme tid i en ulineær krystal i Genève, hvor en foton blev omsat til to andre fotoner, hver med den halve energi af den oprindelige fotons energi. Som enæggede tvillinger deler arvemasse, har de to fotoner sammenfiltrede kvantetilstande. De kan nok adskilles fysisk fra hinanden, men de vil altid være et par.
De to nydannede, entanglede fotoner blev herefter sendt 17,5 km gennem optiske fibre i hver sin retning. En sammenligning af målingerne i de to byer viste tydeligt, at fotonerne befandt sig i en tilstand af entanglement, som forudsagt af kvantemekanikken.
En alternativ tolkning af eksperimentet er, at de to fotoner på en eller anden vis kommunikerer direkte med hinanden – altså sender en form for signal mellem de to byer.
Det særligt snedige ved det schweiziske eksperiment i forhold til andre eksperimenter af samme type er, at de to byer næsten ligger øst-vest i forhold til hinanden.
Når man udfører eksperimentet gennem et helt døgn, vil man på grund af Jordens rotation derved automatisk få bestemt hastigheden af et hypotetisk signal mellem de to fotoner i forhold til en vilkårlig retning, der ikke ligger fast i forhold til Jordens overflade.
De meget præcis målinger viste, at en sådan kommunikation i givet fald måtte være foregået med en hastighed, der var mere end 10.000 gange så stor som lysets hastighed. Ingen fysisk teori kan forklare dette, så forsøget betragtes som den hidtil mest overbevisende bekræftelse på konsekvenserne af entanglement – og ikke som et eksperiment, der viste tegn på overlyshastighed.
Uenighed på matematisk formel
Forsøget bryder dog med en afgørende egenskab, som ikke huede Einstein, der til sin død holdt fast i den ”lokale realisme”. Han mente ikke, at det som sker inden for et bestemt sted i rum og tid kan være påvirket af det, som sker et andet sted i rum og tid, hvis de to rum-tid-områder ikke kan ”kommunikere” med hinanden. Og det jo lige præcist det, som er sket i det schweiziske eksperiment.
Allerede i 1935 satte Einstein fingeren på pulsen omkring dette forhold. Det skete i en artikel, han skrev sammen med Podolsky og Rosen – en artikel, der i dag er kendt som 'EPR' efter de tre forfattere.
Kvantemekanikken kan meget vel være en god teori, men den kan ikke være komplet, mente Einstein.
Einstein foreslog, at fotonerne kunne ”bære” nogle skjulte variable. I givet fald vil det ikke være tilfældigt, som kvantemekanikken beskriver, om man måler den ene eller anden kvantetilstand. Og den lokale realisme vil være opretholdt.
Men nej, der findes ingen skjulte variable, sagde Bohr.
John Stewart Bell omsatte i 1965 dette fra en filosofisk diskussion til et spørgsmål om eksperimentalfysik. Han satte uenigheden på matematisk formel.
Bell viste, at for eksperimenter med entanglede partikler, ville korrelationen mellem målinger overholde en bestemt ulighed, hvis der fandtes skjulte variable. Uligheden ville være overtrådt, hvis kvantemekanikkens forudsigelser var korrekte.
Bells teorem udtrykkes ofte på denne måde: ”Ingen fysisk teori baseret på lokale skjulte variable kan reproducere alle kvantemekanikkens forudsigelser” – enten er kvantemekanikken forkert, eller også er lokal realisme i modsætning til de fleste menneskers intuitive opfattelse ikke et gældende fysisk princip.
Fire år senere blev Bells ulighed omformuleret til en form, der var mere velegnet til eksperimentel test. Og så var det blot at vente på, at eksperimentalfysikerne blev dygtige nok til at udføre eksperimenterne.
I begyndelsen af 1980'erne lykkedes det for Alain Aspect fra Université Paris-Sud. Eksperimenterne overtrådte Bells ulighed; kvantemekanikkens forudsigelser var korrekte.
Eksperimenter med sammenfiltrede fotoner viser altså ikke overlyshastighed, og de kan heller ikke forklares med skjulte variable. De er en af kvantemekanikkens mange ”særheder”.
Rum uden tid
Der er dog andre fysikere, der hævder, at have målt overlyshastighed i eksperimenter, der involverer tunneleffekten. Påstandene har fået fornyet aktualitet ved, at Günter Nimtz og Astrid Haibels bog fra 2004 ”Tunneleffekt – Räume ohne Zeit” i år er udkommet i en engelsk udgave med titlen ”Zero time space – How quantum tunneling broke the light speed barrier”.
Man taler om tunneleffekt, når partikler gennembryder barrierer, der efter den klassiske mekaniks regler er uigennembrydelige. Tunneleffekten eksisterer både for partikler med masse som elektroner og for masseløse partikler som fotoner – eksempelvis i form af mikrobølger eller synligt lys.
Den tyske fysiker Günter Nimtz udførte i 1994 et eksperiment, hvor Mozarts 40. symfoni blev transmitteret med mikrobølger af en frekvens på 8,7 GHz gennem en indsnævring, der er op til 11,4 cm, i en metallisk bølgeleder.
I indsnævringen kan mikrobølgerne ikke udbrede sig på normal vis, de eksisterer kun som et såkaldt ”evanescent” elektromagnetisk felt. Dette svage felt kan fortsætte som et almindeligt mikrobølgesignal på den anden side af indsnævringen. Hastigheden er bestemt til 4,7 gange lysets hastighed i vakuum.
Overførsel af et signal hen over en indsnævring i en metallisk bølgeleder er fuldstændigt ækvivalent til den måde, hvorpå partikler via tunneleffekten kan bryde gennem en energibarriere.
Professor Ole Keller fra Aalborg Universitet er dog ikke overrasket over forsøget.
»Jeg betvivler ikke de fysiske målinger af bølgelederens længde, og den tid det tager et signal at komme fra den ene ende til den anden. Men jeg betvivler fortolkningen. For signalerne har slet ikke tilbagelagt den længde, der svarer til indsnævringen af bølgelederen. Og derved får man en forkert udregning af hastigheden,« sagde han for flere år siden til Ingeniøren.
Fotonens ukendte fødested
Sidste år kom Günter Nimtz igen på banen med et eksperiment, som han beskrev i en kort artikel, ”Macroscopic violation of special relativity”.
Nimtz sendte mikrobølger med en bølgelængde på 3,3 cm hen mod to glasprismer. Når prismerne var adskilt af et luftgab, kunne mikrobølgefotoner kun slippe fra det ene prisme over i det andet via tunneleffekten eller som et evanescent felt – alt efter om man vil forklare eksperimentet ud fra kvantemekanikken eller Max¬wells ligninger.
Nimtz siger, at eksperimentet viste, at hastigheden hen over gabet var hurtigere end lysets hastighed. Men igen siger Ole Keller ”stop et øjeblik”.
For det første kan man aldrig finde en foton i det ”forbudte” luftgab. Fotonen er enten i det ene eller andet prisme. Her vil de hele tiden vekselvirke med materialets atomer. Det er i øvrigt denne vekselvirkning, der nedsætter den elektromagnetiske bølges hastighed i materialet i forhold til hastigheden i vakuum.
Det giver anledning til det enkle spørgsmål: Hvor forsvinder en foton, der bliver absorberet af et atom, hen og hvor opstår en foton, der udsendes af et atom? Er det for eksempel i midten af atomet eller i dets umiddelbare nærhed – og i givet fald: Hvor nær? En konsekvens af Heisenbergs usikkerhedsrelation er, at det kan man ikke sige præcist.
Tunneleffekten kan forklares ved, at en foton, der opstår i forbindelse med vekselvirkningen mellem lys og materiale i det ene prisme ”fødes” i det andet prisme – og på den måde så at sige ubemærket er smuttet hen over gabet mellem de to prismer. Det er en misforståelse at tro, at eksperimentet har nogen som helst relation til den specielle relativitetsteori. Det er et eksperiment, der kan forklares kvantemekanisk ud fra fotonens fødsel i rum og tid, mener Ole Keller.
Herbert Winful fra University of Michigan har taget en anden vej til at sætte spørgsmål ved Nimtz' tolkning. Han har baseret sig på Max¬wells ligninger for udbredelse af elektromagnetiske bølger, og han konkluderer på baggrund af sin analyse: ”Intet har bevæget sig hurtigere end lyset”.
Et spørgsmål om tolkning
Günter Nimtz holder i sin nye bog fast i, at man i tunneleksperimenter måler hastigheder højere end lysets – uden at dette dog gør det muligt at bygge en tidsmaskine og bytte tidsmæssigt om på årsag og virkning.
Heroverfor står folk som Ole Keller og Herbert Winful, der holder fast i, at man ikke blot kan dividere afstande med tider og bestemme en hastighed, når der ikke er noget at måle en hastighed af.
I forhold til kvantemekanikken er den specielle relativitetsteori en simpel teori, og det er nok lettere for mange at tolke ”underlige” eksperimenter som en overtrædelse af en simpel teori end som en naturlig konsekvens af en svært forståelig teori, der ofte bryder med menneskets intuitive opfattelse af verden.
Og efterhånden som eksperimetalfysikerne bliver endnu dygtigere, vil vi sikkert komme til at se endnu flere ”underlige” forsøg, der let lader sig mistolke.
