Читать книгу Kvantefilosofi - Jan Faye - Страница 4

Du, kære læser, har sikkert som barn ligget og iagttaget en solstråle falde ind under et halvt nedrullet gardin på dit værelse. Måske lå du syg og kedede dig gudsjammerligt. Eller du lå på høloftet og betragtede det skarpe sollys skinne gennem en sprække i gavlen. Det har jeg prøvet. Midt i det hvasse sollys svævede små bitte støvgran rundt uden mål og med for pludseligt at forsvinde i mørket. Åbenbart vægtløse og yndefulde tumlede de hid og did uden hensyn til Jordens tiltrækning. Helt imod naturens orden – syntes man.

For to tusinde år siden så den romerske digter Lucrets bevægelsen som tegn på atomernes eksistens. I sit videnskabelige hyldestdigt Om naturens ting (De Rerum Natura) fra omkring 60 år før vor tidsregning bemærkede han: “Iagttag, hvad der sker, når solstråler får adgang til en bygning og kaster lys på dens skyggefulde steder. Man vil se en mangfoldighed af bittesmå partikler blande sig på mangfoldige måder.” Og hans fortsætter: “Deres dans er en direkte tilkendegivelse af bevægelserne i det underliggende stof, der er skjult for vort syn … Disse bevægelser fremkommer med atomerne, som bevæger sig selv. De små sammensatte legemer, som er mindst fjernet fra atomernes påvirkning, sættes i bevægelse ved sammenstødet med deres usynlige slag, og i tilgift braser de mod lidt større legemer. Så bevægelserne opbygges fra atomerne og gradvist kommer til syne for vores sanser, hvorved de legemer, som vi ser i solstrålerne, bevæges ved slag, der forbliver usynlige.”¹ En ufattelig skarpsindighed set med nutidens øjne. Men det vender vi tilbage til.

Lucrets’ digt er en lovsang til Epikurs atomteori – en teori, der oprindeligt stammede fra den græske naturfilosof Leukippos (5 årh. f.v.t.), videreudviklet af Demokrit og sat i system af Epikur. Teorien skulle forklare altings bevarelse og forandring. Hvor Aristoteles og andre filosoffer mente, at alt stof var sammensat af fire grundelementer, jord, vand, luft og ild, argumenterede atomisterne for, at verden bestod af atomer og tomrum. Atomerne var alle tings mindste dele, de var uforgængelige og kunne ikke yderligere deles i mindre stykker, og de bevægede sig tilfældigt rundt i et uendeligt tomrum. Naturens mindste dele var karakteriseret ved størrelse, form og vægt. De manglede farve, lugt, varme og kulde, hårdhed og tæthed. Når andre ting ændrede facon, skyldtes det atomernes omplacering i rummet, når andre ting ændrede temperatur fra kold til varm, skyldtes det forøgelse af tomrummet mellem atomerne, og når andre ting havde forskellig vægt og hårdhed, skyldtes det atomernes størrelse og tæthed. Atomerne skabte enhed i mangfoldigheden. Dermed fik Leukippos og Demokrit slået flere fluer med et smæk. For mens enheden var permanent, var mangfoldigheden foranderlig. Enhver ting i naturen var ikke, som Heraklit påstod, flygtig og foranderlig, og forandring var ikke, som Parmenides havde fremført, en illusion.

Den græske atomteori var spekulativ. Men ikke mere end at den byggede på nogle dristige hypoteser og rationelle argumenter. Ideen beroede på et simpelt tankeeksperiment: Tag en massiv ting og del den i to. Gentag derefter processen med de tilbageværende stykker, og gør det igen og igen. Kan man blive ved at dele i det uendelige, eller støder man til sidst på udelelige mindstedele? Atomisterne drog den konklusion, at der måtte findes noget, som ikke kunne skæres i mindre stykker. Atomerne. Stoffet måtte være sammensat af sådanne usammensatte enkeltdele. Men ud over Lucrets’ henvisning til støvpartiklernes bevægelse forsøgte atomisterne ikke at begrunde hypotesen empirisk. Det lå slet ikke til græsk videnskab at ræsonnere ved hjælp af fysiske forsøg. Man søgte ikke at ændre på naturen på en ordnet måde for at se, hvad der så ville ske. Det hører en senere tid til. Og selvom filosofferne havde forsøgt sig, lå de relevante eksperimenter hinsides enhver teknisk mulighed at udføre.

Med den græske filosofis og videnskabs forfald i senantikken forsvandt også kendskabet til atomteorien i den europæiske kreds. Derimod overlevede det i den islamiske kultur og vendte først tilbage til den kristne verden i 11-1200-tallet, da man begyndte at oversætte de græske filosoffer til latin. Hovedparten af middelalderens filosoffer tog imidlertid parti for Aristoteles. Den franske filosof og teolog Pierre Gassendi (1592-1655) forsvarede som en af de første direkte Epikurs atomteori, mens den franske filosof René Descartes (1596-1650), englænderne Robert Boyle (1627-1691) og Isaac Newton (1642-1727) bekendte sig til den beslægtede korpuskelteori. (Forskellen er hovedsagelig, at korpuskler ikke nødvendigvis er uden dele.)

Det var først, da Antoine Lavoisier (1743-1794) formulerede loven om massens bevarelse under kemiske reaktioner i 1789, og Joseph Louis Proust (1754-1826) formulerede loven om de konstante proportioner i 1799, at atombegrebet fik mere fast grund under fødderne. Lavoisier konstaterede, at massen af de stoffer, der dannes ved en kemisk reaktion, har samme masse som de stoffer, der var til stede før reaktionen. Altså synes der at være en enhed i mangfoldigheden, som sikrer, at massen bevares under de kemiske processer. Enheden er dog ikke ganske ens. Man havde fundet ud af, at der fandtes grundstoffer, som de kemiske forbindelser var sammensat af. Og Proust opdagede så, at enhver kemisk forbindelse indeholder grundstofferne i et konstant masseforhold, der er karakteristisk for netop en sådan forbindelse.

Den første, der fremsatte en egentlig moderne teori om atomerne, var den britiske kemiker John Dalton (1766-1844). Stillet over for udfaldet af en række eksperimentelle undersøgelser af luftarter konkluderede han, at grundstofferne består af bittesmå partikler, atomer, som ikke kan skabes, deles eller ødelægges under den kemiske proces. Hvert grundstof består af de samme atomer, forskellige grundstoffer består af forskellige atomer, som kan skelnes fra hinanden ved deres relative vægt. Atomerne i hvert grundstof kan sammensættes med atomerne i andre grundstoffer og skabe kemiske forbindelser. Så hvad der forandres under en kemisk reaktion, er atomernes sammensætning.

Nu er det så tid til at vende tilbage til Lucrets’ hypotese. For i 1827 så den engelske botaniker Robert Brown i et mikroskop, at små pollenkorn opslæmmet i vand bevægede sig slingrende og usikkert fra side til side – uberegneligt og tilfældigt som en fuld mand, der vakler hen ad fortovet. Akkurat som vi andre har oplevet støvgranets dans. Siden fik fænomenet navnet den brownske bevægelse. Men det var først i 1877, at J. Desaulx foreslog, at denne bevægelse fremkom ved, at vandets molekyler i deres termiske bevægelse skubbede til pollenkornene. På den baggrund gav Albert Einstein i 1905 en matematisk analyse af bevægelsen. Og derefter udførte Jean Baptiste Perrin (1870-1942) en række undersøgelser for at teste Einsteins forudsigelser, og han var derigennem i stand til at bestemme atomers masse og dimensioner. Daltons teori var blevet bekræftet. Lucrets havde ret.

Stolen, jeg i øjeblikket sidder på for at skrive på denne bog, består af et sæde, ryglæn og fire ben. Massivt træ og hamp. Den har form og farve, jeg kan se den – og mærke den, når jeg har siddet for længe. Den kan være dyr eller billig, ny eller gammel, snedkereret eller fabrikslavet. Det er en ting, jeg kan have købt eller arvet, noget jeg kan save i og brænde, og ellers gøre med den, stort set hvad jeg vil.

Men der findes også en anden stol. Den videnskabelige stol. Den består populært sagt mest af tomrum. Ikke spor massiv. Den mangler soliditet som alt fra støv og stole til sirup og snegle. Sammen med alle øvrige ting består stolen af tomrum og samlinger af atomer. Atomerne består af små kerner af protoner og neutroner, små positivt ladede og neutrale partikler, der holdes sammen af særlige kræfter. Rundt om dem kredser endnu mindre partikler: De negativt ladede elektroner. Mellem kernen og elektronerne findes ingenting. Tilsyneladende blot tomrum. Afstanden i stor skala svarer til afstanden mellem en appelsin og et knappenålshoved 10 km væk. Alligevel holder stolen til mine mange kilo. Hvorfor og hvordan? Det hjælper atomteori og kvantemekanik os til at forstå. Videnskaben fortæller os nemlig, at tomrummet ikke er spor tomt, men består af forskellige slags felter. Bemærkelsesværdigt er det, at de elektriske og magnetiske felter, vi uhindret går igennem til daglig, er så stærke på kort afstand, at de sammen med kvantefelterne kan forhindre, at vi bliver et med stolen.

Kvantemekanikken er nok den mest succesrige teori i videnskabens historie. Den sætter fysikere, kemikere og teknikere i stand til at forudsige udfaldet af en stor mængde forsøg og eksperimenter, den hjælper dem til at skabe nye materialer og avanceret elektronisk teknologi. Den kan bruges til at forklare, hvordan Solen omdanner brint til helium og dermed skaber lys og varme. Den kan bruges til at forstå de fysiske processer i Jordens indre, der får jordskorpen til at bevæge sig, og den kan bruges til at beskrive, hvordan kemiske stoffer reagerer med hinanden, og en masse andre ting. Der er næsten ikke grænser for den indsigt i naturen, som teorien har givet os.

Selvom det var lykkedes for Einstein at beskrive den brownske bevægelse matematisk, skulle det ret hurtigt vise sig, at atomerne var så fremmedartede, at fysikerne ikke kunne anvende de samme teorier til at forklare dem med som de teorier, de brugte til at redegøre for den del af den fysiske verden, som vi kan se og føle på. Tyve år efter Einsteins beskrivelse måtte fysikerne sande, at atomteorien og kvantemekanikken bryder med de grundlæggende principper, som den klassiske fysik hviler på, og hvis opretholdelse mange af dem mente var nødvendig for en objektiv og realistisk forståelse af verden. Einstein hørte til blandt dem, der var stærkt utilfreds med tingenes tilstand. Han mente, at det var fysikkens mål at beskrive verden på en måde, så den fremstod forudsigelig og regelmæssig, som vi kender den fra den klassiske fysik – og ikke tilfældig og uforudsigelig, som kvantemekanikken havde det. “Gud spiller ikke med terninger”, lød et af hans guldkorn.

Fra barnsben af er vi alle blevet indpodet stærke erfaringer om, at den fysiske verden eksisterer, ganske uanset om den bliver iagttaget eller overhovedet ikke kan ses. Når vi faldt på cyklen, mærkede vi, at asfalten svarede hårdt igen, og vi lærte, at når bamsen blev gemt bag puden, var den der, selvom vi ikke længere kunne se den. Det fik os overbevist om, at verden er der, selvom vi ikke er der. Tingene har nemlig egenskaber, som ikke er bestemt af, om vi kan se dem eller ej. Vi mener, at Månen er der, selvom vi ikke ser den, og at den har bjerge på bagsiden, selv hvis vi aldrig havde været i stand til at fotografere dem. Denne erfaring ligger ikke alene til grund for vor omgang med hinanden og naturen, men har også ligget bag næsten al videnskabelig forskning.

Videnskabens mål har for mange været at formulere sande teorier, der hjælper os til at beskrive og forstå verden objektivt, dvs. sådan som den virkelig er uforstyrret af menneskers personlige værdier, følelser og interesser. Møjsommeligt er det siden renæssancen lykkedes os at få skabt et billede af den fysiske verden, hvor alting er opbygget af atomer og kræfter, der virker mellem atomerne. Med til forståelsen hører selvfølgelig, at atomerne og deres egenskaber eksisterer uafhængigt af os, og at den stabilitet, der hersker omkring os, udspringer af de lovmæssigheder, der hersker i naturen og mellem atomerne. Men formuleringen af kvantemekanikken i begyndelsen af forrige århundrede satte kraftigt spørgsmål ved hele den realistiske synsmåde.

Siden kvantemekanikken fik sin matematiske formulering og sin første fysiske fortolkning i midten og slutningen af 1920’erne, har mange betydelige fysikere og filosoffer set på teorien med dyb skepsis. Dette beror ikke mindst på, at teorien i hele sin dannelse og oprindelige tolkning byggede på en umiddelbar magtesløshed i forståelsen af den atomare verden, som ikke kendes fra andre fysiske teorier.

På den ene side stod man med en teori, der øjensynlig var mere succesrig i sine beregninger og forudsigelser end nogen anden videnskabelig teori – en teori, der selv i dag er helt uden kendte empiriske anomalier. På den anden side syntes beregningerne og forudsigelserne at stride mod grundliggende fysiske principper, som oprindeligt lå til grund for en objektiv forståelse af de fysiske fænomener. Og selvom der er gået mange år siden da, er det stadig en teori, der udfordrer vores almene forestillinger om, hvad ting er, hvad de kan, og hvordan de opfører sig. Den har sat grå hår i hovedet på mange fysikere og filosoffer, der har forsøgt at forstå, hvad teorien fortæller os om naturen. Teorien beskriver en verden så fremmedartet og paradoksal, at det er svært at finde hoved og hale i, hvad der er virkeligt, og hvad der er uvirkeligt. Et vittigt hoved – måske fysikeren Richard Feynman – har engang sagt om den gængse fortolkning af kvantemekanikken, at den indbød til, at man skulle “shut up and calculate”. For teorien strider ikke blot mod den sunde fornuft, den strider også mod fundamentale principper bag den klassiske fysik. Mens den klassiske fysik tager udgangspunkt i dagligdagens erfaringsverden – og det vi kan sige alment om verden ud fra det, vi kan iagttage med det blotte øje – så opstår kvantemekanikken, fordi eksperimenterne tilsiger, at man skal bryde med disse erfaringer. Kvantemekanikken tager nemlig udgangspunkt i den observation, at vi ikke blot kan vedblive at opdele energi og stråling i mindre og mindre portioner. Atomteorien må således suppleres med en teori, hvor disse mindste partikler også har en mindste virkning. Det blev til kvantemekanikken.

Det var denne åbenbare modstrid mellem den klassiske mekanik og kvantemekanikken, som Niels Bohr (1885-1962) og Werner Heisenberg (1901-1976) søgte at løse med, hvad der af eftertiden er blevet kaldt for københavnerfortolkningen af kvantemekanikken. Deres tolkning blev ret hurtigt knæsat som den ortodokse tolkning. Flere generationer af fysikere har henholdt sig til denne tolkning som en udlægning, der reflekterede deres daglige og praktiske arbejde med kvantefænomenerne.

For de filosofiske realister blandt fysikerne og filosofferne var det imidlertid et fortsat problem, at den toneangivende københavnerfortolkning ikke gengav virkeligheden, som de havde lært den at kende gennem tre hundrede års klassisk fysik. I sin bog Philosophy and Scientific Realism fra 1963 skriver filosoffen J.J.C. Smart således, efter at han uden held har søgt at give en realistisk fortolkning af teorien: “Når alt kommer til stykket, er det meget usandsynligt, at kvantemekanikken har fået sin endelige form, og den vil måske blive drastisk revideret, samtidigt med at nogle af dens fundamentale antagelser ændres.” ² En lignende udtalelse genfinder vi hos en anden filosof, Michael Devitt, som i bogen Realism & Truth, 1991, siger følgende:

Realismen er i stand til at imødegå de udfordringer, som hævdes at blive stillet til den fra kvanteteoriens side, men dem med kendskab til sagerne finder det vanskeligt at tro på den: dens begrebslige mærkværdigheder … sår tvivl om dens holdbarhed. Kontroverser raser over, hvordan den skal forstås. Realisten kan se dette som evidens for, at man ikke kan stole på kvanteteorien på dette trin som en vejviser til virkeligheden. Måske er, som Feyerabend har fremført …, en instrumentalistisk tilgang til den passende.³

Devitt får dog aldrig forklaret læseren, hvordan realismen kan imødegå kvantemekanikkens udfordringer. Man kan jo ikke være sikker på, at de ønskede ændringer vil vise sig at være til fordel for realismen.

Videnskabelig realisme antager to ting om videnskabelige teorier. At verden stort set består af de ting, som de videnskabelige teorier forudsætter eksisterer, og at disse ting netop har de egenskaber, som teorierne henviser til. Det skal dog bemærkes, at realismen ikke implicerer en bestemt ontologi, dvs. realismen kræver ikke en bestemt opfattelse af, hvad der eksisterer, og hvordan det eksisterer. Vi er nok vant til at forbinde videnskabelig realisme med den klassiske fysik, men det udelukker ikke, at andre videnskabelige teorier kan gives en realistisk fortolkning. Realismen i én form siger blot, at virkeligheden er, som de bedste videnskabelige teorier beskriver den. For som vi skal se, findes der på markedet forskellige tolkninger af kvantemekanikken, som synes at opfylde dette krav. Man skal blot være villig til at postulere, at der findes mange verdner, mange tider, mange historier, uskarpe egenskaber eller skjulte variable. Det er kendetegnende for alle disse tolkninger, at de genfinder realismen i kvantefysikken ved at åbne op for en spekulativ og eksotisk metafysik. Spørgsmålet er blot, om vi har gode eller bedre grunde til at acceptere dem frem for Bohrs begreb om komplementaritet eller Heisenbergs ortodokse udlægning af kvanteteorien.

For en god ordens skyld bør det indskydes, at Bohrs og Heisenbergs udlægninger ikke altid er i overensstemmelse med hinanden. Det er derfor noget forenklet sagt, når man taler om københavnerfortolkningen som et entydigt antirealistisk synspunkt på kvantemekanikken. Jeg vil endda gå så vidt som at påstå, at Bohr i virkeligheden ikke var tilhænger af københavnerfortolkningen, sådan som Heisenberg udlagde den. Han var realist på nogle punkter og antirealist på andre.

Når denne bog er nået til vejs ende, vil det fremgå, at nærværende forfatters egen pragmatiske opfattelse ligger mere på linje med Bohrs end på nogen andens. Det skyldes, at jeg mener, at der findes en række gode erkendelsesteoretiske argumenter, som støtter Bohrs udlægning, som jeg forstår den, men som har et langt bredere sigte end blot kvantemekanikken. Foruden at henvise til dem vil jeg pege på nogle ontologiske argumenter, som støtter op om en pragmatisk og kontekstuel forståelse af atomernes verden.