Semesteroppgave Filosofi og vitenskapshistorie Magnus Li Universitetet i Oslo - Høst 2012 ---- Oppgave 16. Fysikk og virkelighet Oppgave: I artikkelen Fysikk og virkelighetsoppfatning presenterer Arnt Inge Vistnes to tolkninger av den såkalte kvanteteorien, en instrumentalistisk og en realistisk. Redegjør for de to tolkningene, og knytt redegjørelsen til diskusjon av spørsmålet om kvantefysikken er deterministisk eller ikke-deterministisk. Ord i min besvarelse: 2936 Innledning Lenge var det mye som tydet på at naturens prosesser var kausale og dermed at enhver prosess kan forklares med en modell og utregning av typen årsak virkning. Både Isac Newtons fire lover og Einsteins relativitetsteori stemmer i makroverden over ens med kausalitetens prinsipper, og gir et forståelig bilde av naturen i forhold til våre referanser og språklige bilder og begreper som mennesker. Men på begynnelsen av 1900-tallet ble det gjort observasjoner som gjorde det vanskelig å benytte disse lovene i noen gitte situasjoner. Stråling fra partikler, som man tidligere hadde sett på som bølger, viste seg igjen å bevege seg i pakker, og ikke i en jevn strøm slik man ser for seg med en bølge. Planc, som oppdaget dette fenomenet, mente dermed at vi måtte se på partikkelstråling som partikler og ikke som bølger. I andre forsøk måtte man bruke begrepet bølge for å få ting til å stemme. Dette la grunnlaget for en helt ny gren i fysikken som skulle utfordre og fortsatt utfordrer måten vi ser verden på. Innen kvantefysikken finner vi flere fenomener som strider sterkt mot vår vanlige virkelighetsoppfatning og våre fysiske lover. Da disse fenomenene først ble oppdaget sto de i Side 1 av 10
sterk motsetning til den veletablerte mekaniske fysikken, hvor kausalitet var et faktum og bildet av en deterministisk oppbygning av naturen ga mening. De motstridende observasjonene kvantefysikken ga skapte stor splid mellom anerkjente fysikere. Fysikkens realister ville ikke helt uten videre gi opp ideen om determinisme i naturen. I denne besvarelsen vil jeg først ta for meg noen ulike begreper fra problemstillingen. Deretter vil jeg gi en rask forklaring av hva kvantefysikken går ut på som en gren innen fysikken, for så å gjøre en mer inngående redegjørelse av instrumentalistisk og realistisk syn på kvantefysikk i forhold til kausalitet og determinisme. Begreper Instrumentalisme og realisme Instrumentalismen går fra et naturvitenskapelig synspunkt ut på at det viktigste ved en teori, vitenskapelig matematisk formel eller liknende er dens evne til å forutsi fremtidige hendinger. Dette står i motsetning til realismen hvor det legges stor vekt på at teorien bygger på god kunnskap om hvert bidragsgivende ledd i et fysisk fenomen. Et godt eksempel som Arnt Inge Visnes bruker i sin artikkel Fysikk og virkelighetsoppfatning, er oppfattelsen av tyngdekraften. Fra et realistisk ståsted oppfattes tyngdekraften som en fysisk eksisterende kraft selv om man kun kan se resultatet av kraften, og ikke verken kan se, sanse eller gjøre målinger på selve tyngdekraften med vårt menneskelige sanseapparat. Fra et instrumentalistisk ståsted tenker man på tyngdekraften som, ikke nødvendigvis noe som eksisterer selvstendig, men som noe man bruker som et instrument og hjelpemiddel for å kunne beregne for eksempel hvordan en blyant vil oppføre seg om man slipper den fra en bestemt høyde over bakken. Side 2 av 10
Determinisme Den tradisjonelle definisjonen av determinisme er at et system eller en prosess er totalt styrt av tidligere hendelser og dermed fremtidig vil være totalt forutsigbare. Innen fysikken vil dette i prinsippet si at med nøyaktig kunnskap om en prosess vil man kunne forutsi prosessens videre hendelsesforløp. Et resultat av denne tankegangen og et annet interessant eksempel er temaet om menneskets frie vilje. Her mener noen at alle våre fremtidige valg allerede er bestemt av tidligere hendelser som erfaringer, oppvekst, genetikk og sosialt miljø. Alle valg vi tar vil altså være et resultat av tidligere hendelser, erfaringer og lærdom, noe som i prinsippet gjør den frie vilje til en illusjon. Innenfor mekanisk fysikk var det før kvantefysikkens forvirring, en bred enighet om en total kausalitet innenfor fysikk og naturvitenskap og dermed også determinisme. Laplace skrev på 1700-tallet en fiksjonshistorie om en demon som kjente til alle atomers plassering i universet. Dette ga han dermed evnen til å forutsi alle hendelser i fremtiden. (Artikkel - «Atomfysikk og Kausallov» Werner Heisenberg (Exphil 1 Side 150)) Kvantefysikk Gjennom historien har det av flere filosofer vært foreslått at verden består av et enkelt grunnstoff, som ikke kan splittes opp i andre stoffer. Lenge hadde man troen på at atomene var udelelige, men etter hvert viste det seg at atomet var delbart og besto av noen enda mindre partikler. De såkalte elementærpartiklene var byggesteinene for atomene, og de tre mest kjente; elektroner, protoner og nøytroner ble etterhvert oppdaget. På et så mikroskopisk nivå er det observert store avvik fra våre tradisjonelle fysiske prisipper. Det er denne delen av fysikken som kalles kvantefysikken. Altså er kvantefysikk en gren av fysiken som beskriver atomers oppbygning og hvordan masse og energi oppfører seg på atomnivå eller mindre, altså det som foregår i mikrokosmos. Max Planc med sin oppdagelse innen partikkelstråling, skapte forvirring innenfor både fysikken og naturvitenskapen. Men problemet med å definere lyset som bølge eller partikkel var bare starten på en rekke oppdagelser som ikke passet inn med den etablerte oppfatningen av naturen. På et slikt mikroskopisk nivå er det nemlig som tidligere nevnt, gjort flere observasjoner som bryter med de mest grunnleggende av våre godt innarbeidede teorier om hvordan naturen henger sammen. Side 3 av 10
Uenighet Instrumentalisme eller realisme På bakgrunn av disse oppdagelsene og i forbindelse med at muligheten for undersøkelser på et stadig mer mikroskopisk nivå utviklet seg, ble det utviklet to ulike formelverk for beregninger innen kvantefysikken. De to formelverkene ble utviklet av Werner Heisenberg og Erwin Schrödinger og gir begge samme matematiske resultater og brukes fortsatt av fysikere den dag i dag. Den tyske fysikeren Max Born og hans danske kollega Niels Bohr tolket Schrödingers bølgelikning på en instrumentalistisk måte. Niels Bohr mente at elementærpartiklene både kan opptre som bølge og partikkel avhengig av målingen som gjøres. Slik sett så kan man ikke si noe om at man har å gjøre med en bølge eller partikkel uavhengig av måling. Altså eksisterer for eksempel ikke et elektron verken som partikkel eller som bølge før man gjør en måling. Dette virker absurd og er ikke noe man fra en fysikers ståsted bare kan akseptere uten videre. Det blir dessuten her egentlig meningsløst å bruke navnet elementærpartikkel i og med at vi ikke vet om det dreier seg om en partikkel, bølge eller noe annet. Kanskje ville for eksempel elementærstring eller elementærbølge gitt mer mening. Man skal være forsikting med hvilke språklige bilder man danner seg av objekter i mikrokosmos. Einstein og Schrödinger så Bohrs instrumentalistiske teori som absurd, og Schrödinger viste ved bruk av hverdagslige objekter hvor merkelig denne tankegangen er med sitt tankeeksperiment Schrödingers katt. Tankeeksperimentet besto av en katt, stengt inne i en boks. I boksen er det en beholder med gift og en kilde til radioaktiv stråling. En monitor overvåker boksens radioaktive nivåer og ved et vist nivå slippes giften ut og katten vil dø. Schrödingers poeng er her å vise at katten her må være enten død eller levende uavhenging om vi har åpnet boksen og sjekket eller ikke. Så vidt vi vet finnes det ingen mellomting mellom levende og død. Einstein og Schrödinger mente altså at elementærpartiklene eksisterer i en bestemt form, uavhengig av om man gjør en måling eller ikke. Og at grunnen til at vi ikke kunne forklare om det har form som en partikkel eller bølge er manglende kunnskaper om mikrokosmos. Side 4 av 10
Kvantefysikk og determinisme Hvordan vi definerer determinisme er viktig i en debatt om determinisme innen kvantefysikk. Den tradisjonelle definisjon og oppfattelse av determinisme har jeg beskrevet tidligere i besvarelsen. Dersom vi bruker denne definisjonen, såkalt kausal determinisme vil ikke begrepet gi noen mening i forhold til en instrumentalistisk oppfattelse av kvantefysikken. Men det finnes andre definisjoner. Stephen Hawking definerer i sin bok «A Brief history of time», determinisme på den måten at noe er deterministisk dersom det har en god evne til å forutse fremtidig oppførsel. Denne definisjonen av determinisme passer fra en instrumentalistisk vinkling, (Ref: Side 309 «Fysikk og virkelighetsoppfattning», Arnt Inge Visnes) og er avgjørende for at man i det hele tatt kan snakke om determinisme i forhold til instrumentalismen. I kvantefysikken blir alle svar gitt i form av sansynlighet, og dette vil dermed ikke være forenlig med determinismen etter normal definisjon. Stephen Hawking åpner altså for at det kan være determinisme også i systemer som gir svar i sannsynlighet. Men når dette er sagt er det stor uenighet om denne definisjonen, og de fleste sverger til den mer tradisjonelle kausale definisjonen av determinisme. Det store problemet med å knytte instrumentalistisk kvantefysikk opp mot determinisme av normal definisjon er som nevnt at utregningene gir svar i sannsynlighet. Dette skyldes en såkalt uskarphet innen kvantefysikken. Denne innebærer at man ikke klarer å beregne et elektrons posisjon og hastighet samtidig. Heisenbergs uskarphetsrelasjon beskrev dette faktum og regnet med at dette skyltes at våre måter å måle og gjøre forsøk på var for primitive. Senere viser det seg at det antakelig ikke er der problemet ligger, men at dette skyltes en egenskap ved naturen. Dersom det er slik vil det være umulig å snakke om kausal determinisme. Innenfor en realistisk tolkning av naturlovene, som hos Newton, må man kjenne et objekts posisjon og hastighet for å kunne forutsi objektets fremtidige oppførsel. Dette blir dermed et problem innen kvantefysikken da vi til dags dato ikke klarer å beregne et elektrons posisjon og hastighet samtidig. Men det er flere observasjoner som gjør det vanskelig å knytte kvantefysikk opp mot kausal determinisme. Atomet er bygget opp av en kjerne og med elektroner kretsende rundt kjernen i baner. Lenge trakk forskere sterke paralleller mellom atomene og solsystemet, kjernen som solen og elektronene som kretsende planeter. Det ble senere funnet sterke uregelmessigheter i denne sammenlikningen på mikronivå. Det viser seg nemlig at et elektron kan bevege seg fra en bane til en annen, uten å reise i mellom de to banene. Den forsvinner fra den ene banen og dukker opp i en ny i løpet av noen få nanosekunder eller mindre. Når dette skjer frigjøres det energi, og det slippes ut et foton. Side 5 av 10
Å beregne når dette fenomenet vil forekomme nøyaktig, er umulig. Man kan kun regne ut sannsynligheten for at en slik lyspartikkel vil slippes ut innenfor en bestemt tidsperiode. Som nevnt tidligere i kapitlet, så passer beregninger som kun gir svar i sannsynlighet dårlig i forhold til determinisme. Dette er dermed også et sterkt argument mot kausal determinisme innen kvantefysikk. Determinisme innen mekanisk fysikk Tradisjonell mekanisk fysikk som Isac Newtons fire lover og Albert Einsteins relativitetsteori stemmer godt med determinismen. Men ved situasjoner hvor flere enn to systemer virker sammen på en gang kan det også innen mekanikken oppstå uregelmessigheter. Melding av vær er et eksempel på såkalt kaotisk oppførsel. Det samme gjelder planeters baner i verdensrommet, hvor vi kun kan beregne oppførsel noen få år frem i tid. Det er flere mulige årsaker til determinismens fravær i disse systemene. Det ene kan være at vi rett og slett har for lite målinger og data om for eksempel værets tidligere hendelser og alle systemene som har medvirkning på videre utvikling. Noen mener at våre teorier og formler er for dårlig utviklet. Disse to mulige grunnene til dette kan sammenliknes med problematikken i store og komplekse datasystemer, bestående av flere ulike mindre systemer som sammen skal utføre en oppgave. Til tross for at systemene er menneskelagde og at man har kjørt utallige tester uten å få problemer, oppstår det ikke rent sjelden plutselig totalt uventede problemer. Et eksempel er situasjonen den statlige nett-tjenesten «Altinn.no» hadde for en tid tilbake, hvor sensitiv informasjon havnet hos feil personer som et uventet resultat av en forholdsvis liten feil i et delsystem. Grunnen til at slike feil oppstår er mangel på total og detaljert kunnskap om hvert av systemenes funksjon og totale oppbygning, noe altså noen mener kan forklare den manglende determinismen innen mekanisk fysikk med flere systemer involvert. Andre mener at noe mer grunnleggende ligger bak determinismens fravær, og peker i retning kvantefysikken for å forklare systemenes uforutsigbarhet. Side 6 av 10
EPR-paradokset Som tidligere nevnt, var det stor uenighet om hvordan man skulle tolke resultatene man fikk i mikrokosmos tidlig på 1900-tallet. I tillegg til bølge- vs. partikkel-krangelen instrumentalister og realister hadde, var det en annen observasjon som skapte store uenigheter. Med Niels Bohr og Albert Einstein i spissen oppsto det nærmest en krangel om et fenomen som virkelig setter vår oppfattelse av naturen på prøve. Fenomenet arter seg slik at dersom man ved noen gitte forhold skiller to fotoner som tilhører samme elektron og deretter gjør målinger på dem, vil de uavhengig av avstanden mellom hverandre ha en reaksjon, avhengig av hvilken reaksjon det andre fotonet ga under måling. For å forklare dette på en enklere måte kan man for eksempel se for seg at man plasserer to identiske snurrebasser langt unna hverandre. For eksempel plasserer vi den ene på et bord på Fredrikkeplassen på Blindern, og den andre på månen. Dersom vår snurrebass på Fredrikkeplassen for eksempel roterer med solen og vi gjør en måling på den, vil den andre umiddelbart ved måling rotere den motsatte veien, altså mot solen. Det ene fotonets egenskap vil altså alltid være påvirket av det andre fotonets egenskap. Instrumentalistene med Bohr i spissen mente dette måtte skyldes en uforklarlig forbindelse mellom de to fotonene og at de kommuniserte med hverandre i forbindelse med utføringen av en måling. Kommunikasjon med en slik hastighet, som nødvendigvis vil være høyere en lysets, vil bryte med relativitetsteorien, noe som vil være meget oppsiktvekkende. Einstein som realist og utvikler av relativitetsteorien, så dette som en ren umulighet og mente dette fenomenet måtte kunne forklares på en annen måte. Han mente at svaret måtte ligge i at det var en variabel skjult i fotonene slik at resultatet ville være avgjort allerede før de ble splittet. Einstein, Podolsky og Rosen utviklet som et resultat av denne uenigheten det såkalte Einstein Podolsky Rosen-paradokset, forkortet EPR-paradokset. Denne teorien som, som nevnt tar utgangspunkt i en skjult variabel, kan på en meget forenklet måte forklares ved at man ser for seg at man bytter ut de to snurrebassene fra forrige eksemel med to skoesker som skal sybolisere fotonene. I det man skiller de to og sender den ene til månen og den andre til Fredrikkeplassen, legger man en høyre sko i den ene esken og en venstre sko i den andre. Når man nå gjør en måling på esken vi har på Blindern ved å åpne den, vil vi umiddelbart vite hva som befinner seg i den andre esken avhengig av hva vi finner i den vi åpnet. Det blir her altså ikke sendt noe signal mellom de to fotonene, men egenskapene bestemes på forhånd da de blir splittet. Side 7 av 10
Da denne teorien ble trykket i 1935 (Artikkel: «Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?») var det ikke mulig å gjøre forsøk som kunne teste ut teorien i praksis. I senere tid har teknologien utviklet seg, og mulighetene for å gjøre forsøk i mikrokosmos har utvidet seg. Mye tyder på at en skjult variabel ikke eksisterer, og at fenomenet dermed ikke kan forklares på denne måten. Det er i hvert fall ikke funnet noen tegn som tyder på en slik variabels eksistens til dags dato. En mulig forklaring er å ikke se på de to fotonene som to forskjellige enheter, men tenke på dem som et objekt. Såkalte sammenfiltrede fotoner virker absurd. Det at noe kan være på to steder til samme tid er langt utenfor et menneskes forestillingsevne, men det er like fullt den forklaringen mange fysikere mener er den beste til dags dato. Sammenfiltrede fotoner tegner altså seg som en av de mest oppsiktsvekkende fenomenene innenfor kvantefysikken, og vil fortsette å gjøre det til man eventuelt finner en form for skjult variabel eller en annen løsning som er mulig å oppfatte for menneskets forstand. Avslutning Med fenomenene som nå er nevnt, er det vanskelig å forsvare noen determinisme innen kvantefysikken. Parallelt med oppdagelsen av kvantefysikkens uforklarlige fenomener er utsiktene for en kausal determinisme innen naturvitenskapen blitt mindre og mindre. Den eneste måten å redde kausal determinisme innen kvantefysikken vil være om det gjøres nye oppdagelser som forklarer de uvanlige fenomenene vi til dags dato ser, på en måte som minner mer om forklaringene i mekanisk fysikk. En annen måte å se det på er at problemet kanskje ligger i vår oppfattelse av naturen. Stephen Hawking skriver i boken «A Brief history of time» at kvantefysikkens tilsynelatende manglende determinisme kan skyldes at våre tilvante forestillinger tvinger oss til å oppfatte bølger som partikler med posisjon og fart. Dersom vi frigjør oss fra denne forestillingen og bare tenker bølger vil man kanskje kunne gjenopprette forutsigbarheten og dermed også redde determinismen. («Fysikk og virkelighetsoppfattning» A.I.V. - Side 312) Hawking er ikke den første som bemerker problemet med menneskets begrensninger innen oppfattelse av naturen. Imanuel Kant mente allerede på 1700-tallet at det var en egenskap ved den menneskelige erkjennelse at verden kun kan oppfattes i tid og rom. Kant mente altså at alt vi erfarer kommer til å settes inn i våre to såkalte anskuelsesformer, tid og rom. Det vil ikke gi noen mening for mennesket å se noe utenfor denne rammen. Side 8 av 10
Det kan slik sett med tiden vise seg at det er en umulighet for oss som mennesker å forstå de kvantefysiske fenomenene ut fra et realistisk synspunkt. Med kvantefysikkens merkelige fenomener ser det ut til at man enn så lenge er nødt til å innta et instrumentalistisk syn på kvantefysikken inntil det eventuelt gjøres noen banebrytende oppdagelser som kan forklare disse merkelige fenomenene. Om man i tillegg velger å se på determinisme som et ikke-kausalt fenomen slik Stephen Hawking som nevnt gjør det i sin bok «A Brief History of Time» kan man på sett og vis fortsatt snakke om en form for «determinsime» innen fysikk og naturvitenskap. Side 9 av 10
Kilder / Litteraturliste «Fysikk og virkelighetsoppfattning» - Kapittel 25 Exphil 1 Arnt Inge Visnes Publisert 2006 «Atomfysikk og kausallov» Werrner Heisenberg Oversatt av Torger Holtsmark Originalt utgitt 1955. Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen Publisert 1935. Dokumentarfilm: «The fabric of the Cosmos - Quantum Mechanics Explained» En episode av en fire delers dokumentar om universets oppbyggning. Episoden tar for seg kvantefysikken og dens fenomener. Dokumentaren er basert på en bok med samme tittel av fysiker og forfatter Brian Greene. Nettsider: determinisme fysikk. (28.08.2009) I Store norske leksikon. Hentet fra: http://snl.no/determinisme/fysikk kvantefysikk. (14.10.2011) I Store norske leksikon. Hentet fra: http://snl.no/kvantefysikk instrumentalisme. (14.02.2009) I Store norske leksikon. Hentet fra: http://snl.no/instrumentalisme Causal Determinism. (1.3.2003) I Stanford Encyclopedia. Hentet fra: http://plato.stanford.edu/entries/determinism-causal/ Side 10 av 10