Skriveoppdrag (I artikkelen `Fysikk og virkelighetsoppfatning' presenterer Vistnes to tolkninger av kvanteteorien, en `instrumentalistisk' og en `realistisk'. Redegjr for de to tolkningene, og knytt redegjrelsen til diskusjon av sprsmalet om kvantefysikk er deterministisk eller ikke-deterministisk.) Antall ord: 2971 1
Fysikk uten virkelighetsoppfatning? ExPhil03 - V10 - Gruppe 22 Christoer Hirth 17. mars 2010 1 Innledning Da kvanteteorien ble utviklet pa starten av 1900 tallet mtte man et radikalt nytt verdensbilde. Frem til na hadde mange trodd at all fysikk var ferdig utviklet, og alt som gjensto var npuss. Men det dukket opp noen problemer som ikke lot seg forklare nyaktig. Mange trodde at en npuss ville ordne opp i problemene, men noen andre prvde a forklare fenomenene pa en helt ny mate. Resultatene de etterhvert kom frem til viste seg a vre ganske oppsiktsvekkende. I motsetning til for eksempel Newtons mekanikk eller Maxvell sine ligninger om elektromagnetiske blger, kom kvantefysikk frem gjennom bade samarbeid og uenighet mellom mange forskere. Denne nye fysikken bar med seg forestillinger man ellers, rent intuitivt ikke ville ha noen mulighet til a tro pa. Alt vi kjenner som rom og tid gir ikke lenger noen mening pa samme mate som vi vanligvis ser for oss. Noen eksempler kan gis: Dersom du var en kvantemekanisk partikkel som skulle hoppe pa ski nnes det faktisk en reell sjanse for at du spretter tilbake igjen fra hoppkanten istedet for a sveve utover. Pa biltur til sverige derimot kunne du ikke vite hvor langt du var kommet fr du faktisk sa ut av vinduet, og frem til da ville det ikke fysisk gitt noen mening a si du var noe som helst sted. [8] Siden kvantefysikk var sa langt fra daglig oppfatning sa man seg ndt til a stille sprsmal igjen ved de sikreste ting. Sprsmal med virkninger ofte langt utover fysikken, og dypt inn i losoen. Pa mange mater hadde ikke fysikk og loso vrt sa nrt knyttet pa ere hundre ar. I `Fysikk og virkelighetsoppfatning' [10] skisseres to tolkninger av, eller syn pa, fysikken. Instrumentalisten ser pa formler og begreper som et verkty, eller instrument, for a lse problemer, men vegrer seg for a tenke, tro og forklare hva egentlig begrepene er. Realisten pa den andre side velger a se for seg begrepene, og tro pa dem som mer enn bare begreper. 2
Vistnes gir et eksempel innen Newtons mekanikk der eplet faller [10, s. 303-304] vi nt kan bruke som en rd trad nar vi overfrer tolkningene inn i ukjent kvantefysikk. Eksempelet omfatter et eple som faller fra treet. Fra daglig erfaring (og fra barnesanger [1]) vet man at epler og prer faller nedover nar de blir modne og stilken lsner fra treet. Alle som kjenner litt fysikk vil bruke tre begreper for a beskrive hendelsen; eplet, tyngekraften og jorda. I et realistisk bilde eksisterer tyngdekraften som noe virkelig som trekker eplet nedover, til tross for at kraften aldri har blitt observert direkte - kun virkningen av den kommer til syne. Tenker man istedet instrumentalistisk slipper vi bade a se for oss kraften, og a vre et svar skyldig om noen spr hva det er. Tyngdekraften eksisterer kun som et navn pa hva vi bruker for a regne ut at eplet faller nedover. Like fullt vil determinisme og kausalitet sta sterkt for bade instrumentalisten og realisten. Uansett hvordan man tolker Newtons mekanikk vil det alltid vre en grunn til at noe beveger seg, og man ender opp med et deterministisk syn pa mekanikken, bade realisten og instrumentalisten ville vre enige om at eplet falt nedover. Derimot i moderne fysikk vil skillet mellom fysikere bli strre. Ikke lenger ligger forskjellene bare i hvorfor noe hender, men ogsa hva som hender. 2 Om forfatteren Det kan vre kjekt og vite noe om forfatteren av `Fysikk og virkelighetsoppfatning' [10], Arnt Inge Vistnes, fr man diskuterer tolkningene. Vistnes som er frsteamanuensis ved fysisk institutt pa universitetet i Oslo, jobber med bade forskning og undervisning. Han viser stor interesse innen `partikkel blge dualiteten', der man bruker to forskjellige bilder pa partikler, enten som en slags bitteliten klinkekule eller som en blge med utstrekning i tid og rom. Vistnes ser pa dette som en feiloppfatning av naturen [10, s. 320-322], og jobber med en mer entydig teori. [9] Et eksempel han gir er straling fra hyspentledninger. Her har stralingen veldig lav frekvens, noe som gir veldig lange blgelengder (ere tusen kilometer). Problemet her er at man kan etter dagens teorier se pa denne stralingen som en strm av partikler kalt fotoner, som da faktisk har en utstrekning ogsa pa ere tusen kilometer. [11] Dette bildet pa en bitteliten klinkekule som kan pavirke og vre tilstede i et sa stort omrade blir svrt vanskelig a se for seg, og man burde derfor stille sprsmal ved denne modellen. Vistnes nsker seg et bilde pa naturen i trad med Einstein der man igjen far `kontroll' pa fysikken og losoen den medfrer. [5] At fysikken ikke stemmer med var daglige oppfatning kan vre vanskelig a svelge. 3
3 Kausalitet og determinisme Det er to begreper som star sentralt under diskusjon av fysikkens inngrepen i losoen - kausalitet og determinisme. Ordene er tett knyttet, men har ikke av den grunn samme betydning. Bade kausalitet og determinisme star som ganske apne begreper, men jeg velger a se pa dem slik de er denert utifra Wikipedia [6, 7]. Kausalitet betegner sammenhengen mellom arsak og virkning. I korte trekk kan det beskrives ved tre setninger: ˆ Arsaken forarsaker virkningen. ˆ Arsaken kommer fr virkningen i tid. ˆ Arsaken etterflges alltid av virkningen. Selv om kausalitet kanskje oppfattes ganske opplagt i utgangspunktet viser det seg at den ikke alltid har like sterkt standpunkt i nyere fysikk. Determinisme forklarer naturen, og alt annet, som en ubrutt rekke av hendelser. Dersom man kjenner til egenskapene ved et tidspunkt vil egenskapene ved et senere tidspunkt vre bestemt. Dersom egenskapene ved senere tidspunkt viste seg a fravike det forutsette, vil det kun skyldes ufullstendig kjennskap til startbetingelsene. I tillegg ser vi bort i fra sprsmal som ikke direkte kan knyttes opp mot fysikken, slik som for eksempel fri vilje. Vistnes velger a se pa determinisme pa samme mate. [10, s. 315]. 4 Kvantefysikk Kvantefysikk beskriver naturen ved bruk av blger. En lrebok i faget vil beskrive denne blgen som en sannsynlighet for hvilke egenskaper man kan male ved partikler. After all, a particle, by its nature, is localized at a point, whereas the wave function is spread out in space. How can such an object represent the state of a particle? The answer is provided by Born's statistical interpretation... [2, s. 2] Slik far studenter en frste beskrivelse av hva blgen prver a fortelle oss. Blgen forteller oss nemlig at dersom vi foretar en maling pa en partikkel vil det vre strre sjanse for at partikkelen `dukker opp' der blgen er hy, og mindre sjanse der den er lav. Videre kompliseres problemet ved at Griths spr 4
Suppose I do measure the position of the particle, and I nd it to be at point C. Question: Where was the particle just before I made the measurement?... [2, s. 3] Her far studenten ikke noe svar, men blir heller introdusert for tre tolkninger: 1. Realistisk: Man kan konkludere med at ogsa rett fr vi gjorde en maling befant partikkelen seg ved punkt C. Dette standpunktet frer itilfelle med seg at kvantefysikk er ufullstendig av den grunn at den forutsa bare sannsynligheten for at den var der, selv om den allerede befant seg der. 2. Ortodoks: Partikkelen hadde ingen posisjon fr vi malte. Var observasjon produserte resultatet, og partikkelen inntok en posisjon. Enkelt nok unnlater man seg a svare pa hvordan og hvorfor partikkelen `valgte' akkurat punktet C. 3. Agnostisk: Nekter a svare pa sprsmalet. Siden eneste maten a vite en partikkels posisjon er a male eller observere den gir det ingen mening i a snakke om noen posisjon fr man faktisk har malt. Den realistiske tolkningen her passer overens med det realistiske synet i `Fysikk og virkelighetsoppfatning'. En person som velger a tro pa partikkel som ikke bare et begrep, men ogsa et faktisk eksisterende objekt, ma se seg ndt til a tvile pa formlenes kompletthet. Mange velger a se pa den statistiske delen her bare som en manifestasjon av vare begrensninger. Ved a velge et slikt standpunkt kan man opprettholde et deterministisk syn pa naturen. Man tenker seg at den tilsynelatende indeterminismen kun skyldes at kvantefysikk ikke beskriver alt. Det instrumentalistiske bildet pa fysikken ligner kanskje mest pa den agnostiske forklaringen til Griths. Man nekter a se for seg eller anta noe som helst. Ved a frata seg et slikt ansvar oppnar man en flelse av a kunne bedrive fysikk i sin reneste form, uten a hindres av daglige forestillinger om naturen. For noen virker kanskje dette som en lsning pa vare problemer. Ulempen er at det vil redusere var fysiske tolkning av situasjoner, og alt koker egentlig bare ned til matematikk. Man kan da sprre seg om det gir mening med en fysikk kun bestaende av matematikk, uten a knytte det til vare oppfatninger om naturen. Tross alt br jo beregningene til slutt knyttes til noe vi kan se eller fle eller observere pa annen mate? I sammenheng med det realistiske bildet om en ufullstendig kvantefysikk kan det vre lurt a se litt pa tradisjonel statistisk fysikk. 5
Bare noen fa gram med sto inneholder omtrent 10 23 (1-tall med 23 nuller etter seg!) atomer. Med sa mange atomer blir det i praksis umulig for bade mennesker og datamaskiner a forutsi hvert enkelt atom. For a likevel kunne gi gode resultater ved utregning av stoenes egenskaper antar man at hvert atom oppfrer seg tilfeldig. Man kan ved utregning da fortelle noe om hvilket utfall som er mest sannsynlig. For eksempel er det strst sannsynlighet for at varme strmmer fra et varmt objekt til et kaldt. Selv om varmen kan strmme motsatt vei vil det vre sa usannsynlig at ingen noengang kommer til a klare a male det. Pa samme mate kan en se for seg kvantefysikkens statistikk som en ikke komplett beskrivelse. En viktig forskjell her er at statistisk fysikk er bygget opp etter viten og vilje for a beskrive et komplisert system. Et system vi i teorien kan forutsi nyaktig, men i praksis kommer til kort. Statistisk fysikk er med andre ord ikke en egen grunnleggende teori, heller mer en studie av ikke-statistiske teorier i stor skala. Kvantefysikkens blgeligning derimot er ment som en helt egen teori. Ingen vet hvilke ikke-statistiske lover som ligger bak, dersom den viser seg a vre ufullstendig. 5 Filososke konsekvenser Fysikk ma ikke reduseres til ren matematikk, og fysikk ma ikke bare vre estetikk for a sette ting pa spissen. En vaskeekte fysiker br ha nr kontakt med bade fenomenene og formalismen. [12, s. 1] Slik er en del av innledningen til et kurs Vistnes holdt i `svingninger og blger'. Det viser hvor viktig det er a alltid nne fornuftige middelveier og se pa ere aspekter ved problemer. En ren realistisk fysikk er vanskelig a forestille seg. Ved a henge seg opp i forestillinger, og ha alt veldenert ville man sette seg fast istedet for a oppna resultater. Et eksempel er var sken etter mindre elementrpartikler. Ved selv de minste partiklene kan man fortsatt sprre seg hvorfor partikkelen har visse egenskaper, som igjen krever kunnskaper om enda mindre bakenforliggende strukturer. Man kan nesten sammenligne det med en unge som spr `hvorfor det?' gjentagende. Blir det i det hele tatt meningsfyllt a gi en partikkel vi ikke kan se eller observere direkte egenskaper? Pa samme mate ville en ren instrumentalistisk fysikk ikke gitt noen mening. Nettopp av den grunn av at man skal forklare naturen som noe som er fysisk eksisterende for oss ville man endt opp med en selvmotsigelse. Man ma jo til syvende og sist slutte a se pa fysiske fenomener som rene begreper og formler, og tilegne de egenskaper som gir mening i var daglige verden. Har man i det hele tatt behov for a beregne eller male posisjonen til en partikkel dersom en ikke vil innse at partikkelen virkelig nnes? 6
Til a begynne med hadde de store forskerne mange personlige meninger om hvordan kvantefysikk kunne, og skulle, brukes. Einstein var realist og hadde stor tro pa en deterministisk teori. Formlene og de fysiske lovene skulle forutsi alt, og dersom annet hendte var enten teorien feil, eller malingene for lite nyaktige. Noen ar tidligere hadde Einstein gjort store oppdagelser med sin relativistisk mekanikk, en annen teori som ogsa gikk imot var daglige intuisjon. Likevel bar ikke denne teorien preg av samme ubestemthet som kvantefysikkens statistikk. Ting kunne gjerne vre uforstaelig, men ikke tilfeldig. `Gud kaster ikke terning' mente Einstein [10, s. 314]. Ordene gir et perfekt bilde pa at fysikken na rikket ved bade losoen og religionen til forskerne. Bohr pa den andre siden hadde stor tro pa kvantefysikken og gikk sa langt som a pasta at blgefunksjonen inneholdt `alt som det er mulig a fa kjennskap til' om en partikkel [10, s. 313]. Ved hjelp av blgefunksjonen beskrives partikkelens egenskaper. Denne instrumentalistiske oppfatningen frer til at fysikken blir ikke-deterministisk og sannsynlighetsbestem av natur. Partikkelen eksisterer, men vi vet ikke sa mye om den som vi kanskje skulle nske. Som svar pa Einsteins utsagn om Gud valgte han a svare at det ikke er var oppgave a fortelle gud hvordan han skal styre verden [10, s. 314] En annen mate a se verden pa blir vist gjennom Stephen Hawking som uttryker at The unpredictable, random element comes in only when we try to interpret the wave in terms of the posisitions and velocities of particles. But maybe this is our mistake: maybe there are no posistions and velocities, but only waves. It is just that we try to t the waves to our preconceived ideas of positions and velocities. The resulting mismatch is the cause of the apparent unpredictability. [3, kapittel 12] Denne tolkningen ligner kanskje mer pa et agnostisk standpunkt. Ved a forkaste alle forestillinger om verden slik vi kjenner den og godta at noe vi ikke vet hva er, er alt som nnes, oppnar man en ny realitet. Fordelen er at man bevarer bade kausalitet og determinisme pa en konsistent mate. Ulempen med et slikt synspunkt vil vre at man ma forkaste alle daglige oppfattelser av naturen, og alt reduseres til blger vi ikke har noen dagligdags oppfatning eller bilde av. 6 Observasjonens inngrepen Et lite forstatt fenomen innen kvantefysikk er fenomenet fysikere kaller `kollaps av blgefunksjonen'. Fenomenet opptrer hver gang man foretar en 7
maling pa sma systemer. La oss si vi maler posisjonen til en partikkel; siden partikkelen er en blge benner den seg ikke noe sted i utgangspunktet, men nar vi maler posisjonen nner vi den et bestemt sted. Malingen sies da a ha kollapset blgefunksjonen til a benne seg nyaktig ett sted i rommet. Etter malingen er gjort ser man for seg at blgen igjen yter ut og fyller et omrade igjen. Det interresante med denne eekten, som er bekreftet gjennom eksperimenter, er at ingen har kommet til noe bestemt svar pa hva som er `en maling' eller `en observasjon'. Noen mener at kollapsen opptrer i skillet mellom noe mikroskopisk og noe makroskopisk, det vil si nar store ting henter informasjon om sma ting. Andre igjen mener en maling nner sted nar det noe blir registrert av et bevisst vesen [2, s. 5] Fenomenet ser ut til a stemme overens med en realists standpunkt. Partikkelen eksisterer, og nar vi frst vet hvor den er er det overdig a snakke om en blge. Posisjonen er tross alt bestemt. For en med et ytterst instrumentalistisk standpunkt, slik som Hawking ser for seg, virker det for meg overdig at blgen skal kollapse for a passe inn med var oppfattelse av partikler, dersom det er en feiloppfattelse. 7 Relativitetsteori Relativitetsteorien til Einstein omhandlet systemer med hy energi (store masser eller hastigheter). I slike tilfeller pasto han at rom-tiden krummer seg. Ved a se for seg rom og tid som (nesten) likestilte dimensjoner, kunne man forklare mange fenomener man ikke forsto tidligere. I et slikt bilde vil to observatrer kunne ha et forskjellig inntrykk av avstander, tidslengder og samtidighet. At ikke samtidighet og tid lenger var veldenert, kunne skape problemer for kausaliteten. Lsningen pa disse tilsynelatende forskjellene var at de to observatrene opplevde forskjellig krumning av rom-tiden. Hendelsene i seg selv hadde faste posisjoner i de re dimensjonene, og fora bevare kausaliteten postulerte Einstein at ingen informasjon (signal, kraft, objekt, etc.) kunne formidles raskere enn lysets faste hastighet i rom-tiden. Siden dette ga gode forklaringer pa mange problemer matte man ogsa ha en kvantefysikk som stemte overens med relativitetsteorien. Paul Dirac jobbet med dette og i 1928 kom han frem til en blgeligning som bade innehold kvantefysikk og relativitetsteori. Under et foredrag i Sveits 1952 problematiserer Werner Heisenberg denne sammenblandingen [4, s. 161-163]. Siden partikler i kvantefysikk har en 8
utstrekning, eller uskarphet, kan ikke avstanden et foton har beveget seg bestemmes eksakt. Dermed vet man ikke eksakt hvor langt lys og informasjon har hatt mulighet til a formidles. Da oppstar det problemer for a beskrive hvordan partikler vekselvirker (pavirker) hverandre, som kan lses ved istedet a skape problemer for tidsbegrepene `na', `fr' og `etter'. Kausalitet er et begrep som tydeligvis henger i en tynn trad. 8 Er kvantefysikk deterministisk? Det a gi et bestemt svar pa om kvantefysikken er deterministisk eller ikkedeterministisk viser seg svrt vanskelig. Siden sprsmalet dekker bade fysiske og lososke oppfatninger vil alt avhenge av hvilket standpunkt hver og en av oss tar. Uansett hvordan man ser pa sprsmalet kan man trygt si at denne nye fysikken ikke er deterministisk slik man normalt ser det for seg. For a forene determinisme med kvantefysikken blir en ndt til enten a forkaste alle vante begreper og forestillinger om naturen eller sette tvil om teoriens kompletthet. Jeg forstar godt at Vistnes er misfornyd med en fysikk som gir rom for lososke tolkninger, en fysikk som ikke fullt ut forstas. Men uansett hvor forvirrende temaet fremstar, er det ne med en slik situasjon at kommende losofer og fysikere ikke ser ut til a bli arbeidsledige med det frste. 9
Litteraturliste [1] Epler og prer. Fra nett: 11.03.10. http://www.norsknettskole.no/fag/ressurser/itstud/fuv/osebean/leikeaktiviteter.html. [2] David J. Griths. Introdoction to Quantum Mechanics (2.edition). Pearson International, 2005. [3] Stephen Hawking. A Brief History of Time. Bantam Press, 1998. [4] Werner Heisenberg. Atomfysikk og kausallov. In Exphil 1. Filoso- og vitenskapshistorie. IFIKK, UiO, 2008. [5] Arild Opheim (NRK). Fysikeren mot strmmen. Fra nett: 11.03.10, jan 2009. http://www.nrk.no/programmer/tv/schrodingers katt/1.6433246. [6] Wikipedia the free encyclopedia. Determinisme. Fra nett: 16.03.10. http://no.wikipedia.org/wiki/determinisme. [7] Wikipedia the free encyclopedia. Kausalitet. Fra nett: 16.03.10. http://no.wikipedia.org/wiki/kausalitet. [8] Susanne Viefers. Fys2140. Forelesning, aug 2009. [9] Arnt Inge Vistnes. Cv. Fra nett: 11.03.10. http://www.fys.uio.no/ arntvi/cv05aiv.pdf. [10] Arnt Inge Vistnes. Fysikk og virkelighetsoppfatning. In Exphil 1. Filoso- og vitenskapshistorie. IFIKK, UiO, 2008. [11] Arnt Inge Vistnes. Fys2130. Forelesning, Var 2009. [12] Arnt Inge Vistnes. Kompendium - fys2130. Fra nett: 16.01.09, jan 2009. http://www.uio.no/studier/emner/matnat/fys/fys2130/v09/. 10