Aksepterer ikke selvmotsigelsen i lys

De fleste fysikere er klinkende klare: Lys må av og til oppfattes som bølger og av og til som partikler. Førsteamanuensis Arnt Inge Vistnes mener forklaringen er selvmotsigende. Han har investert én million kroner i nytt optisk utstyr for å finne en bedre beskrivelse av lys.

NY BESKRIVELSE: – Forklaringen på lys er ulogisk og konfliktfylt i mange sammenhenger. Det er på tide å finne bedre beskrivelser og forstå de fenomenene vi observerer på en annen måte, påpeker førsteamanuensis Arnt Inge Vistnes på Fysisk institutt. Foto: Ola Sæther

Førsteamanuensis Arnt Inge Vistnes på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo er som kjerringa mot strømmen.

Selv om internasjonale fysikere mener dagens oppfatning av lys er opplest og vedtatt, leter Oslo-fysikeren etter en annen forklaring på lys.

– Gjennom historien har fysikere vekslet mellom å beskrive lys som partikler eller som bølger. De siste hundre årene har vi fysikere sagt som Ole Brumm: “Ja takk, begge deler.” Men denne forklaringen er ulogisk og konfliktfylt i mange sammenhenger. Det er på tide å finne bedre beskrivelser og forstå de fenomenene vi observerer på en annen måte, påpeker Arnt Inge Vistnes.

Han leter nå etter nye beskrivelser av lys, i et flunkende nytt, kvanteoptisk laboratorium til én million kroner.

Uenigheten

På slutten av 1600-tallet hevdet den nederlandske vitenskapsmannen Constantijn Huygen (1629–1695) at lys måtte være bølger.

Isaac Newton (1642–1727) mente derimot at lys bestod av partikler. Han forklarte fargeblandingen med at det fantes røde, grønne og blå lyspartikler. Oppfatningen hans ble nesten enerådende i hundre år.

På begynnelsen av 1800-tallet gjorde den britiske vitenskapsmannen Thomas Young (1773–1829) et eksperiment som lett kunne forklares hvis lys ble oppfattet som bølger, men som ikke var mulig å forklare med partikkelmodellen.

DYPT UENIGE: Bohr og Einstein var dypt uenige om hvordan man skulle forstå bølgefunksjonen i kvantefysikken. En del av striden handlet om tolkningen av egenskapene til en lyspartikkel. Foto: Paul Ehrenfest

– I løpet av en periode på flere tiår, ble datidens fysikere overbevist om at lys var bølger og at Newton hadde tatt feil, forteller Arnt Inge Vistnes.

På begynnelsen av nittenhundretallet viste Albert Einstein (1879–1955) at det var mulig å beskrive den såkalte fotoelektriske effekten (som opptrer når et metall gir fra seg elektroner under påvirkning av lys), hvis man betraktet lys som partikler, mens det derimot var vanskelig å forklare den fotoelektriske effekten hvis lys var bølger.

– På 1920-tallet skar Niels Bohr (1885–1962) og andre fysikere igjennom diskusjonen med å si at lys oppfører seg iblant som bølger og iblant som partikler, og at det hele avhenger av hvordan eksperimentet er satt opp. Men en slik oppfatning rommer en selvmotsigelse, hevder Arnt Inge Vistnes.

Første paradoks

Overfor Apollon demonstrerer han et paradoksalt eksperiment. En lysstråle blir sendt inn og splittet i en glassterning. Noe av strålen sendes rett frem og noe av strålen til venstre. Så sendes begge strålene via et speil og samles igjen i ett punkt.

– Da kan man se at de to strålene enten forsterker hverandre eller svekker hverandre. Det kan bare forklares om lys er bølger. Det gjelder også for vilkårlige, lave lysintensiteter. Men kutter vi speilet, viser det seg at lys ved lav intensitet enten går rett frem eller til venstre etter glassterningen, og altså ikke begge veier. Dette kan bare forklares om lys er partikler. Dette er en selvmotsigelse. Det er altså en direkte konflikt mellom oppfatningen av lys som bølger og lys som partikler, når man skal beskrive dette eksperimentet.

Etterlyser bedre beskrivelse

Arnt Inge Vistnes mener også at dagens oppfatning av lys som fotoner gir et altfor stort tolkningsrom. Et foton er det samme som en lyspartikkel.

ARAGOS FLEKK: Den lyse flekken midt inne i skyggebildet av en kule ble oppdaget av franskmannen Arago tidlig på 1800-tallet, etter at matematikeren Poisson mente det måtte være en slik flekk, såfremt lyset kunne betraktes som en bølge. Observasjonen hadde stor betydning for at folk oppfattet lys som bølger og ikke som partikler. Foto: UiO

– Foton kalles den lysmengden som sendes ut fra et atom, men ingen definerer et foton likt. Noen tenker seg et foton som en bitte liten ball. Den beskrivelsen liker jeg ikke. Jeg innbiller meg at man heller må jobbe med fotoner som variable størrelser. Man kan tenke seg et foton som en elektromagnetisk bølge i en viss del av rommet. Problemet er at fysikere ikke er flinke nok til å presisere hva de mener med ordene fotoner og bølger. Vi er så vant til at lys forklares med bølger og partikkel-dualiteten at fysikere ikke ser på dette som et problem, men det er et problem i aller høyeste grad. Vi vil derfor ha mer presise definisjoner på lys.

Andre paradoks

Sammen med studentene sine gjennomfører Arnt Inge Vistnes eksperimenter på bølge/partikkel-dualismen for å forsøke å knekke enda et paradoks innen moderne fysikk.

Paradokset førte i sin tid til stor uenighet mellom Bohr og Einstein. De var uenige om hvordan man skulle forstå bølgefunksjonen i kvantefysikken. En del av striden dreide seg om lokal realisme .

Einstein mente at når et foton farer av gårde, har fotonet hele tiden med seg en bestemt egenskap. Dette kalles lokal realisme. For feinschmeckerne, de som ikke allerede har falt av lasset, er denne bestemte egenskapen en såkalt veldefinert polarisering, der svingningene på tvers av fartsretningen enten er horisontale eller vertikale.

– Bohr var sterkt uenig. Han mente det ikke var mulig og svarte på sin måte: “Dette er et uinteressant spørsmål.” Bohr mente at ting ikke kunne ha noen bestemte egenskaper før målingene var gjort. Dette er omtrent som å spørre om det er noen vits i å diskutere månens eksistens, selv om man ikke kan se den.

I 1935 foreslo Einstein at striden mellom ham og Bohr skulle avgjøres gjennom eksperimenter.

Problemet var at det den gang ikke var mulig å gjennomføre eksperimentet til Einstein i praksis.

BLÅTT LYS: Når man varmer opp denne spesielle krystallen til 38 grader, forvandles infrarødt lys til blått lys. Hvis det blå lyset sendes inn i en lignende krystall, skapes sammenfiltrete infrarøde fotoner. Eksperimentet var ikke mulig å gjennomføre på Einsteins tid. Foto: Ola Sæther

Eksperiment ga Bohr rett

I dag er det enklest å gjøre eksperimentet med sammenfiltrete fotoner. Sammenfiltrete fotoner er to fotoner med et gjensidig avhengighetsforhold, og et av de mest spektakulære fenomenene i lys.

– Eksperimentene ble først mulig å gjennomføre på åttitallet. Selv da var det vrient. Først for ti år siden ble det mulig å gjennomføre disse eksperimentene på en relativt enkel måte.

Hvis man bruker partikkelmodellen for lys, kan man ved å sende et foton inn mot en svært spesiell krystall, få ut to fotoner samtidig. Hvert av disse to fotonene har den halve energien av det første. Det spesielle er at begge fotonene har den samme polariserte egenskapen.

Einstein hevdet at hvis man klarte å måle polarisasjonen til det ene fotonet, ville man med sikkerhet også kunne si noe om polarisasjonen til det andre fotonet. Og hvis man ikke kjente egenskapen, ville man likevel vite at egenskapen var der. Einstein mente derfor det var korrekt å tenke lokal realisme.

Kvantefysikeren John Stewart Bell (1928–1990) satte i 1966 opp en meget sentral matematisk beskrivelse av sammenfiltrete fotoner, som endte opp med Bells ulikhet. De fleste fysikere mener i dag at analysen til Bell favner alle tenkbare forklaringsmodeller basert på lokal realisme.

Over førti år etter diskusjonen mellom Bohr og Einstein gjennomførte den franske fysikeren Alain Aspect (1947–) i 1980 sitt berømte eksperiment på sammenfiltrete fotoner. Eksperimentet førte til at han ble foreslått til Nobelprisen i fysikk.

– Eksperimentet ble tolket dit hen at Bohr hadde rett og at Einstein tok feil.

LASER: – Laserlys er intenst og har andre spennende egenskaper enn sollys og lampelys, forteller Arnt Inge Vistnes. Foto: Ola Sæther

Filosofiske konsekvenser

Arnt Inge Vistnes mener at oppfatningen til Bohr har store filosofiske konsekvenser.

– Eksperimenter med sammenfiltrete fotoner tolkes slik at hvis det skjer en forandring på det ene fotonet, skjer det umiddelbart også en forandring på det andre fotonet – uten tidsforsinkelse. Dette er en kontroversiell uttalelse. Endringen skal kunne skje selv om de to fotonene befinner seg flere kilometer fra hverandre. Man reduserer den tankemessige utfordringen hvis man sier at de to fotonene egentlig er ett og samme foton. Det vil si at hvis man gjør en endring på det ene av de to sammenfiltrete fotonene, gjør man i virkeligheten en endring på begge to samtidig. Det strider mot vår oppfatning at man øyeblikkelig kan oppnå en forandring ett sted ved å gjøre noe et helt annet sted i rommet.

Kjetterske tanker

– Bare de færreste fysikere setter spørsmålstegn ved tolkningen av sammenfiltrete fotoner i dag. Hvis du godtar tolkningen til Bell, har Bohr rett. Vi er likevel kjetterske nok å tenke andre tanker. Dagens beskrivelse av lys er en fascinerende selvmotsigelse. Vi mener det er nødvendig å se på argumentasjonsrekken til Bell og spesielt om bølge/partikkel dualismen spiller inn. Vi vil derfor gjøre eksperimenter på sammenfiltrete fotoner og de fenomenene som ligger bak Bells antakelser, for å se om det er mulig å finne sannsynlige forklaringer som ikke skaper så mye filosofisk bry. Vi ser at det finnes en mulighet for en tolkning som ikke er dekket av Bells beskrivelser for alle mulige modeller.

Og den innbefatter?

– Det er umulig å forklare med få ord. Vi har brukt år på å komme frem til andre tolkninger. Men for å si det enkelt: Jeg mener at Einstein kan ha rett, eller at sannheten ligger er sted mellom oppfatningene til Bohr og Einstein, hevder Arnt Inge Vistnes.

SKILLER LYS: Dette apparatet skiller ut flere stråler fra samme laserstråle. Foto: Ola Sæther

Lego-byggeklosser

Det kvanteoptiske laboratoriet er satt sammen omtrent som avansert Lego. Byggeklossene er linser og speil i holdere, ulike filtre, krystaller, detektorer og lasere. Mange av byggeklossene måtte spesialbestilles. Noen av dem er laget på instrumentverkstedet på Fysisk institutt.

Hva slags nytte har denne forskningen?

– Dette er grunnforskning uten anvendelse, så vi leter først og fremst etter en erkjennelse. Men får vi en annen oppfatning av lys, kan det få praktisk anvendelse, fordi lys er en essensiell del av mye. Vi håper på publiseringsvennlige data allerede til sommeren.

“Banner i kjerka”

Fysikere internasjonalt trekker på skuldrene over forsøkene på Blindern. De mener dagens oppfatning av lys er opplest og vedtatt.

– Mange mener vi “banner i kjerka”, men jeg er ikke alene om å tenke tankene mine. Selv Einstein var helt frem til sin død ikke trygg på at bølge/partikkelmodellen var en god nok beskrivelse av lys. Jeg er svært sikker på at noen vil finne en bedre beskrivelse enn vi har i dag. Jeg vil være storfornøyd om vi kan bidra aktivt i denne prosessen, sier Arnt Inge Vistnes på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:46
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere