Hjem Op

Virkeligheden ifølge Bohm

Ib Ravn

Fysikeren David Bohm har fremsat en fortolkning af kvantemekanikken, der i modsætning til Niels Bohrs danner et konkret billede af virkeligheden på kvanteniveau. Bohm indfører begrebet kvantepotentiale for at få greb om den ikkelokalitet (øjeblikelige forbindelse mellem fjerne steder), der så afgørende kendetegner kvantemekanikken. Kvantepotentialets orden er ikke den velkendte kartesiske, hvor ting opholder sig pænt uden for hinanden, men en såkaldt indfoldet orden, hvor delen rummer information om helheden, i analogi med hologrammets organisering af bølgedannet information.

Trykt som kronik i Politiken, 9. maj 1989

I 1951 sendte den unge fysiker David Bohm eksemplarer af sin netop udgivne lærebog i kvantemekanik til Niels Bohr og Albert Einstein. Han håbede på at få reaktioner fra begge de to store fysikere, der som bekendt holdt på hver sin hest i spørgsmålet om, hvad den nye fysik havde at sige om virkeligheden.

Bohm fik ikke noget svar fra Bohr, men Einstein inviterede ham til at komme over til sig og drøfte kvantemekanikkens utilstrækkelighed. Bl.a. på grund af disse samtaler vendte Bohm sig mod Niels Bohrs opfattelse af kvantemekanikken og fremlagde siden adskillige alternativer, hvoraf den mest kendte er baseret på "den indfoldede orden".(1)

I denne uge, næsten fyrre år senere, er David Bohm på besøg i Niels Bohrs København. Her skal han fremlægge sine stadig kontroversielle synspunkter for fysikerkolleger på H.C. Ørsted Instituttet, holde et offentligt foredrag og forestå et tre-dages dialogmøde.(2)

Lærebogen fra 1951, Quantum Theory, blev til i en dyster periode i Bohms liv. Han havde som studerende og et par år efter sin Ph.D.-grad arbejdet under Robert Oppenheimer, der ledede Manhattan-projektet med atombomben under anden verdenskrig og som senere blev anklaget for kommunistisk virksomhed. Også Bohm blev indkaldt for McCarthys Komite for Uamerikanske Aktiviteter og blev udspurgt om gamle kolleger. Han nægtede at vidne og blev derfor, et år senere, tiltalt for foragt mod Kongressen.

Mens han ventede på at sagen skulle komme for, blev han af Princeton-universitetet, hvor han var ansat som adjunkt, bedt om holde sig væk, hvilket uventet gav ham tid til at færdiggøre sin lærebog. Tiltalen mod ham blev senere droppet, men da hans kontrakt med Princeton udløb var det ham umuligt at finde arbejde i USA, på trods af at han var en yderst lovende og produktiv ung forsker. Ved venners hjælp fik han universitetsansættelse i Brasilien og har siden 1961 været professer i teoretisk fysik ved University of London.

Bohm havde skrevet sin lærebog i et forsøg på at forstå Niels Bohrs opfattelse af kvantemekanikken, den såkaldte københavnerfortolkning. Einstein mente, at bogen fremstillede kvantemekanikken så klart det kunne lade sig gøre med Bohrs opfattelse, men han ansporede Bohm til at søge meget dybere end Bohr havde gjort. Forsøget på at nå videre end københavnerfortolkningen har optaget Bohm lige siden.

For at forstå Bohms utilfredshed med københavnerskolen må vi skelne mellem to ting, der ikke altid holdes adskilt i den populære forståelse af kvantemekanikken. På den ene side har vi kvantemekanikken som et matematisk apparat, der beskriver småpartiklernes verden og bruges til at forudsige målinger og iagttagelser med. Det er en enestående stærk teori, der efter titusindvis af efterprøvninger endnu ikke er blevet modsagt.

På den anden side har vi spørgsmålet om kvantemekanikkens fortolkning: hvad betyder kvantemekanikkens mange matematiske udtryk; hvordan ser dén fysiske virkelighed, som de beskriver, egentlig ud? Mange af kvantemekanikkens formalismer er så besynderlige, at de ikke umiddelbart lægger op til noget billede af, hvordan kvanteverdenen ser ud.

Kvantemekanikken som matematisk apparat til forudsigelse af resultater er der praktisk taget ikke nogen uenighed om blandt fysikere i dag, heller ikke hvad Bohm angår. Det er i spørgsmålet om kvantemekanikkens fortolkning at vandene skilles. Fysikere er med andre ord enige om, hvilke ligninger de skal bruge i beregningen af kvantebegivenheder, men de kan være vildt uenige om, hvilket billede af virkeligheden, som disse ligninger og beregninger lægger op til.

Det var sidst i 1920'erne gået op for de fleste fysikere, at den klassiske fysiks billeder af virkeligheden ikke kunne bruges i kvantemekanikken. Stoffets mindstedele, som f.eks. elektroner og neutroner, kunne man dårligt forestille sig som små massive kugler, for de opførte sig snart som partikler, snart som bølger. Og disse bølger var ikke engang konkrete bølger, det var "sandsynlighedsbølger". Man kan ikke forudsige præcis hvordan en elektron vil opføre sig; man kan kun angive en sandsynlighed for at den vil gøre dette eller hint.

Kender man en egenskab ved en elektron meget præcist, påvirker det hvor præcist elektronen besidder en anden bestemt egenskab. På mange andre måder synes selve det at elektronen bliver iagttaget at indvirke på dens egenskaber. Objektiv viden om verden er derfor ikke mulig i kvantemekanikken, ikke engang principielt, som forudsat i den klassiske fysik.

Hvad skulle man stille op med alle de mærkværdigheder? Hvis kvanteverdenen ikke ligner den velkendte Newtonske verden med faste legemer i mekanisk vekselvirkning, overvåget af en objektiv iaggtager, hvordan ser den så ud?

Niels Bohr tacklede dette fortolkningsproblem med umådelig forsigtighed. Han advarede til stadighed mod at bruge klassiske billeder og det vante hverdagssprog sprog i beskrivelsen af kvantevirkeligheden. Det afgørende nye ved kvantemekanikken var, at man må inddrage iagttgelsessituationen i beskrivelsen af virkeligheden. Det eksperimentelle arrangement er et hele, sagde Bohr; ændrer man det, ændrer man også på elektronens egenskaber. En elektron har ikke nogen egenskaber i sig selv; det har den først når den indtræder i en bestemt målingssammenhæng.

Bohrs opfattelse er nøjsom fortolkning af kvantemekanikken, fordi den mener at løse anskueliggørelsesproblemet ved at nægte at tale om det. Blandt hans efterfølgere og senere generationer af fysikere forfaldt københavnerfortolkningen da også til at være et indirekte forbud mod at tænke over hvordan virkeligheden er indrettet - for det nytter jo ikke noget, der gives ingen billeder, det er blot bagstræberi, sentimental længsel efter en tidligere tids simple fysik.

I det sidste årti har fortolkningsdiskussionerne fået en renæssance, bl.a. i kraft af David Bohms arbejde. Han hæftede sig tidligt ved iagttagelsessituationens helhed, som Bohr udpegede som central for kvantemekanikken. Men Bohm kunne ikke forstå hvad der var særligt ved iagttagelsessituationen. Var det ikke mere rimeligt at forestille sig, at denne helhed gælder generelt mellem alle universets fænomener?

Det vil sige, det er ikke noget ved vekselvirkningen mellem instrument og partikel eller endog ved iagttagerens bevidsthed, der skaber iagttagelsessituationens helhed. Det er simpelthen en generel egenskab ved fysiske legemer, at de hænger sammen på en lange dybere og mere subtil måde end vi hidtil har antaget i fysikken, fandt Bohm frem til. Var dette ikke mere logisk end at antage, at en iagttagers bevidsthed har en mirakuløs evne til at kalde elektroner (og i sidste instans hele universet) frem fra sandsynlighedstågerne og gøre dem virkelige, som københavnerfortolkningen forudsætter?

Ifølge Bohm er det denne universelle helhed, der er det afgørende nye i kvantemekanikken - ikke det statistiske aspekt, ikke objektivitetens sammenbrud, ikke iagttagerens rolle. For Bohm er det væsentligt nye det forhold, at man må forstå helheden som primær og diverse adskilte legemer (partikel, instrument, iagttager) som sekundære, dvs. afledte af den fundamentale helhed.

Denne erkendelse kræver, at vi ser virkeligheden på en helt ny måde. Vor hverdagsopfattelse siger, at universet består af ting og genstande, der befinder sig her og der i rummet. Der er en stol derovre og jeg er her; og jeg kan iagttage stolen ved, at der bevæger sig et signal (lys) derfra herover. Denne beskrivelse af verden som bestående af uafhængigt eksisterende ting, der befinder udenfor hinanden og kun kan vekselvirke ved ydre mekaniske forbindelser, kalder Bohm for "den udfoldede orden". I videnskabelig sammenhæng bruges det velkendte kartesianske koordinatsystem til at sted- og tidsfæste udfoldede genstande og begivenheder.

Koordinatsystemet som ramme for fysisk beskrivelse opstod med den klassiske mekanik og er ukritisk blevet overtaget af den moderne fysik. Det skulle krummes lidt for at passe til relativitetsteorien, men ellers er der ingen fysikere, der har taget et opgør med koordinatsystemet - og slet ikke københavnerskolen. Ifølge Bohm er det netop i kvantemekanikken, at koordinatsystemet (dvs. den udfoldede orden) mest tydeligt er utilstrækkelig som grundlag for beskrivelse.

For Bohm er den udfoldede orden er et overfladelag af virkeligheden, som den viser sig for vore sanser og kendes fra den klassiske fysik. Dybere set er det ikke adskilthed der præger billeder, men helhed. Ikke en helhed hvor alle de adskilte ting bare er klasket sammen, men en helhed der går forud for tingenes adskilte eksistens, et slags ophav hvorfra de skiller sig ud og senere opsluges igen.

Det er med udgangspunkt i en vekslen mellem indfoldet og udfoldet orden, at elementarpartiklerne og de andre kvantefænomener skal forstås. For at anskueliggøre dette trodser Bohm københavnerskolens billedforbud og diskuterer Bohm adskillige analogier eller billeder på, hvorledes man kan visualisere kvantevirkeligheden. Det gamle billede med legemer i mekanisk vekselvirkning svarer til den udfoldede orden, men hvordan kan vimere visuelt opfatte den indfoldede orden?

Her peger Bohm på den velkendte flod-analogi. Hvis virkeligheden sammenlignes med en flod, så ligger den indfoldede orden i flodens strømmende aktivitet, og den udfoldede orden består af de hvirvler der opstår på overfladen. Disse hvivler er dynamiske mønstre eller kanaliseringer af den dybereliggende strømmen, som gennemvæver og forbinder alle hvivlerne. Hvivlerne svarer til vor dagligdags genstande og den klassiske fysiks legemer og partikler, hvis indbyrdes afstande og vekselvirkninger kan kortlægges hvis man lægger et koordinatsystem ned over dem.

Flod-analogien hjælper os til at huske på, at hvivlerne, dvs. udfoldede genstande og partikler, er blot stabile struktureringer af en dynamisk energi, virkelighedsflodens strømmen. Disse strukturer har ingen selvstændig eksistens og de varer ikke evigt; de er sekundære og kun relativt stabile manifestationer af den primære, bagvedliggende strømmen. Flodens flyden er det primære, og den udgør i dette billede en helhed, der brydes op i adskilte dele hvor hvirvler opstår.

Flod-billedet udtømmer på ingen måde Bohms fortolkning af kvantemekanikken; det er kun et af mange billeder han bruger til at anskueliggøre den indfoldede orden. Et mere velkendt billede er hologrammet. Der er nemlig det karakteristiske ved den indfoldede orden, at her er helheden indfoldet i hver del. Dette er, i en vis begrænset forstand, også tilfældet i et hologram, som netop er en statisk optagelse af en dynamisk indfoldet orden, nemlig lys. Hver del af hologrammet indeholder information om helheden; man kan se hele den holograferede genstand i en vilkårligt afgrænset del af et hologram.

Taler vi mindre billedligt og mere konkret fysisk, så beskriver er den indfoldede orden en beskrivelse af universet som "ikke-lokalt". En lokal opfattelse af universet, som er langt den mest dominerende blandt fysikere i dag, siger at ting er adskilte, ligesom i den udfoldede orden, men med den præcisering, at legemer eller signaler ikke kan bevæge sig fra det ene sted i rummet til det andet med hastigheder der overstiger lysets, dvs. ca. 300.000 km/s. Dette lokalitetetsprincip er en konsekvens af relativitetsteorien, som jo altså også er opbygget omkring koordinatsystemet og den udfoldede orden.

Bohm mener ikke den lokale opfattelse af universet er dækkende. Den er blot et levn fra den klassiske mekaniks udfoldede verden, og den må ses som relativ i forhold til en mere dybtgående, ikke-lokal indfoldet orden. Normalt ser vi ikke meget til denne ikke-lokalitet, for den optræder kun ved meget lave temperaturer eller i meget små (subatomere) systemer.

Ind imellem slår den dog igennem i den makroskopiske verden, f.eks. i de meget omtalte eksperimenter af franskmanden Alain Aspect i begyndelsen af 1980'erne, hvor det påvistes, at to i rummet vidt adskilte partikler er nøje korreleret på en ikke-lokal måde.(3) Også i fænomenet superledning ses en ikke-lokal koordinering af partikler, påpeger Bohm. I superledning flyder en elektrisk strøm uden energitab, idet elektronerne her bevæger sig på en globalt harmonisk (dvs. ikke-lokalt koordineret) måde, således at ledningens modstand overvindes.

Denne ikke-lokale eller indfoldede orden bæres af noget Bohm kalder kvantepotentialet.(4) Snakker Bohm generelt ontologisk, altså om hvordan virkeligheden er alment indrettet, bruger han begrebet indfoldet orden; snakker han mere konkret fysisk-teknisk, er kernepunktet kvantepotentialet.

Kvantepotentialet er en fysisk størrelse, som Bohm finder frem til ved at ommøblere lidt på kvantemekanikkens fundamentale ligning. Denne ligning beskriver således ikke længere den københavnske sandsynlighedsfordeling for elektronen, men to forskellige ting: dels en nærmest klassisk partikel, og dels et felt (kvantepotentialet) som styrer denne partikels bevægelser.

Det interessante ved dette felt er, at dets indflydelse på elektronen ikke er traditionelt mekanisk, og elektronen er derfor ikke ganske en klassisk partikel. Kvantepotentialets virkning på elektronen er "formativ" eller "informativ", på samme måde som et radiofelt styrer en modelflyver ikke ved at skubbe på den med en mekanisk kraft, men ved at give den "information" om hvor den skal flyve hen. Både modelflyver og elektron bevæger sig ved sin egen kraft, men "guides" altså af et felt der omgiver dem.

Endvidere er kvantepotentialet sådan indrettet, at det ikke aftager i styrke med større afstand, hvilket vil sige at selv meget fjerne faktorer kan have en indflydelse på elektronens adfærd. Ethvert område af universet kan have en indflydelse på ethvert andet område. Universet som helhed er indfoldet i hver enkelt del af universet; det er en indfoldet orden.

Dette forklarer ifølge Bohm hvorfor de to partikler i Aspekt-eksperimentet kan opføre sig så overensstemmende på trods af den store indbyrdes afstand: de styres stadig af det samme kvantepotentiale, som for begge partiklers vedkommende indeholder information om hvad der sker for den anden. Hvor ikke-lokalitet optræder er det fordi kvantepotentialet er relevant for begge de forbundne fænomener.

Men i de fleste tilfælde vi kender til, her i vores udfoldede sanseverden, er kvantepotentialets indvirkning ubetydelig og kan glemmes (bølgeligningen "faktoriseres" til uafhængige udtryk), og derfor opstår vores fornemmelse af universet som bestående af uafhængige udfoldede brudstykker og genstande.

Det væsentlige her er at forstå den indfoldede orden som universelt primær og udfoldede begivenheder som noget, der hører til det meget begrænsede udsnit af virkeligheden, som vi har adgang til via vores sanser. Således forsøger Bohm sig med en fortolkning af kvantemekanikken, der ikke som i københavnerfortolkningen viger tilbage for at tale om hvordan kvantevirkeligheden kan tænkes at se ud.

Bohm er meget omhyggelig med at at understrege at det blot er et forslag han fremlægger; han har fremlagt andre forslag tidligere, men forslag skal der til, mener han. Det vil i morgen på H.C. Ørsted Instituttet vise sig hvordan Niels Bohrs danske arvtagere stiller sig til Bohms seneste forslag, kvantepotentialet og den indfoldede orden.

(1) David Bohm: "Helhed og den indfoldede orden". Forlaget Ask, 1986.

(2) Det offentlige foredrag, arrangeret af New Thinking Network, finder sted lørdag d. 13. maj kl 13.00 i København. Billetter a 50 kr. bestilles på tlf. 06 12 74 77, to.-fr. 11-14.30. De andre møder er lukkede.

(3) Fysikeren Peder Voetmann Christiansen afviser den ikke-lokale fortolkning. Se tidsskriftet Paradigmas temanummer "Fysik og virkelighed" (75 kr., bestilles på 06 25 99 25).

(4) Se David Bohm og F. David Peat: "Videnskab og kreativitet." Forlaget Ask, udk. juni 1989. Kan bestilles på 06 25 99 25.