Abstract.
I denne artikel fremhæves Niels Bohrs helt unikke intuition, og det hævdes at han belært af kvantemekanikken har anet/set et revolutionært nyt vilkår for os som ”iagttagere af den verden hvoraf vi selv er en del”. Her er det essentielle udtrykt med den originale bohrske formulering som han igen og igen tilføjede i tale og skrift i den sidst halvdel af sit liv. Han pointerer altså at vi kun kan opnå et tilfredsstillende forhold til os selv og naturen hvis vi ser os selv som en uadskillelig del af den - og tilmed i en kategorisk grad som vil overraske enhver. God fornøjelse!
Kvantemekanikken
Kvantemekanikken er afslutningen i år 1927 på en helt fantastisk periode i fysikkens historie som begyndte i år 1900. Hvad der skete overrumplede totalt fysikerne som i slutningen af 1800-tallet mente de kendte alle grundprincipperne og alle de nødvendige naturlove og bare skulle regne nogle detaljer færdigt.
I 1894 sagde en kendt fysiker Michelson: ”Fremtidige videnskabelige fremskridt vil vise sig på den sjette decimal”. Det viste sig at være verdenshistoriens eklatant største hybris.
For hvad der herefter fulgte, viser hvor hurtigt og totalt virkeligheden[i] kan ændre sig. Michelson overså en ægte anomali[ii], den ultraviolette katastrofe. Det drejer sig om udsendelse af elektromagnetisk stråling fra overflader altså bl.a. det røde lys fra en kogeplade man har glemt at slukke eller det hvide lys fra en gammeldags glødelampe. Katastrofen er, at med den beskrivelse man havde, ville energiudsendelsen gå mod uendelig når man gik ud i den ultraviolette ende af spektret.
I år 1900 arbejdede den tyske fysiker Max Planck med denne katastrofe. Han puslede med nogle antagelser om lyset og fandt nogle der fjernede problemet, men hvis betydning han ikke kunne forudse.
I 1905 forklarede Einstein så den såkaldte fotoelektriske effekt ved at bruge Plancks ideer. Og her opførte lyset sig som partikler. Og så var fanden løs, for den engelske fysiker Young havde i 1804 vist at lys var bølger. Hvad er så lys?
Dualiteten bølge/partikel var en gennemgående udfordring i det forståelsesmæssige kaos der prægede de første år efter Plancks og Einsteins opdagelser.
Bohrs, i 1913 publicerede atommodel for brintatomet, blev den ultimative udfordring for alverdens fysikere. Om det gennembrud sagde Einstein i 1949: “At dette usikre og modsigelsesfyldte grundlag var nok til at en mand af Bohrs enestående instinkt og takt kunne opdage de overordnede love ... forekom mig at være et mirakel, selv i dag. Dette er den højeste form for musikalitet i tankens sfære”[iii].
Men det var meget svært at acceptere.
Da Bohr tidligt på sommeren 1914 holdt seminar om sit arbejde med brintatomet i Göttingen og München affødte det bemærkninger som ”Hvis ikke det er vrøvl, giver det i hvert fald ingen mening” og andre af samme skuffe.
Der var også den ubetinget velvillige: “Det er alt sammen så dybt sært og utroligt, men denne danske fysiker ligner i den grad et originalt geni, at jeg ikke tør nægte at der kan være noget i det”[iv] - ikke fordi han forstod noget som helst, men fordi Bohr lignede…!! Det blev sagt af Max Born som senere bidrog afgørende til den endelige formulering af kvantemekanikken.
Modellen kunne forklare atomets emission og absorption af elektromagnetisk stråling og forklare de smukke spektre hvis kilde man hidtil ingen ide havde om. Resultaterne blev imidlertid opnået på basis af postulater tilsyneladende taget ud af den blå luft og yderligere ved at forkaste to hellige køer som man indtil da havde troet var en helt selvfølgelige og ubetvivlelige egenskaber ved naturen, kontinuiteten (naturen gør ikke spring, Natura non facit saltus) og årsagsloven (enhver hændelse har en årsag).
I samme grad som modellen var overbevisende, gav den således inspiration og mod til fremover om nødvendigt at forkaste alle medbragte forestillinger.
I de følgende år afslørede eksperimenter med atomer et gådefuldt puslespil som man måtte forsøge at samle med dristige forklaringer.
Bohr selv arbejdede videre med atomernes opbygning. Og i 1922 strømmede der igen spændende rygter fra København, nu fra det netop i 1921 oprettede Universitetets institut for teoretisk fysik - af alle kaldt Bohrs Institut, officielt i 1965.
Rygterne foranledigede en invitation til Bohr fra Göttingen, hovedsædet for matematik og teoretisk fysik i Tyskland, til at holde syv forelæsninger over 10 dage om de forunderlige fremskridt, der var opnået. Her præsenterede Bohr sit korrespondensprincip, et ad hoc-princip, spøgefuldt kaldt en tryllestav som kun virkede i København. Men i Bohrs hænder frembragte den forbløffende resultater.
I Göttingen mødtes Werner Heisenberg og Bohr for første gang. Heisenberg studerede fysik hos Sommerfeld i München og Sommerfeld tog sin begavede unge studerende, han var da 20 år, med til Göttingen og mente at han nok kunne lære noget. Hvad Sommerfelt næppe havde forstillet sig, var at han medbragte en sand gave til udviklingen af kvantemekanikken. Heisenberg var så meget inde i sagerne at han turde bryde ind i Bohrs forelæsning og påpege en fejl.
Det var alle tiders for Bohr. Han bød Heisenberg med på en spadseretur i skovene omkring instituttet hvor de snakkede fysik, og Bohr fortalte om hvordan man dyrkede fysik i København. Dér startede et enestående makkerskab som styrede udviklingen frem mod kvantemekanikken med tilhørende ’københavnerfortolkning’.
I 1969 beretter Heisenberg i en erindringsbog om sine år med Bohr og skriver om Göttingen:
For første gang forstod jeg, at Bohrs syn på hans egen teori var meget mere skeptisk end mange andre fysikeres ... og at hans indsigt i teoriens struktur ikke var et resultat af en matematisk analyse af de grundlæggende antagelser, men snarere af en intens besættelse af de faktiske fænomener, således at det var muligt for ham at fornemme intuitivt i stedet for at udlede formelt. …. Bohr var primært en filosof, ikke fysiker ...”.
Ad den første sætning: Bohr karakteriserede gennemgående sine indsigter som foreløbige.
I 1925 lykkedes det Werner Heisenberg sammen med Born, som jeg citerede før, at formulere en fuldtudviklet kvantemekanik som grundlæggende var partikelbaseret. Men dermed var ikke alt sagt. I oktober 1926 fik Instituttet besøg af østrigeren Erwin Schrödinger som havde en teori baseret på bølger. (NB: helt fra starten og til nu denne partikel/bølge-dualisme.)
Heisenberg mente de kunne nøjes med hans teori, den virkede jo. Men Bohr så – karakteristisk for ham - en afgørende udfordring i at de atomare enheder tilsyneladende både kunne være partikler og bølger: ”Selv ikke den matematiske formalisme hjælper. Jeg må først forstå hvordan naturen undgår modsætninger”.
De måtte diskutere videre for at få en forståelse af dette dilemma. Heisenberg og Bohr havde grænseløs respekt for hinanden, og vidste også at de behøvede hinanden. Alligevel tænkte de så forskelligt at de ikke kunne nå afklaringen sammen. Udfordringerne gik dem på i en sådan grad, at der måtte ske noget drastisk. Så viste Bohr nok en gang sin helt personlige arbejdsmetode(!): Han tog på tre ugers skitur i Norge alene i vildmarken, mens Heisenberg var glad for at blive ladt alene hjemme. For Bohr gjaldt det klar luft og højt til loftet. For Heisenberg var det papir og blyant.
De forudgående intense diskussioner mellem dem havde imidlertid modnet to afgørende dele af løsningen, så tre uger var nok til den endelige afklaring. Bohr vendte hjem med den filosofiske løsning - komplementaritetsprincippet, og matematikeren Heisenberg havde fundet sine ubestemthedsrelationer. Så forskellige de end syntes, så supplerede og kompletterede de hinanden perfekt.
Det var så i foråret 1927. Da den femte Solvay kongres blev afholdt i oktober 1927 var kvantemekanikken kun et halvt år gammel. De var der alle sammen:
Einstein på første række i midten og Bohr beskedent i anden række helt ude til højre.
Det var her den legendariske disput mellem Bohr og Einstein startede. Einstein var utilfreds med kvantemekanikken. Den indebar flere ting som stred mod hans videnskabelige intuition. Bohr tog den i forsvar.
Diskussionen var især koncentreret om et af Einstein fremført dobbeltspalteeksperiment. Det var et tankeeksperiment som man kunne analysere med kvantemekanikken, og så ville det give en forudsigelse som Einstein fandt umulig.
Hør i et brev fra Ehrenfest til Goudsmidt fra 3. november 1927 hvor festligt det gik for sig:
”Solvay var fint! Lorentz, Planck, Einstein, Bohr,
Heisenberg, … og jeg. Bohr tårnede fuldstændigt op over dem alle. Til at
begynde med var han slet ikke forståelig for nogen. (...),Derefter
trin for trin besejrede han 
alle.
Naturligvis igen Bohrs forfærdelige besværgende terminologi. Umuligt for nogen anden
at opsummere. (Stakkels Lorentz som tolk mellem briterne og franskmændene, der
var helt ude af stand til at forstå hinanden. Og Bohr reagerer med høflig
fortvivlelse når han bliver opsummeret.) Hver nat ved 01:00 kom Bohr ind på mit
værelse bare for at sige et eneste ord til mig - indtil 03:00. Det var dejligt
for mig at være til stede under samtalerne mellem Bohr og Einstein. Ligesom et
spil skak. Einstein hele tiden med nye eksempler. I en vis forstand et perpetuum mobile af anden art for at bryde ubestemthedsrelationen.
Bohr ud af filosofiske røgskyer konstant søgende efter redskaber til at knuse
det ene eksempel efter det andet. Einstein som en jack-in-the-box: hopper frisk ud hver morgen. Åh, det var uvurderligt.
Men jeg er næsten uden forbehold pro Bohr og contra Einstein. Hans holdning til
Bohr er nu præcis ligesom holdningen hos modstanderne af hans
relativitetsteori. (...) !!!!!!! bravo Bohr !!!!!! ”
(”et perpetuum mobile af anden art” er en virkelig morsom karakteristik for en fysiker. Det er en evighedsmaskine som kan trække energi ud af varm luft uden at have et kredsløb mellem varme og kulde. Det er umuligt. Brevet var vel oprindeligt kun tænkt som intern kommunikation. Men det er ikke en pæn karakteristik af Einsteins optræden.)
Dobbeltspalteeksperimentet er naturligvis udført senere. Og så falder det ikke desto mindre ud i overensstemmelse med kvantemekanikken.
Eksperimentet er ikke kompliceret. Det er sågar udført af min søn i 3.g (med blot lidt hjælp fra farmand mht. apparaturet). Her vises en tegning fra mine noter og min søns resultater. Hans søster var samtidigt en slags praktikant på Sønderborg Sygehus og havde dér adgang til et mikroskop som kunne fotografere filmbillederne.
Hvis man sender lys
ind mod en dobbeltspalte, vil man se at der kommer ringbølger ud på den anden
side. På filmen ser man derfor en sværtning hvor to toppe mødes og ingen
sværtning hvor top møder dal.
Men kigger man så nøjere på filmen, så fremstår sværtningen som et resultat af helt små prikker. Lyset ankommer som partikler.
Samme eksperiment kan laves med elektroner. De frembringer bølgeinterferensfuldstændigt som fotoner ved dobbeltspalten, også hvis de udsendes enkeltvis.
Hvis det skal resultere i interferens, så må den enkelte elektron dele sig i to halvdele, en til hver spalte, og derefter interferere med sig selv. - Nej, den forklaring kan ikke godtages.
Eller hvis den ikke deler sig og er en virkelig partikel, så kan den kun passere igennem én spalte, og så må dens videre færd hen mod filmen for - sammen med de følgende elektroner - at danne striberne være afhængig af en spalte som den ikke går igennem.
For at understøtte sit synspunkt foreslog Einstein en ændring af opstillingen som muliggjorde detektering af hvilken spalte elektronen passerede igennem mens den stadig opførte sig som en bølge for dermed at frembringe den modsigelse at elektronen var både en partikel og en bølge samtidigt. Men her kunne Bohr ved hjælp af Heisenbergs ubestemthedsrelationer påvise at hvis man søger en partikel, så finder man én, men så forsvinder interferensen. Så er det ikke en bølge, så er det en partikel.
Vi kan se de to fremtrædelsesformer hver for sig, men aldrig samtidigt.
Det er essensen af komplementaritetsprincippet. Og således undgår naturen modsigelser.
Komplementære forhold er almindelige i vores sproglige begreber:
retfærdighed <-> barmhjertighed, følelse <-> fornuft m.m.
Her er det tale om en kontinuert forskydning mellem de to begreber, mere af det ene betyder mindre af det andet (som mellem sted og hastighed i Heisenbergs ubestemthedsrelationer).
Spinoza ser en dybere komplementaritet mellem udstrækning og tænkning:
”En tanke kan således enten studeres som en hjerneproces eller som en bevidsthedsakt, men ikke på begge måder samtidig, da det er ét og det samme, der fremtræder som hjerneproces og som bevidsthedsfænomen.”[v] idet han mener at ”vi mennesker kun er i stand til at erkende noget som enten udstrækning eller tænkning” v.
Her er der tale om en kategorisk komplementaritet (som partikel contra bølge).
Jeg bruger den samme komplementaritet til at løse den frie viljes problem.[vi]
Denne verdens elementære objekter har ikke deres egenskaber før vi registrerer dem. Vi er ikke bare helt banalt en del af verden. Vi er så totalt integreret i verden at den først får sin fremtræden for os når vi registrerer den. Vi er medskabere af vores egen virkelighed.
Det gælder den atomare verden, og som grundlag for vores makroskopiske verden burde det vel også gælde her? Og det gør det også:
Verden er, mere kan vi ikke sige om verden. Lige så snart vi siger mere, er det vores tolkning af vores oplevelser i verden. Denne tolkning er vores virkelighed, og den ændrer sig når vi får nye oplevelser at tolke. Sådan har det været med f.eks. de skiftende verdensbilleder, og sådan vil det være med fremtidens.
Vores virkelighed bliver først til for os i det øjeblik vi iagttager den. Der eksister her en uundgåelig selvreference. Vores aktuelle videnskabs mål, at forstå verden som den er i sig selv ved at distancere sig fra den og iagttage den udefra, kan ikke realiseres. Sådan er vores vilkår som iagttagere af den verden, hvoraf vi selv er en del. Denne sentens optrådte gang på gang i Bohrs foredrag og artikler i den sidste halvdel af hans liv. Han mente tydeligvis at være på sporet af selvreferencens afgørende betydning for vores bevidsthed i forhold til verden. Sådan kender vi ikke vores bevidsthed i dag. Men måske kan en fremtidig bevidsthed fremstå sådan.
Status er altså:
Både mikroskopisk og makroskopisk er vi selv
et uundgåeligt led mellem verden og vores virkelighed. Den er ikke uden os - og
vi ikke uden den naturligvis.
Og dermed kan vi se hvorfor Feynman må give fortabt, jf. claus.munchow.net/Talks/Feynman.htm og altså løse den ene af de to anomalier der har beskæftiget mig: Han møder sig selv ved dobbeltspalten, men ønsker at vide hvad der sker i den mikroskopiske verden uafhængigt af ham selv. Det er ikke muligt. Spørgsmålet kan ikke gives mening.