Kvantmekaniken stödjer inte paranormala fenomen

Rikard Enberg är docent och universitetslektor i fysik vid Uppsala universitet. Hans forskningsområde är teoretisk partikelfysik. Här redogör han för varför kvantmekanik inte kommer parapsykologin till undsättning.

Psykologiprofessorn Adrian Parker vid Göteborgs universitet vill i en artikel i det förra numret av Folkvett (nr 3, 2011) hävda att kvantmekaniken kanske gör det troligt att parapsykologiska fenomen existerar. Han skriver (s. 51–52):

Det är troligtvis inom gränsområdet mellan fysik och psykologi som vi kommer att hitta en förklaring. Läsaren är kanske bekant med de märkliga ”icke-lokala effekter” som förekommer inom kvantfysik (Vedral 2011). De handlar om ett par tidigare ihopsatta partiklar. Fast de kan befinna sig på flera mils avstånd från varandra ställer den ena partikeln omedelbart in sig på en ändrad rotation som man tvingar den andra partikeln till. Det är inte fråga om att kommunikation sker mellan partiklarna genom rummet, utan snarare om en grundläggande sammankoppling som finns i själva naturen.

Jag var naturligtvis skeptisk till relevansen av fenomen som iakttas på kvantnivå för paranormala fenomen på psykologisk nivå. Nyligen verkar dock dessa effekter ha upptäckts på en biologisk nivå vilket sammanfattats i Scientific American (Vedral 2011). Om dessa aktuella rön får en vidare bekräftelse blir nästa stora steg att se om detta även förekommer hos hjärnor på avstånd från varandra. Om det skulle bli så står vi inför ett märkligt läge, där kvantbiologi förutsätter att paranormala fenomen finns.

Låt oss för tillfället lämna alla praktiska hänsyn därhän till hur dessa typer av effekter skulle kunna tas i bruk rent praktiskt och se vad detta principiellt handlar om. De icke-lokala effekter Parker syftar på kallas kvantmekanisk sammanflätning, eller snärjning (quantum entanglement på engelska).(1) De är ett fenomen där två partiklar (elektroner, fotoner, atomer, eller andra partiklar) på något sätt är kopplade till varandra, så att om man mäter en viss egenskap hos den ena partikeln så vet man vad en mätning av samma egenskap hos den andra partikeln kommer att ge för resultat. Ett sådant system består inte av två separata partiklar, utan de är ett enda inseparabelt objekt. (I tekniska termer kan den matematiska funktion som beskriver systemet inte skrivas som en enkel produkt av funktionerna för de två partiklarna var för sig, dvs. de kan inte separeras matematiskt.) Det klassiska exemplet är två elektroner som har sina spinnriktningar korrelerade, så att de spinner i motsatta riktningar. (En förenklad vardags­analogi är att partiklarna roterar runt en axel. Denna analogi ska man dock inte ta alltför bokstavligt.) Om man då mäter spinnriktningen för den ena elektronen så vet man omedelbart, utan fördröjning, att den andra elektronen spinner åt det motsatta hållet. Detta oavsett om den andra elektronen är mycket nära eller flera ljusår bort. Det finns dock några viktiga förbehåll att tänka på. Den kvantmekaniska verkligheten är i själva verket inte så enkel som denna förklaring.

Till att börja med är spinnriktningen hos en elektron kvantiserad, dvs. den kan bara anta vissa konkreta värden. Det innebär att om man mäter huruvida elektronens spinnaxel (eller dess magnetiska moment, vilket är ekvivalent) längs en godtyckligt vald axel pekar uppåt eller nedåt så kan spinnet bara peka uppåt eller nedåt, inte i någon annan vinkel. Detta gäller oberoende av åt vilket håll man väljer att lägga mätaxeln. Elektronen kan bara spinna runt denna axel. Det lustiga med kvantmekaniken är att svaret på frågan vilket spinn den har inte är bestämt förrän man mäter, utan bestäms i mätningen. Efter mätningen har partikeln ett väldefinierat spinn längs den valda axeln. Hur detta kan vara möjligt behöver man förstå en del kvantmekanik för att greppa och det finns inte utrymme här att gå in på detta i detalj.

I citatet ovan finns sålunda ett missförstånd av kvantmekaniken, i att Parker talar om att den ena partikeln ställer in sig på en ändrad rotation som man tvingar den andra partikeln till. Men i själva verket har alltså de två partiklarna inte någon definierad rotation förrän man tittar efter. Om de skulle ha det så vore de inte sammanflätade. Systemet existerar bara i ett kvantmekaniskt tillstånd som beskriver de olika möjligheter en mätning skulle kunna ge. Det går inte heller att tvinga fram ett visst utfall av mätningen, som alltid ger ett slumpmässigt utfall.

Kommunikation via sammanflätning?
Dessa fenomen leder också till poängen jag nu vill komma till, nämligen att det inte går att överföra information med hjälp av endast ett sammanflätat system.

Vad beror det på? Nu måste jag göra en liten utvikning med hjälp av en idealiserad situation. (Detta stycke kan nog hoppas över för den läsare som inte vill gå in på detaljer. Den som istället vill ha mer detaljer kan se t.ex. Sakurai (1994) eller Griffiths (2005) för en ingående förklaring.) Säg att vi vill försöka skicka signaler med hjälp av två sammanflätade elektroner. Då kan vi till exempel komma överens om något system för hur signaler är kodade med hjälp av elektronernas spinnriktningar. Låt oss säga att Alice skickar en elektron till Bob och behåller en annan elektron som är sammanflätad med den skickade. Hon vill skicka en digital bit information till Bob, där spinn upp i en viss riktning som vi kan kalla z-axeln betyder 1 och spinn ned betyder 0. Hon mäter att hennes elektron har spinn upp, och vet då att Bob med 100% sannolikhet kommer att mäta att hans elektron har spinn ned i förhållande till z-axeln. Men det finns inget sätt för Alice att bestämma vilket utfall hennes mätning ska få. Hon kan inte påverka utfallet, utan det finns bara en viss statistisk sannolikhet (t.ex. 50%) för att elektronen ska ha spinn upp. Hon kan inte heller skicka en signal genom att antingen välja att mäta eller att inte mäta spinnet på sin elektron. Om hon mäter spinnet på sin elektron så är Bobs mätning förutbestämd, men det finns inget sätt för honom att veta om det var fallet eller inte, för hans mätning följer samma sannolikhetsfördelning. Vidare så kan han istället välja att mäta efter en annan axel, till exempel en vinkelrät mot den ursprungliga, som vi kan kalla x-axeln. Ett kvantmekaniskt tillstånd som har spinn upp längs z-axeln är en så kallad linjärkombination av spinn upp och spinn ned längs x-axeln, så om Bob istället mäter detta spinn har han också 50% sannolikhet för upp eller ned. Det går då inte heller att bestämma att man kan mäta i två olika riktningar och försöka använda detta för att överföra signalen. (Denna typ av experiment med sammanflätade partiklar utfördes första gången i början av 80-talet för att testa de så kallade Bell-olikheterna(2)).

Ett kvantmekaniskt tillstånd, t.ex. ett sammanflätat par av elektroner, befinner sig alltså inte i ett givet tillstånd förrän efter att man har gjort mätningar av tillståndet. Före mätningen befinner sig systemet i en superposition (överlagring) av alla möjliga resultat. När mätningen sker hamnar systemet i det tillstånd som blev resultatet, men vilket av de möjliga resultaten som förverkligades är slumpmässigt. För att tillståndet hos ett sammanflätat par partiklar ska kunna påverka de tankar som formas i hjärnan, t.ex. genom en kvantberäkning i någon form av kvantdatorprocess i hjärnan (mer om det nedan), måste den information partiklarna kodar för rimligen på något sätt avläsas. Det går inte att veta vilket spinn en elektron har utan att utföra en mätning, eftersom tillståndet inte är definierat. Om man dessutom skulle vilja lista ut tillståndet för det sammanflätade paret genom att endast utföra mätningar på en av partiklarna så skulle man bara få slumpmässiga mätresultat. Detta beror på att all information om tillståndet hos det sammanflätade paret endast finns i gemensamma egenskaper hos paret. De två individuella partiklar som utgör paret bär inte själva någon information om parets tillstånd (detta diskuteras t.ex. av Zeilinger 1999).

Ingen signal kan alltså överföras med hjälp av den kvantmekaniska sammanflätningen. Även om elektroner i två hjärnor på avstånd från varandra skulle vara sammanflätade så skulle de inte kunna kommunicera på detta sätt.(3) Det är med andra ord inte möjligt för en person att på något sätt skicka meddelanden till en annan person med hjälp av kvantmekanisk sammanflätning. Detta borde omöjliggöra en kvantmekanisk förklaring av de flesta typer av paranormala fenomen.

Det finns också en koppling mellan de två hjärnorna av mer trivialt slag. Om man redan har utfört en mätning och sett att en partikel har spinn upp så vet man som sagt att den andra kommer att ha spinn ned om samma mätning utförs. Men den situationen är inte annorlunda än andra korrelationer som inte behöver kvantmekanik, som att om man har en svart och en vit kula i en urna så vet man att den andra kulan är vit om man plockar upp en svart kula. Säg att Alice och Bob får varsin sådan kula i sitt bagage men inte tittar efter vilken färg de har. Om Alice sedan åker till New York på semester och när hon öppnar sitt bagage ser en vit kula, då vet hon omedelbart att Bob har en svart kula hemma i Sverige. Det är knappast något man skulle kalla telepati, och inget man behöver kvantmekanik för att åstadkomma. Det åstadkoms mycket lättare utan att blanda in sammanflätade par. Jag tror inte heller att det är denna typ av korrelationer Parker syftar på.

Hur viktig är kvantmekaniken?
Hela denna diskussion om informationsöverföring är egentligen något akademisk, eftersom en hjärna är ett stort, varmt och vått objekt.(4) Vi vet att världen i grunden är kvantmekanisk. Kvantmekaniken borde därför i princip beskriva även vår vardagliga värld, men vi ser sällan några kvanteffekter på makroskopisk nivå. Det finns undantag, som supraledare eller polariserat ljus, men mycket av det vi ser omkring oss beskrivs av klassisk fysik. Anledningen till detta är ett fenomen som kallas dekoherens,5 som gör att ett kvantmekaniskt system på grund av störningar och växelverkan med sin omgivning förlorar sina kvantmekaniska egenskaper. Hur stora kvantmekaniska effekter kan vara beror på temperatur och andra egenskaper hos omgivningen, men för de allra flesta system försvinner kvantmekaniska effekter mycket snabbt. (Dekoherens är till exempel lösningen på paradoxen med Schrödingers katt.) Dekoherens är också ett stort hinder för att bygga kvantdatorer.

Det är tämligen oklart om kvantmekaniken har någon betydelse i hjärnan: det finns en debatt i litteraturen om huruvida kvantmekaniska processer spelar någon roll i hjärnans neuroner och mikrotubuler, eller om kvanteffekter blir irrelevanta på grund av dekoherens. För att någon effekt skulle kunna uppstå genom sammanflätning måste ett antal sammanflätade par av partiklar på något sätt etableras i två fysiskt åtskilda hjärnor utan att förlora sin koherens. Max Tegmark har gjort beräkningar (Tegmark 2000) som visar att kvanteffekter är irrelevanta i hjärnan just på grund av dekoherens. Andra har dock svarat att kvantmekaniken visst är relevant (se till exempel Hagan m.fl. 2002). Detta diskuteras även i Litt m.fl. (2006), som ger flera olika skäl till varför det enligt deras mening inte finns någon anledning att tro att kvantmekaniska processer är viktiga i hjärnan.(6)

Det verkar inte troligt att två hjärnor skulle kunna innehålla en så stor mängd sammanflätat material att det skulle kunna ge några effekter eller att de skulle bibehålla sammanflätningen länge nog. För att ett system ska kunna vara sammanflätat så måste det ha preparerats som ett gemensamt tillstånd, och delarna av systemet måste sedan ha separerats och placerats i de två hjärnorna. Från att ett biologiskt system i sig kan ha kvantmekaniska system inom sig, som hos Vedral (2011), är det ett stort steg till att upprätthålla sammanflätade system mellan dem, eller att preparera sådana system från början. Det enda man kan säga om detta är att dekoherens och frågan om gränsen mellan kvantmekaniska system och klassiska system är ett stort och viktigt forskningsområde.

Till sist vill jag påpeka att kvantmekanik är problematiskt på vissa sätt. Det är egentligen inte svårare att lära sig att använda kvantmekaniken praktiskt för att beräkna egenskaper hos atomer, molekyler, kristaller eller partiklar än vad det är att lära sig andra matematiskt involverade ämnen på universitetet. Alla fysikstudenter lär sig förstå kvantmekaniken på detta sätt, om detta är vad man menar med att förstå. Det man brukar mena när man säger att det är svårt eller omöjligt att förstå kvantmekaniken är dess grunder och dess tolkning, bland annat de märkligheter som den här artikeln berör. Dessa fenomen går dåligt att beskriva med vårt vardagliga språk, som inte är anpassat för detta ändamål. Ord har tvetydiga meningar och antyder analogier som inte är korrekta. Det finns inga klassiska (i meningen ”icke kvantmekaniska”) motsvarigheter till sammanflätning och många andra fenomen inom kvantmekaniken, så försök att förklara sådana fenomen med analogier leder lätt till inexakt eller felaktig förståelse. Man behöver helt enkelt det matematiska ramverket för att verkligen beskriva vad det handlar om. Och detta tror jag är en av anledningarna till de många missuppfattningar som finns om vad kvantmekaniken säger och inte säger. Det som kvantmekaniken faktiskt säger är i mitt tycke också mycket mer märkligt och fantastiskt än vad något sådant som telepati skulle vara om det existerade. –

Noter
1. <http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_entanglement>.
2. <http://en.wikipedia.org/wiki/Bell’s_theorem>.
3. Det finns ett fenomen som kallas kvantteleportering (http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_teleportation), där man i princip överför signaler med hjälp av sammanflätning, men det kräver i enlighet med det ovanstående förutom att man använder ett sammanflätat par av partiklar att man också skickar en vanlig, ”klassisk” signal. Det skulle lite grand ta bort poängen med Parkers idé. Det finns även en annan möjlighet att kommunicera med hjälp av sammanflätade par utan klassisk signal, men då måste man fysiskt transportera ett kvantmekaniskt system från sändare till mottagare så det rör sig inte om kommunikation på avstånd.
4. En beskrivning lånad av Litt m.fl. (2006), som diskuterar detta mer ingående.
5. <http://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_decoherence>.
6. Dock är givetvis kvantmekaniken viktig på en lägre nivå för att förstå de kemiska processerna i cellerna, och så vidare. Detta är analogt med en vanlig dator, där kvantmekaniken är omistlig för att förstå hur transistorer och integrerade kretsar fungerar, men inte behövs för att förstå hur datorns algoritmer fungerar.

Referenser
D. J. Griffiths (2005). Introduction to Quantum Mechanics, 2:a upplagan, Pearson.

S. Hagan, S. R. Hameroff, J. A. Tuszyński (2002). Quantum computation in brain microtubules: Decoherence and biological feasibility, Physical Review E 65, 061901. Tillgänglig på <http://pre.aps.org/abstract/PRE/v65/i6/e061901>.
A. Litt et al. (2006). Is the brain a quantum computer?, Cognitive Science 30, 593–603. Tillgänglig på <http://cogsci.uwaterloo.ca/Articles/quantum.pdf>.
J. J. Sakurai (1994). Modern Quantum Mechanics, Addison-Wesley.
M. Tegmark (2000). Importance of quantum decoherence in brain processes, Physical Review E 61, 4194. Tillgänglig på <http://arxiv.org/abs/quant-ph/9907009>.
V. Vedral (2011), Living in a quantum world, Scientific American, juni 2011, 21–25.
A. Zeilinger (1999). Experiment and the foundations of quantum physics, Reviews of Modern Physics 71, S288–S297. Tillgänglig på <http://rmp.aps.org/abstract/RMP/v71/i2/pS288_1>.