”Kvantfysik är inte ett dugg irriterande”

Frank Wilczek tycker om att läsa äldre vetenskaplig litteratur. Han återvänder gärna till kända föregångare som Galilei, Newton och Maxwell – eller till en 2 400 år gammal filosof som Platon. I hans bransch är det ovanligt.

Wilczek är professor i fysik vid MIT och vid Stockholms universitet; han studerar naturens beteende på kvantnivå vid forskningens absoluta frontlinje. År 2004 delade han Nobelpriset i fysik med David Gross och David Politzer för en beskrivning av den kraft som binder kvarkar till varandra inuti protoner och neutroner. Senare tiders upptäckter innebär inte att äldre litteratur har blivit irrelevant, förklarar han.

– Det är en lyx att kunna umgås med stora tänkare. Vad jag framför allt gillar med att läsa äldre mästare är att se hur de brottades med sina problem. De kom fram till hypoteser som vi nu vet är felaktiga, men det utvidgar tanken att försöka föreställa sig själv i deras situation, och ibland upptäcker jag idéer som hade kunnat utvecklas längre. 

Wilczek är en glad och lågmäld 71-åring. Hans rum på forskningscentret Alba Nova har en glasvägg mot en stor balkong. Han tar på sig en panamahatt när vi sätter oss i solen; bakom honom står en grill.

Som tonåring fick Wilczek syn på tvättmedlet Axion, och tyckte att det skulle vara ett bra namn på en elementarpartikel. Innan han fyllt trettio hade hugskottet blivit verklighet. År 1978 insåg Wilczek att en nyupptäckt typ av kvantfält borde ge upphov till en ny partikel – och döpte den efter tvättmedlet, eftersom den avlägsnade ett besvärande problem. 

Axioner kan vara en del av lösningen på problemet med mörk materia. Universum innehåller sex gånger mer materia än de partiklar vi känner till. Vi kan se att materien finns där på grund av dess gravitation, men ingen vet ännu vad den består av. Gravitationslinser är ett vackert exempel. I sällsynta fall kan stjärnor hamna bakom en galax vars gravitation böjer ljuset, så att stjärnan framstår som ett kors av fyra punkter, eller uttänjd till en båge. Detta förutsågs redan av Einstein; problemet är att ljuset böjs mycket mer än det borde, vilket innebär att galaxen innehåller mer materia än vi kan förklara.

I sin nyutkomna populärvetenskapliga bok Fundamentalt skriver Wilczek att han ”arbetar med att försöka fylla luckor i vår förståelse”. Frågan är i hur stor utsträckning man kan vara medveten om sina egna kunskapsluckor.

Kanske finns den största luckan mitt framför näsan, utan att man ser den?

– Det man lär sig när man studerar historiska texter är att folk inte inser vilka möjligheter som ligger öppna för dem. Euler, den berömde 1700-talsmatematikern, skulle sannolikt, om han hade fortsatt i en viss riktning, ha kunnat upptäcka vad vi kallar icke-abelska gaugefält. De är avgörande för att förstå interaktionen mellan elementarpartiklar, och identifierades först två hundra år senare. Utvecklingen hade alltså kunnat snabbas upp rejält.

– En annan sak som har slagit mig är att grekiska matematiker skulle ha kunnat betrakta tiden som en fjärde dimension, vilket leder till att man börjar fundera över hur kurvor utvecklas över tid, vilket i sin tur leder till integralkalkyl. De hade alla redskap som behövs.

Vilka luckor är mest intressanta att fylla just nu?

– Jag sysslar bland annat med något som kallas anyoner. Det är partiklar med ett slags minne, och det gör att de skulle kunna bli användbara i kvantdatorer. Om jag vidgar frågan till sådant som jag inte själv arbetar med, skulle jag säga att den mest iögonfallande uppgiften handlar om att förstå – på molekylär nivå – hur medvetande uppstår ur materien. Jag skulle vilja få en tydligare bild av våra upplevelser, hela vägen ner till kvantmekaniken, så att jag kan peka på en ekvation och säga: Okej, det där är jag.

Hur kan en partikel ha minne?

– Partiklar av det här slaget beskrivs genom sin vågfunktion. Det som händer när partikeln rör sig är att dess vågfunktion förändras på ett sätt som visar hur den har rört sig. Om man skyddar ett sådant system från yttre störningar och håller det kallt, kan det fungera som en tillräckligt pålitlig lagringsmekanism.

Den kraft som gav Wilczek hans Nobelpris blir paradoxalt nog svagare ju närmare varandra kvarkarna befinner sig. Tänk dig två magneter som är ointresserade av varandra när avståndet mellan dem är noll, men som sliter allt hårdare i varandra när du försöker dra isär dem. Det är en av många underligheter som gör att kvantfysik kan verka obegriplig, fascinerande eller irriterande. Wilczek betraktar kvantfysikens paradoxer från den fascinerande sidan.

– Jag gillar verkligen kvantfysik! För mig är den inte ett dugg irriterande. Det krävs en hel del fantasi för att komma underfund med den, eller med relativitetsteori, som är mycket lättare att förstå. Det är kul och det utvidgar tänkandet.

När vi utforskar fysikens gränser, utforskar vi samtidigt gränserna för människans förståelse. Kvantfysiken tänjer dessa gränser ganska långt. En foton har inget gemensamt med de föremål i mänsklig skala som vi har erfarenhet av; den uppför sig som om den kunde passera genom två hål samtidigt, eftersom den är både vågrörelse och partikel. Jag frågar Frank Wilczek om vi kommer att nå en gräns bortom vilken forskningen inte kan fortsätta, därför att naturen bortom den blir alltför främmande för människans medvetande.

– Det tror jag inte. Människans medvetande kan skaffa hjälp. Vi kan ta hjälp av datorer, och av nya sätt att visualisera våra resultat. Det behöver heller inte handla om ett enda medvetande, utan om en gemenskap, där man förstår saker tillsammans. Vill man förstå kvantmekanik är det mycket man måste lära sig av med, precis som man också måste lära sig mycket. Man gör det genom att titta på ekvationerna, genom att börja med de enkla exemplen. På det sättet kan man bygga upp en sorts intuition. Det går att ta den här väldigt främmande världen och göra den till sin.

Kvantvärlden må vara bisarr, men våra kunskaper om den har vi haft stor praktisk nytta av, berättar Wilczek. Den teoretiska grund som lades i början av 1900-talet ledde till att vi kunde utveckla transistorer några årtionden senare – utan transistorer ingen elektronik och inga datorer. Idag kan man hitta tillämpade kunskaper från kvantfysik i allt från GPS-navigering till solceller. 

Du arbetar också med något som kallas tidskristaller. Vad är det?

– En kristall är en struktur där atomer har ordnats på ett regelbundet sätt i rummet. En tidskristall är en typ av material som har en regelbunden struktur i tiden. Grundidén är att de fungerar som klockor, de vill vara klockor.

Finns de i naturen eller är de människotillverkade?

– De mest övertygande tidskristallerna är människotillverkade. De skulle kunna användas som väldigt exakta klockor. Vi har redan atomur som är mycket exakta, men de är stora och klumpiga. Tidskristaller skulle också kunna utnyttjas som klockor i kvantdatorer, eftersom de fungerar bättre ihop med kvantfysik än vanliga klockor.

Vad säger den senaste forskningen om universum – kommer det att expandera för alltid, eller är det på väg att dra ihop sig till en ny big bang? 

– För närvarande tyder våra beräkningar på att det kommer att utvidgas för alltid. Det kommer till och med att expandera allt snabbare ju längre tiden går, men här behöver man ha lite perspektiv på frågan. För några år sedan hade folk en helt annan uppfattning om universums framtid. Och för hundra år sedan hade de ingen uppfattning alls! De diskuterade till och med om vår galax utgjorde hela universum. Saker har ändrat sig en hel del, och de kommer att hinna ändra sig några gånger till under den närmaste miljarden år.

***

Läs även: AI-expert: ”Vi kan bli utrotade”

Läs även: DNA-studier väcker liv i kontroversiell forskningsdebatt