Kvantfysikens mysterier i LiU-professorns populärvetenskapliga bok

Hur kan geckoödlan springa uppochned i taket?
Hur finner flyttfåglarna sin väg över halva jordklotet?
Och hur fungerar MR-kameran?

Bild på manlig forskare och bok. Joar Svanvik. Foto: Ulf Sirborn

Kvantfysik spelar en stor roll i svaren på alla de frågorna. Joar Svanvik är kirurg och professor emeritus vid Linköpings universitet. Tillsammans med en grupp forskare och en journalist har han skrivit boken ”Kvantfysiken och Livet”.
- Bakgrunden är insikten om att vi förstår så lite om den fysiska världen, säger Joar Svanvik. En ökad förståelse kan ge en ökad insikt också i så kallad Life Science och möjligheten att bota sjukdomar. Vi började skriva egna kapitel som vi sedan sammanförde och diskuterade. Vår förläggare ville dock ha en bok som var skriven med en röst, inte en antologi.

Ekvationerna ströks

Fem män poserar i en trappa.Tomas Lindblad, Joar Svanvik, Göran Johansson, Ingemar Ernberg, Göran Wendin. Foto Ulf SirbornDärför tog de kontakt med vetenskapsjournalisten Tomas Lindblad som sammanställde materialet mer populärvetenskapligt. Och därmed ströks delar som algoritmer och Schrödinger-ekvationen.
- En del säger att boken är lite svår, men vi har samtidigt inte velat spekulera för mycket. Men vi ville ha både intresseskapande och korrekt innehåll. Syftet har varit att berätta om kvantfysiken begripligt och samtidigt koppla den till biologin. I dag finns ju ett vetenskapligt begrepp, kvantbiologi, som är på frammarsch. I boken går de metodiskt igenom olika begrepp inom kvantfysiken och kopplar dem till fotosyntesen, fåglarnas förmåga att hitta hem och till och med vårt medvetande. De går också in på mer konkreta saker som elektronmikroskopet och MR-kameran.

färgglad, animerad bild på atom och partiklar.
Mycket abstrakt

Kvantfysiken, eller kvantmekaniken, handlar om hur materiens allra minsta delar samverkar. Den förefaller mycket abstrakt för de allra flesta och kan endast förklaras med matematiska modeller. Eller med metaforer och ofullständiga bilder där betraktaren måste acceptera många konstiga fenomen.
Som att en partikel samtidigt kan vara både en fast partikel och en vågrörelse.
Kvantfysiken eller kvantmekaniken växte fram redan i början av 1900-talet och har sedan tillämpats alltmer för att räkna ut hur man till exempel ska göra transistorer och magnetkameror. Utvecklingen av den kraftfulla kvantdatorn är ett annat exempel.

Kvantbiologi vid middagsbordet

På senare år har bland andra David Wineland och Serge Haroche visat hur kvantfysiken fungerar och kan testas. Det gav dem 2012 års Nobelpris i fysik. Och det var efter en föreläsning i samband med tillkännagivandet som Joar Svanvik hamnade i en diskussion med kvantfysikern Göran Johansson vid middagsbordet.
- Vi diskuterade om kvantfysik kan vara inblandad i biologin, fysiologin och medicinen. Kvantfysiken går ju så ofta på tvären mot vår intuition. Kan den ge underliggande svar inom det som vi kallar för livsvetenskaperna? Saker som vi inte kan svara på i dag.

De ville inte avsluta diskussionen och utvidgade gruppen till fyra forskare: Göran Wendin, teoretisk fysiker, Göran Johansson, kvantfysiker samt Ingmar Ernberg, tumörbiolog. De kallade gruppen för HUBIQ, ”Human Biology and Quantum Physics” och startade en hemsida, www. HUBIQ.se. I sju års tid möttes de för diskussioner varannan månad, ofta över en helg i en sommarstuga på olika platser i landet. Där i diskussionerna mellan fysiker och medicinare hände något.

Idén om boken

- Vi fick sänka nivån så att alla kunde förstå varandra. Det var så tanken på en populärvetenskaplig bok vaknade, säger Joar Svanvik.
Bild på vetenskapsmannen Albert Einstein.Albert Einstein. Foto: PixabayMed korta kapitel och medryckande ingångar tar boken upp fenomen inom kvantmekanik med referenser till berömda fysiker, som Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger och Richard Feynman.

Ett av fenomenen är så kallad tunnling, som kan förklara geckoödlans märkliga förmåga att springa uppochned i taket. Detta har fascinerat forskare från antiken fram tills i dag -  kanske för drömmen om att kunna återskapa samma förmåga hos människor. Redan på 1930-talet försökte vetenskapen att förklara detta med elektrostatiska laddningar, men nådde inte hela vägen. Med hjälp av modern nanoteknologi och kvantfysik har man upptäckt att de smala håren under geckoödlans fötter tycks avslutas med extremt tunna nanotrådar, bara fem till tio nanometer tjocka. Alltså lika tunna som väggen hos en biologisk cell. Gapet i kontaktytan mellan nanotråden blir lika litet som avståndet mellan atomerna i en molekyl.

Det är i den här mikrovärlden som kvantmekaniken regerar. Elektronen, partikeln som alltså även kan beskrivas som våg, kan röra sig på ett sätt som klassisk fysik inte tillåter. Det är tunnling. 

- Laddade elektroner rör sig mellan den tunna nanotråden och underlaget. Foten blir positivt laddad och underlaget negativt. Och på så vis uppstår en elektrostatisk laddning som håller fast foten.

Fåglarna och magnetism

Flyttfåglar i v-formation.Flyttfåglar. Foto: PixabayEtt annat exempel är fåglarnas förmåga att hitta hem. Redan 1978 föreslog den tyska forskaren Klaus Schulten att fåglarna kan ”se” jordens magnetfält - och han förklarade det med kvantmekanik. Han hade sett att kemiska reaktioner kan påverkas av svaga magnetiska krafter. Elektroner som rör sig parvis kan brytas upp av en ljuspartikel, en foton, som ger en av elektronerna en kick och skickar över den till en grannmolekyl. Resultatet blir två molekyler där den ena har en extra elektron och den andra har ett hål. De blir ett radikalpar som hamnar i ett ”två-elektron-tillstånd” där de kan reagera på svaga magnetiska förändringar.
- Mekanismen kräver ljus och därför blev det naturligt att den skulle finnas i ögat. Det ljuskänsliga flavoproteinet, kryptokrom, i näthinnan hos många djur har visat sig viktigt.

Schulten, tillsammans med kollegan Thorsten Ritz, antog att kryptokrom-molekylerna sitter ordnade parallellt på näthinnan. Ett svagt magnetfält skulle då falla in mot de ljuskänsliga molekylerna med olika vinkel beroende på var i ögat de sitter. Och resultatet blir ett mönster av hur magnetfältet ”ser ut”.

Engelsk utgåva

Boken ”Kvantfysiken och Livet” är nu på väg ut i en engelsk, utvidgad upplaga. Gruppen HUBIQ fortsätter att träffas digitalt för att diskutera de biologiska tillämpningarna av kvantfysik.
- Jag tror att forskare behöver beskriva saker populärvetenskapligt för att ge en bild av vetenskapens betydelse, och jag tycker att universiteten är ganska medvetna om det i dag.

Själv har han en bakgrund av ett långt yrkesliv som kirurg och forskare av olika kirurgiska sjukdomar. Efter pensionering har han också av ren nyfikenhet varit skeppsläkare i Norra ishavet och Antarktis.
- Jag fortsätter att arbeta så länge jag kan. Forskande kommer att vara i förgrunden med tanke på allt vi inte vet. Nyfikenheten kommer jag att behålla livet ut, säger Joar Svanvik.

KontaktVisa/dölj innehåll

Relaterat innehållVisa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiUVisa/dölj innehåll