Demonstracja, która zmieniła idee wielkiego Izaaka Newtona na temat natury światła, była niezwykle prosta. „Można to powtórzyć z wielką łatwością wszędzie tam, gdzie świeci słońce” - powiedział w listopadzie 1803 r. Angielski fizyk Thomas Young członkom Royal Society w Londynie, opisując to, co obecnie nazywa się eksperymentem z podwójną szczeliną. A Young nie był entuzjastycznym młodzieńcem. Wymyślił elegancki i skomplikowany eksperyment demonstrujący falową naturę światła i tym samym obalił teorię Newtona, że światło składa się z ciałek, czyli cząstek.
Ale narodziny fizyki kwantowej na początku XX wieku dały jasno do zrozumienia, że światło składa się z maleńkich niepodzielnych jednostek - lub kwantów - energii, które nazywamy fotonami. Eksperyment Younga z pojedynczymi fotonami, a nawet z pojedynczymi cząstkami materii, takimi jak elektrony i neurony, jest tajemnicą, która sprawia, że zastanawiasz się nad samą naturą rzeczywistości. Niektórzy używali go nawet do twierdzenia, że świat kwantowy znajduje się pod wpływem ludzkiej świadomości. Ale czy prosty eksperyment naprawdę może to wykazać?
Czy świadomość może zdefiniować rzeczywistość?
W swojej nowoczesnej formie kwantowej eksperyment Younga polega na wystrzeliwaniu pojedynczych cząstek światła lub materii przez dwie szczeliny lub otwory wycięte w nieprzezroczystej barierze. Po jednej stronie bariery znajduje się ekran, który rejestruje nadejście cząstek (powiedzmy, klisza fotograficzna w przypadku fotonów). Zdrowy rozsądek sprawia, że oczekujemy, że fotony przejdą przez jedną lub drugą szczelinę i gromadzą się za odpowiednim przejściem.
Ale nie. Fotony uderzają w określone części ekranu i omijają inne, tworząc naprzemienne smugi światła i ciemności. Te tak zwane frędzle przypominają obraz spotkania dwóch fal. Kiedy grzbiety jednej fali wyrównują się z grzbietami innej, otrzymujesz konstruktywną interferencję (jasne smugi), a kiedy grzbiety zrównują się z dolinami, otrzymujesz destrukcyjną interferencję (ciemność).
Ale w danym momencie przez urządzenie przechodzi tylko jeden foton. Wygląda na to, że foton przechodzi przez obie szczeliny jednocześnie i przeszkadza sobie. Jest to sprzeczne ze zwykłym (klasycznym) sensem.
Mówiąc matematycznie, nie jest to fizyczna cząstka ani fala fizyczna, która przechodzi przez obie szczeliny, ale tak zwana funkcja falowa - abstrakcyjna funkcja matematyczna przedstawiająca stan fotonu (w tym przypadku położenie). Funkcja falowa zachowuje się jak fala. Uderza w dwie szczeliny, a nowe fale wychodzą po drugiej stronie szczelin, rozchodzą się i przeszkadzają sobie nawzajem. Połączona funkcja falowa oblicza prawdopodobieństwo, gdzie może znajdować się foton.
Film promocyjny:
Foton ma duże prawdopodobieństwo, że znajdzie się tam, gdzie dwie funkcje falowe konstruktywnie interferują, a niskie - gdy interferencja jest destrukcyjna. Pomiary - w tym przypadku oddziaływanie funkcji falowej z kliszą fotograficzną - prowadzi do „załamania” funkcji falowej, do jej załamania. W efekcie wskazuje na jedno z miejsc, w których foton materializuje się po pomiarze.
To pozornie wywołane pomiarem załamanie się funkcji falowej stało się źródłem wielu problemów koncepcyjnych w mechanice kwantowej. Przed załamaniem nie ma sposobu, aby z całą pewnością stwierdzić, gdzie skończy się foton; może to być dowolne miejsce z niezerowym prawdopodobieństwem. Nie ma sposobu, aby prześledzić trajektorię fotonu od źródła do detektora. Foton jest nierealny w tym sensie, że samolot lecący z San Francisco do Nowego Jorku jest prawdziwy.
Między innymi Werner Heisenberg zinterpretował tę matematykę w taki sposób, że rzeczywistość nie istnieje, dopóki nie zostanie zaobserwowana. „Idea obiektywnego realnego świata, którego najmniejsze cząsteczki istnieją obiektywnie w tym samym sensie, w jakim istnieją kamienie czy drzewa, niezależnie od tego, czy je obserwujemy, czy nie, jest niemożliwa” - napisał. John Wheeler użył również wariantu eksperymentu z podwójną szczeliną, aby stwierdzić, że „żadne elementarne zjawisko kwantowe nie będzie zjawiskiem, dopóki nie stanie się zjawiskiem zarejestrowanym („ zaobserwowanym”,„ zarejestrowanym dla pewnego”)”.
Jednak teoria kwantowa nie daje absolutnie żadnej wskazówki co do tego, co liczy się jako „pomiar”. Po prostu postuluje, że urządzenie pomiarowe musi być klasyczne, bez definiowania, gdzie leży granica między klasycznością a kwantem, i pozostawia otwarte drzwi dla tych, którzy uważają, że upadek powoduje ludzką świadomość. W maju tego roku Henry Stapp i jego koledzy powiedzieli, że eksperyment z podwójną szczeliną i współczesne wersje sugerują, że „świadomy obserwator może być konieczny”, aby nadać sens rzeczywistości kwantowej, a inteligencja transpersonalna jest rdzeniem świata materialnego.
Ale te eksperymenty nie są empirycznym dowodem na takie twierdzenia. W eksperymencie z podwójną szczeliną wykonywanym z pojedynczymi fotonami można przetestować tylko probabilistyczne przewidywania matematyki. Jeśli prawdopodobieństwo pojawi się, gdy dziesiątki tysięcy identycznych fotonów zostaną wysłane przez podwójną szczelinę, teoria mówi, że funkcja falowa każdego fotonu załamała się - dzięki rozmytemu procesowi zwanemu pomiarem. To wszystko.
Ponadto istnieją inne interpretacje eksperymentu z podwójną szczeliną. Weźmy na przykład teorię de Broglie-Bohma, która mówi, że rzeczywistość jest zarówno falą, jak i cząstką. Foton jest kierowany do podwójnej szczeliny w określonej pozycji w dowolnym momencie i przechodzi przez jedną lub drugą szczelinę; dlatego każdy foton ma trajektorię. Przechodzi przez falę pilotującą, która przenika przez obie szczeliny, zakłóca, a następnie kieruje foton w miejsce konstruktywnej interferencji.
W 1979 roku Chris Dewdney i jego koledzy z Brickbeck College London stworzyli model przewidujący w tej teorii ścieżki cząstek, które będą przechodzić przez podwójną szczelinę. W ciągu ostatnich dziesięciu lat eksperymentatorzy potwierdzili, że takie trajektorie istnieją, chociaż posługiwali się kontrowersyjną techniką tzw. Słabych pomiarów. Pomimo kontrowersji eksperymenty wykazały, że teoria de Broglie-Bohma wciąż jest w stanie wyjaśnić zachowanie świata kwantowego.
Co ważniejsze, teoria ta nie potrzebuje obserwatorów, pomiarów ani niematerialnej świadomości.
Nie są też potrzebne tak zwanym teoriom kolapsów, z których wynika, że funkcje falowe zapadają się losowo: im większa liczba cząstek w układzie kwantowym, tym bardziej prawdopodobne jest kolaps. Obserwatorzy po prostu rejestrują wynik. Zespół Markusa Arndta z Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii przetestował te teorie, wysyłając coraz większe cząsteczki przez podwójną szczelinę. Teorie załamania przewidują, że kiedy cząstki materii stają się bardziej masywne niż pewien próg, nie mogą dłużej pozostawać w superpozycji kwantowej i przechodzić przez obie szczeliny w tym samym czasie, co niszczy wzór interferencji. Zespół Arndta wysłał cząsteczkę 800 atomów przez podwójną szczelinę i nadal widział zakłócenia. Poszukiwanie progu trwa.
Roger Penrose miał własną wersję teorii zapadania się, w której im większa masa obiektu w superpozycji, tym szybciej zapada się on w taki czy inny stan z powodu niestabilności grawitacji. Ponownie, teoria ta nie wymaga obserwatora ani żadnego rodzaju świadomości. Dirk Boumeester z University of California w Santa Barbara testuje pomysł Penrose'a na wersji eksperymentu z podwójną szczeliną.
Koncepcyjnie chodzi nie tylko o umieszczenie fotonu w superpozycji przechodzenia przez dwie szczeliny w tym samym czasie, ale także o umieszczenie jednej ze szczelin w superpozycji i umieszczenie jej w dwóch miejscach jednocześnie. Według Penrose'a zastąpiona szczelina pozostanie w superpozycji lub zapadnie się z fotonem w locie, co doprowadzi do różnych wzorów interferencji. To załamanie będzie zależeć od masy szczelin. Boumeester pracuje nad tym eksperymentem od dziesięciu lat i może wkrótce potwierdzić lub zaprzeczyć twierdzeniom Penrose'a.
W każdym razie te eksperymenty pokazują, że nie możemy jeszcze wysuwać żadnych twierdzeń dotyczących natury rzeczywistości, nawet jeśli te twierdzenia są dobrze uzasadnione matematycznie lub filozoficznie. A biorąc pod uwagę, że neuronaukowcy i filozofowie umysłu nie mogą zgodzić się co do natury świadomości, twierdzenie, że prowadzi ona do załamania się funkcji falowych, byłoby w najlepszym przypadku przedwczesne, aw najgorszym błędne.
Ilya Khel