Demonstrasjonen som snudde de store Isaac Newtons ideer om lysets natur var utrolig enkel. Det "kan repeteres med stor letthet uansett hvor solen skinner," sa den engelske fysikeren Thomas Young i november 1803 til medlemmer av Royal Society i London, og beskrev det som nå kalles dobbeltspalteksperimentet. Og Young var ikke en entusiastisk ungdom. Han kom med et elegant og forseggjort eksperiment som demonstrerte lysets bølgeakt, og tilbakeviste dermed Newtons teori om at lys er sammensatt av lik, det vil si partikler.
Men fødselen av kvantefysikk på begynnelsen av 1900-tallet gjorde det klart at lys består av ørsmå udelelige enheter - eller kvanta - av energi som vi kaller fotoner. Youngs eksperiment med enkeltfotoner, eller til og med med individuelle partikler av materie som elektroner og nevroner, er et mysterium som får deg til å lure på virkelighetens natur. Noen har til og med brukt den for å hevde at kvanteverdenen er påvirket av menneskelig bevissthet. Men kan et enkelt eksperiment virkelig demonstrere dette?
Kan bevissthet definere virkeligheten?
I sin moderne kvanteform involverer Youngs eksperiment fyring av individuelle partikler av lys eller materie gjennom to spalter eller hull som er skåret i en ugjennomsiktig barriere. På den ene siden av barrieren er en skjerm som registrerer ankomsten av partikler (for eksempel en fotografisk plate for fotoner). Sunn fornuft får oss til å forvente at fotoner skal passere gjennom enten den ene eller den andre spalten og samle seg bak den tilsvarende passasjen.
Men nei. Fotonene treffer visse deler av skjermen og unngår andre, og skaper vekslende lysstrømmer og mørke. Disse såkalte frynsene ligner et bilde av to bølger som møtes. Når bølgene i en bølge stemmer overens med en annen bryst, får du konstruktiv forstyrrelse (lyse streker), og når brystene samsvarer med bølger får du ødeleggende forstyrrelser (mørke).
Men bare ett foton går gjennom enheten om gangen. Det ser ut som at fotonet går gjennom begge spaltene på en gang og forstyrrer seg selv. Dette er i strid med vanlig (klassisk) sans.
Matematisk sett er det ikke en fysisk partikkel eller en fysisk bølge som går gjennom begge spaltene, men den såkalte bølgefunksjonen - en abstrakt matematisk funksjon som representerer tilstanden til et foton (i dette tilfellet, posisjon). Bølgefunksjonen oppfører seg som en bølge. Den treffer to spalter, og nye bølger kommer ut på den andre siden av spaltene, forplanter seg og forstyrrer hverandre. Den kombinerte bølgefunksjonen beregner sannsynligheten for hvor fotonet kan være.
Salgsfremmende video:
Fotonet har stor sannsynlighet for å være der de to bølgefunksjonene konstruktivt forstyrrer, og lave - der interferensen er ødeleggende. Målinger - i dette tilfellet, interaksjonen av bølgefunksjonen med den fotografiske platen - fører til "kollaps" av bølgefunksjonen, til dens kollaps. Som et resultat peker den til et av stedene fotonet materialiseres etter målingen.
Denne tilsynelatende måleinduserte kollaps av bølgefunksjonen har blitt kilden til mange konseptuelle vansker innen kvantemekanikk. Før kollapsen er det ingen måte å si sikkert hvor fotonet vil havne; det kan være hvor som helst med ikke-sannsynlig sannsynlighet. Det er ingen måte å spore banen til et foton fra kilde til detektor. Fotonet er uvirkelig i den forstand at et fly som flyr fra San Francisco til New York er ekte.
Werner Heisenberg, blant andre, tolket denne matematikken på en slik måte at virkeligheten ikke eksisterer før den blir observert. "Ideen om en objektiv ekte verden, hvor de minste partiklene eksisterer objektivt i samme forstand som steiner eller trær, uansett om vi observerer dem eller ikke, er umulig," skrev han. John Wheeler brukte også en variant av eksperimentet med dobbel spalte for å si at "intet elementært kvantefenomen vil være et fenomen før det blir et registrert ('observert', 'registrert for visse') fenomen."
Men kvanteteori gir absolutt ingen anelse om hva som teller som "måling." Hun postulerer ganske enkelt at måleinstrumentet skal være klassisk, uten å definere hvor linjen mellom det klassiske og kvantumet ligger, og forlate døra for de som tror at kollaps forårsaker menneskelig bevissthet. I mai i fjor sa Henry Stapp og kollegene at dobbeltspalt-eksperimentet og dets aktuelle versjoner antyder at "en bevisst observatør kan være nødvendig" for å gi mening til kvanteområdet, og at transpersonlig intelligens er kjernen i den materielle verden.
Men disse eksperimentene er ikke empiriske bevis for slike påstander. I et eksperiment med dobbel spalte utført med enkeltfotoner kan man bare teste matematikkens sannsynlighetsforutsigelser. Hvis sannsynligheter dukker opp når titusenvis av identiske fotoner sendes gjennom dobbeltspalten, sier teorien at bølgefunksjonen til hvert foton kollapset - takket være en uklar prosess som kalles måling. Det er alt.
I tillegg er det andre tolkninger av eksperimentet med dobbel spalte. Ta for eksempel de Broglie-Bohm-teorien, som sier at virkeligheten både er en bølge og en partikkel. Fotonet ledes til dobbeltspalten i en bestemt stilling når som helst og passerer gjennom den ene spalten eller den andre; Derfor har hvert foton en bane. Den beveger seg gjennom en pilotbølge som trenger gjennom begge spalter, forstyrrer og deretter leder fotonet til stedet for konstruktiv interferens.
I 1979 modellerte Chris Dewdney og kolleger ved Brickbeck College London denne teoriens prediksjon av partikler som skulle gå gjennom en dobbel spalte. I løpet av de siste ti årene har eksperimentere bekreftet at slike bane eksisterer, selv om de har brukt den kontroversielle teknikken til såkalte svake målinger. Til tross for kontroversen, har eksperimenter vist at de Broglie-Bohm-teorien fremdeles er i stand til å forklare kvanteverdenes oppførsel.
Enda viktigere er at denne teorien ikke trenger observatører eller målinger eller immateriell bevissthet.
De trengs heller ikke av de såkalte kollapssteoriene, som det følger av at bølgefunksjoner kollapser tilfeldig: jo større antall partikler i et kvantesystem, desto mer sannsynlig er kollapsen. Observatører registrerer ganske enkelt resultatet. Markus Arndts team ved Universitetet i Wien i Østerrike testet disse teoriene ved å sende større og større molekyler gjennom en dobbel spalte. Kollapsteorier forutsier at når partikler av materie blir mer massive enn en viss terskel, kan de ikke lenger forbli i en kvantesuperposisjon og passere gjennom begge spaltene samtidig, og dette ødelegger interferensmønsteret. Arndts team sendte et molekyl med 800 atomer gjennom dobbeltspalten og så fortsatt forstyrrelser. Søket etter terskelen fortsetter.
Roger Penrose hadde sin egen versjon av teorien om kollaps, der jo høyere massen til en gjenstand i superposisjon er, desto raskere kollapser den til en eller annen stat på grunn av tyngdeinstabiliteter. Igjen, denne teorien krever ikke en observatør eller noen form for bevissthet. Dirk Boumeester fra University of California, Santa Barbara tester Penroses idé med en versjon av dobbeltspalteeksperimentet.
Konseptuelt er ideen ikke bare å sette et foton i en superposisjon av å passere gjennom to spalter samtidig, men også å sette en av spaltene i superposisjon og få den til å være på to steder samtidig. I følge Penrose vil den erstattede spalten enten forbli i superposisjon eller kollapse med et foton på farten, noe som vil føre til forskjellige interferensmønstre. Denne kollapsen vil avhenge av spaltenes masse. Boumeester har jobbet med dette eksperimentet i ti år og kan snart bekrefte eller avkrefte Penroses påstander.
I alle fall viser disse eksperimentene at vi ennå ikke kan komme med noen påstander om virkelighetens natur, selv om disse påstandene er godt støttet matematisk eller filosofisk. Og gitt at nevrovitenskapsmenn og sinnsfilosofer ikke kan enes om bevissthetens natur, vil påstanden om at det fører til kollaps av bølgefunksjoner i beste fall være for tidlig og feilaktig i verste fall.
Ilya Khel
