Demonštrácia, ktorá zmenila myšlienky veľkého Izáka Newtona o povahe svetla, bola neuveriteľne jednoduchá. „Môže sa to s veľkou ľahkosťou opakovať všade, kde svieti slnko,“povedal anglický fyzik Thomas Young pre Royal Society v Londýne v novembri 1803 a opísal, čo sa dnes nazýva experiment s dvoma štrbinami. A Young nebol nadšenou mládežou. Prišiel s elegantným a prepracovaným experimentom, ktorý demonštroval vlnovú povahu svetla, a tak vyvrátil Newtonovu teóriu, že svetlo sa skladá z teliesok, to znamená častíc.
Narodenie kvantovej fyziky začiatkom 20. rokov však ukázalo, že svetlo je tvorené malými nedeliteľnými jednotkami - alebo kvanta - energie, ktorú nazývame fotóny. Youngov experiment s jednotlivými fotónmi alebo dokonca s jednotlivými časticami hmoty, ako sú elektróny a neuróny, je záhadou, ktorá vás núti uvažovať o samotnej povahe reality. Niektorí ju dokonca použili na tvrdenie, že kvantový svet je ovplyvňovaný ľudským vedomím. Môže to však dokázať jednoduchý experiment?
Dokáže vedomie definovať realitu?
Youngov experiment v modernej kvantovej podobe zahŕňa vypálenie jednotlivých častíc svetla alebo hmoty dvoma štrbinami alebo otvormi vyrezanými v nepriehľadnej bariére. Na jednej strane bariéry je obrazovka, ktorá zaznamenáva príchod častíc (povedzme fotografickú platňu v prípade fotónov). Zdravý rozum nás núti očakávať, že fotóny prejdú jednou alebo druhou štrbinou a hromadia sa za zodpovedajúcim priechodom.
Ale nie. Fotóny zasiahnu určité časti obrazovky a vyhýbajú sa ostatným, čím vytvárajú striedavé pruhy svetla a tmy. Tieto takzvané strapce pripomínajú obraz stretnutia dvoch vĺn. Keď sa hrebene jednej vlny zarovnajú s hrebeňmi druhej, získate konštruktívne rušenie (svetlé pruhy) a keď sa hrebene vyrovnajú so žľabmi, dostanete deštruktívne rušenie (tma).
Zariadenia však prechádza súčasne iba jeden fotón. Vyzerá to, že fotón prechádza oboma štrbinami naraz a interferuje so sebou samým. To je v rozpore s bežným (klasickým) zmyslom.
Matematicky povedané, nejde o fyzickú časticu alebo fyzickú vlnu, ktorá prechádza oboma štrbinami, ale o takzvanú vlnovú funkciu - abstraktnú matematickú funkciu predstavujúcu stav fotónu (v tomto prípade polohu). Funkcia vĺn sa správa ako vlna. Zasiahne dve štrbiny a nové vlny odchádzajú na druhú stranu štrbín, šíria sa a vzájomne sa rušia. Funkcia kombinovanej vlny vypočíta pravdepodobnosť, kde môže byť fotón.
Propagačné video:
Fotón má vysokú pravdepodobnosť, že tam, kde dve vlny fungujú konštruktívne, a nízky - kde rušenie je deštruktívne. Merania - v tomto prípade interakcia vlnovej funkcie s fotografickou platňou - vedie k „kolapsu“vlnovej funkcie, k jej kolapsu. Výsledkom je, že ukazuje na jedno z miest, v ktorých sa fotón po meraní zhmotní.
Toto zjavne indukované zrútenie vlnovej funkcie sa stalo zdrojom mnohých koncepčných ťažkostí v kvantovej mechanike. Pred kolapsom nie je možné presne zistiť, kde fotón skončí; môže to byť kdekoľvek s nenulovou pravdepodobnosťou. Neexistuje spôsob, ako sledovať dráhu fotónu od zdroja po detektor. Fotón je neskutočný v tom zmysle, že lietadlo lietajúce zo San Francisca do New Yorku je skutočné.
Werner Heisenberg okrem iného interpretoval túto matematiku takým spôsobom, že realita neexistuje, pokiaľ nie je dodržaná. "Myšlienka objektívneho reálneho sveta, ktorého najmenšie častice existujú objektívne v rovnakom zmysle, v akom existujú kamene alebo stromy, bez ohľadu na to, či ich pozorujeme alebo nie, je nemožná," napísal. John Wheeler tiež použil variant experimentu s dvoma štrbinami, aby uviedol, že „žiadny elementárny kvantový jav nebude javom, kým sa nestane registrovaným („ pozorovaným “,„ definitívne zaznamenaným “) javom.“
Kvantová teória však vôbec nevedie, čo sa počíta ako „meranie“. Jednoducho predpokladá, že meracie zariadenie musí byť klasické, bez toho, aby určilo, kde táto hranica medzi klasickým a kvantovým leží, a necháva dvere otvorené tým, ktorí sa domnievajú, že kolaps spôsobuje ľudské vedomie. Minulý rok v máji Henry Stapp a jeho kolegovia uviedli, že experiment s dvojitou štrbinou a moderné verzie naznačujú, že „môže byť potrebný vedomý pozorovateľ“, ktorý dáva zmysel kvantovej ríši, a že transpersonálna inteligencia je jadrom materiálneho sveta.
Tieto experimenty však nie sú empirickým dôkazom takýchto tvrdení. V experimente s dvoma štrbinami, ktorý sa uskutočňuje s jednotlivými fotónmi, je možné testovať iba pravdepodobnostné predpovede matematiky. Ak sa pravdepodobnosť objaví, keď sa cez dvojitú štrbinu pošlú desiatky tisíc identických fotónov, teória hovorí, že vlnová funkcia každého fotónu sa zrútila - vďaka fuzzy procesu nazývanému meranie. To je všetko.
Okrem toho existujú ďalšie interpretácie experimentu s dvojitou štrbinou. Zoberme si napríklad de Broglie-Bohmovu teóriu, ktorá hovorí, že realita je vlnou aj časticou. Fotón je nasmerovaný do dvojitej štrbiny v určitej polohe v každom okamihu a prechádza cez jednu štrbinu alebo druhú; preto má každý fotón trajektóriu. Prechádza pilotnou vlnou, ktorá preniká do štrbín, interferuje a potom nasmeruje fotón na miesto konštruktívneho rušenia.
V roku 1979 Chris Dewdney a jeho kolegovia z Brickbeck College London modelovali predikciu tejto teórie ciest častíc, ktoré by prešli dvojitou štrbinou. Experti v posledných desiatich rokoch potvrdili, že takéto trajektórie existujú, hoci použili kontroverznú techniku tzv. Slabých meraní. Napriek kontroverzii experimenty ukázali, že de Broglie-Bohmova teória je stále schopná vysvetliť správanie kvantového sveta.
A čo je dôležitejšie, táto teória nepotrebuje pozorovateľov ani merania ani nehmotné vedomie.
Takisto ich nepotrebujú tzv. Teórie kolapsu, z ktorých vyplýva, že vlnové funkcie sa náhodne zrútia: čím väčší je počet častíc v kvantovom systéme, tým pravdepodobnejšie je kolapsu. Pozorovatelia jednoducho zaznamenajú výsledok. Tím Markusa Arndta na Viedenskej univerzite v Rakúsku tieto teórie testoval tak, že posielal väčšie a väčšie molekuly cez dvojitú štrbinu. Teórie kolapsu predpovedajú, že keď sa častice hmoty stanú hmotnejšími ako určitá prahová hodnota, nemôžu už zostať v kvantovej superpozícii a prejsť cez obe štrbiny súčasne, a to ničí interferenčný vzorec. Arndtov tím poslal molekulu 800 atómov cez dvojitú štrbinu a stále videl rušenie. Hľadanie prahu pokračuje.
Roger Penrose mal svoju vlastnú verziu teórie kolapsu, v ktorej čím vyššia je hmotnosť objektu v superpozícii, tým rýchlejšie sa zrúti do jedného štátu alebo druhého v dôsledku gravitačných nestabilít. Táto teória opäť nevyžaduje pozorovateľa ani žiadne vedomie. Dirk Boumeester z Kalifornskej univerzity v Santa Barbare testuje Penroseovu myšlienku verziou experimentu s dvoma štrbinami.
Koncepčne nie je cieľom dať fotón len do superpozície prechodu dvoma štrbinami súčasne, ale tiež dať jeden zo štrbín do superpozície a urobiť ho na dvoch miestach súčasne. Podľa Penrose bude nahradená štrbina buď zostať v superpozícii alebo sa zrúti s fotónom za chodu, čo povedie k rôznym interferenčným obrazcom. Tento kolaps bude závisieť od množstva štrbín. Boumeester pracuje na tomto experimente desať rokov a čoskoro môže potvrdiť alebo zamietnuť tvrdenia Penroseovej.
V každom prípade tieto experimenty ukazujú, že zatiaľ nemôžeme robiť žiadne tvrdenia o povahe reality, aj keď sú tieto tvrdenia matematicky alebo filozoficky dobre podložené. A keďže neurovedci a filozofi mysle sa nemôžu dohodnúť na povahe vedomia, tvrdenie, že vedie k zrúteniu funkcií vĺn, by bolo prinajlepšom predčasné a v najhoršom prípade zavádzajúce.
Ilja Khel