Hihetetlenül egyszerű volt a demonstráció, amely megváltoztatta Isaac Newton nagyszerű ötleteit a fény természetéről. "Nagyon könnyedén megismételhető bárhol, ahol süt a nap" - mondta Thomas Young angol fizikus 1803 novemberében a londoni Királyi Társaság tagjai számára, leírva azt, amit ma kettős résű kísérletnek hívnak. És Young nem volt lelkes fiatalos. Elegáns és kifinomult kísérlettel állt elő, amely bemutatta a fény hullám jellegét, és ezzel megcáfolta Newton elméletét, miszerint a fény testtestből, vagyis részecskékből áll.
De a kvantumfizika születése az 1900-as évek elején világossá tette, hogy a fény apró, oszthatatlan egységekből - vagy kvantumokból áll - energiát alkot, amelyet fotonoknak hívunk. Young kísérlete egyetlen fotonnal, vagy akár az anyag egyes részecskéivel, például elektronokkal és neuronokkal, rejtély, ami arra készteti magát, hogy elgondolkodjon a valóság természetén. Vannak, akik azt állítják, hogy a kvantum világot az emberi tudat befolyásolja. De vajon egy egyszerű kísérlet igazolja-e ezt?
Meg tudja határozni a tudat a valóságot?
Modern kvantumformájában a Young kísérlete magában foglalja az egyes fény- vagy anyagrészecskék égetését két átlátszatlan akadályba vágott résen vagy lyukon keresztül. A gát egyik oldalán egy képernyő, amely rögzíti a részecskék érkezését (például fotonok esetén fényképészeti lemez). A józan ész arra késztet minket, hogy a fotonok áthaladjanak akár az egyik, akár a másik résen, és felhalmozódjanak a megfelelő járat mögött.
De nem. A fotonok a képernyő egyes részeit eltalálják, és elkerülik a többi részét, váltakozó fény- és sötétsávokkal. Ezek az úgynevezett bordák hasonlítanak a két hullám találkozásának képére. Amikor az egyik hullám mellszálai igazodnak egy másik hullámainak, akkor konstruktív interferenciát kapnak (fényes csíkok), és amikor a címerek a vályúkkal igazodnak, pusztító interferenciát kapnak (sötétség).
De egyszerre csak egy foton halad át az eszközön. Úgy tűnik, hogy a foton egyszerre mindkét résen áthalad és zavarja magát. Ez ellentétes a általános (klasszikus) értelemmel.
Matematikailag nem fizikai részecske vagy fizikai hullám halad át mindkét résen, hanem az úgynevezett hullámfüggvény - absztrakt matematikai függvény, amely a foton (ebben az esetben a helyzet) állapotát képviseli. A hullámfüggvény úgy viselkedik, mint egy hullám. Két rést ér el, és az új hullámok kijönnek a rések másik oldalán, terjednek és zavarják egymást. A kombinált hullám függvény kiszámítja annak a valószínűségét, ahol a foton lehet.
Promóciós videó:
A fotonnak nagy a valószínűsége, hogy ott van, ahol a két hullám funkciója konstruktívan zavarja, és alacsony - ahol az interferencia pusztító. A mérések - ebben az esetben a hullámfunkció kölcsönhatása a fényképpel - a hullámfunkció "összeomlásához", összeomlásához vezetnek. Ennek eredményeként az egyik olyan helyre mutat, ahol a foton a mérés után materializálódik.
A hullámfunkciónak ez a látszólag mérés által kiváltott összeomlása a kvantummechanikában sok fogalmi nehézség forrásává vált. Az összeomlás előtt nem lehet biztosan megmondani, hol fog a foton; bárhol lehet, nulla valószínűséggel. A foton pályáját nem lehet nyomon követni a forrástól az detektorig. A foton irreális abban az értelemben, hogy egy repülőgép, amely San Francisco-ból New Yorkba repül, valódi.
Werner Heisenberg többek között úgy értelmezte ezt a matematikát, hogy a valóság nem létezik, amíg meg nem figyelik. "Lehetetlen egy objektív valós világ elképzelése, amelynek legkisebb részecskéi objektíven léteznek abban az értelemben, hogy a kövek vagy a fák léteznek, függetlenül attól, hogy megfigyeljük őket, vagy sem." - írta. John Wheeler a dupla résű kísérlet egy változatát is felhasználta annak kijelentésére, hogy "egyetlen elemi kvantum jelenség sem lesz jelenség, amíg nem lesz regisztrált (" megfigyelt "," rögzített bizonyos ") jelenség".
A kvantumelmélet azonban semmiféle nyomot nem ad arra vonatkozóan, hogy mit kell mérni. Egyszerűen azt állítja, hogy a mérőkészüléknek klasszikusnak kell lennie, anélkül, hogy meghatározná, hol helyezkedik el a vonal a klasszikus és a kvantum között, és nyitva hagyja az ajtót azok számára, akik úgy vélik, hogy az összeomlás az emberi tudatot okozza. Tavaly májusban Henry Stapp és kollégái szerint a kettős résű kísérlet és annak jelenlegi verziói azt sugallják, hogy „szükség lehet egy tudatos megfigyelőre” a kvantum birodalom jelentésének megadásához, és hogy a transzperszonális intelligencia az anyagi világ középpontjában áll.
Ezek a kísérletek azonban nem empirikus bizonyíték az ilyen állításokra. Egyetlen fotonokkal végzett kétréses kísérletben csak a matematika valószínűségi előrejelzéseit lehet kipróbálni. Ha a valószínűségek felbukkannak, amikor több tízezer azonos foton kerül kettős résen keresztül, akkor az elmélet szerint minden foton hullámfunkciója összeomlott - a mérésnek nevezett homályos folyamatnak köszönhetően. Ez minden.
Ezen felül a kettős hasított kísérletnek vannak más értelmezései. Vegyük például a de Broglie-Bohm elméletet, amely szerint a valóság egyszerre hullám és részecske. A foton egy adott helyzetben bármikor a kettős rés felé irányul, és áthalad az egyik vagy a másik résen; ezért minden fotonnak van egy pályája. Egy olyan hullámon halad keresztül, amely mindkét résen áthatol, beavatkozik, majd a fotont a konstruktív interferencia helyére irányítja.
1979-ben Chris Dewdney és a londoni Brickbeck College munkatársai modellezték ennek az elméletnek a kettős résen áthaladó részecskék útjának előrejelzését. Az elmúlt tíz évben a kísérletezők megerősítették, hogy léteznek ilyen pályák, bár az úgynevezett gyenge mérések ellentmondásos módszerét alkalmazták. A vita ellenére a kísérletek kimutatták, hogy de Broglie-Bohm elmélet még mindig meg tudja magyarázni a kvantum világ viselkedését.
Ennél is fontosabb, hogy ennek az elméletnek nincs szüksége megfigyelőkre vagy mérésekre vagy immateriális tudatra.
Nekik nincs szükségük az úgynevezett összeomláselméletekre is, amelyekből következik, hogy a hullámfunkciók véletlenszerűen összeomlnak: minél nagyobb a kvantumrendszerben lévő részecskék száma, annál valószínűbb az összeomlás. A megfigyelők egyszerűen rögzítik az eredményt. Markus Arndt csapata az osztrák bécsi egyetemen kipróbálta ezeket az elméleteket azzal, hogy nagyobb és nagyobb molekulákat küldött kettős résen keresztül. Az összeomlási elméletek azt jósolják, hogy ha az anyag részecskéi egy bizonyos küszöbnél tömegesebbé válnak, akkor nem maradhatnak kvantum-szuperpozícióban, és egyszerre mindkét résen áthaladhatnak, és ez elpusztítja az interferenciamintázatot. Arndt csapata 800 atomból álló molekulát küldött a dupla résen keresztül, és még mindig látta az interferenciát. A küszöb keresése folytatódik.
Roger Penrose-nak megvan a saját verziója az összeomlás elméletéről, amely szerint minél nagyobb egy objektum tömege a szuperpozícióban, annál gyorsabban összeomlik az egyik vagy másik állapotba a gravitációs instabilitás miatt. Ez az elmélet szintén nem igényel megfigyelőt vagy bármiféle tudatot. Dirk Boumeester a kaliforniai egyetemen, Santa Barbara a kettős résű kísérlet verziójával teszteli Penrose ötletét.
Fogalmi szempontból az az ötlet, hogy nemcsak egy fotont tesz egy szuperpozícióba, ha egyszerre két résen áthalad, hanem azt is, hogy az egyik rést szuperpozícióba tegye, és egyidejűleg két helyen legyen. Penrose szerint a helyettesített rés vagy szuperpozícióban marad, vagy repülés közben fotonnal összeomlik, ami eltérő interferenciamintákat eredményez. Ez az összeomlás a rések tömegétől függ. Boumeester tíz éve dolgozik ezen a kísérleten, és hamarosan megerősítheti vagy tagadhatja Penrose állításait.
Mindenesetre ezek a kísérletek azt mutatják, hogy még nem állíthatunk állítást a valóság természetével kapcsolatban, még akkor sem, ha ezeket az állításokat matematikai vagy filozófiai szempontból jól támasztják alá. És mivel az idegtudósok és az elmefilozófusok nem tudnak megegyezni a tudat természetében, az az állítás, hogy ez hullámfunkciók összeomlásához vezet, a legjobb esetben korai lenne, és a legrosszabb esetben téves.
Ilya Khel