Demonstrace, která proměnila myšlenky velkého Izáka Newtona o povaze světla, byla neuvěřitelně jednoduchá. "Může se to s velkou lehkostí opakovat, kdekoli svítí slunce," řekl anglický fyzik Thomas Young v listopadu 1803 členům Královské společnosti v Londýně a popsal, co se nyní nazývá experiment s dvojitou štěrbinou. A Young nebyl nadšenou mládí. Přišel s elegantním a propracovaným experimentem demonstrujícím vlnovou povahu světla, a tak vyvrátil Newtonovu teorii, že světlo se skládá z těl, tj. Částic.
Narození kvantové fyziky na počátku 20. století však ukázalo, že světlo je tvořeno malými nedělitelnými jednotkami - nebo kvanta - energie, kterou nazýváme fotony. Youngův experiment s jednotlivými fotony nebo dokonce s jednotlivými částečkami hmoty, jako jsou elektrony a neurony, je tajemstvím, které vás nutí přemýšlet o samotné povaze reality. Někteří jej dokonce použili k tvrzení, že kvantový svět je ovlivňován lidským vědomím. Může to ale jednoduchý experiment skutečně prokázat?
Dokáže vědomí definovat realitu?
Ve své moderní kvantové formě zahrnuje Youngův experiment vypálení jednotlivých částic světla nebo hmoty dvěma štěrbinami nebo otvory vyříznutými v neprůhledné bariéře. Na jedné straně bariéry je obrazovka, která zaznamenává příchod částic (řekněme fotografický talíř v případě fotonů). Zdravý rozum nás přiměje očekávat, že fotony projdou buď jednou nebo druhou štěrbinou a hromadí se za odpovídající pasáží.
Ale ne. Fotony zasáhly určité části obrazovky a vyhýbaly se ostatním a vytvářely střídavé pruhy světla a tmy. Tyto takzvané třásně připomínají obraz setkání dvou vln. Když se hřebeny jedné vlny zarovná s hřebeny druhé, získáte konstruktivní rušení (světlé pruhy) a když se hřebeny zarovná s koryty, dostanete destruktivní rušení (tmu).
Zařízení však prochází současně pouze jeden foton. Vypadá to, že foton prochází oběma štěrbinami najednou a interferuje se sebou samým. To je v rozporu s běžným (klasickým) smyslem.
Matematicky řečeno, není to fyzická částice nebo fyzická vlna, která prochází oběma štěrbinami, ale tzv. Vlnová funkce - abstraktní matematická funkce představující stav fotonu (v tomto případě pozice). Vlnová funkce se chová jako vlna. Zasáhne dvě štěrbiny a na druhé straně štěrbin vycházejí nové vlny, šíří se a vzájemně se ovlivňují. Funkce kombinované vlny vypočítává pravděpodobnost, kde může být foton.
Propagační video:
Foton má vysokou pravděpodobnost, že tam, kde dvě vlny fungují konstruktivně, a nízko - kde rušení je destruktivní. Měření - v tomto případě interakce vlnové funkce s fotografickou deskou - vede k „kolapsu“vlnové funkce, k jejímu kolapsu. Výsledkem je, že ukazuje na jedno z míst, kde se foton po měření zhmotňuje.
Tento zjevně měřený kolaps vlnové funkce se stal zdrojem mnoha koncepčních obtíží v kvantové mechanice. Před kolapsem neexistuje způsob, jak určit, kde foton skončí; může to být kdekoli s nenulovou pravděpodobností. Neexistuje způsob, jak sledovat trajektorii fotonu od zdroje k detektoru. Foton je neskutečný v tom smyslu, že letadlo létající ze San Francisca do New Yorku je skutečné.
Werner Heisenberg mimo jiné interpretoval tuto matematiku takovým způsobem, že realita neexistuje, dokud není pozorována. "Myšlenka objektivního reálného světa, jehož nejmenší částice existují objektivně ve stejném smyslu jako kameny nebo stromy, bez ohledu na to, zda je pozorujeme nebo ne, je nemožná," napsal. John Wheeler také použil variantu experimentu s dvojitou štěrbinou a prohlásil, že „žádný elementární kvantový jev nebude fenomén, dokud se nestane registrovaným („ pozorovaným “,„ zaznamenaným pro určitý “) jev.“
Ale kvantová teorie nedává absolutně ponětí, co se počítá jako „měření“. Jednoduše postuluje, že měřící zařízení by mělo být klasické, aniž by určovalo, kde leží hranice mezi klasickým a kvantovým množstvím, a nechala dveře otevřené těm, kdo věří, že kolaps způsobuje lidské vědomí. V loňském květnu Henry Stapp a jeho kolegové uvedli, že experiment s dvojitou štěrbinou a jeho současné verze naznačují, že „může být nezbytný vědomý pozorovatel“, který dá kvantové říši smysl, a že transpersonální inteligence je jádrem hmotného světa.
Tyto experimenty však nejsou empirickým důkazem takových tvrzení. V experimentu s dvojitým štěrbinem prováděným s jednotlivými fotony lze testovat pouze pravděpodobnostní předpovědi matematiky. Pokud se pravděpodobnost objeví jako desítky tisíc identických fotonů, které jsou poslány skrz dvojitou štěrbinu, teorie říká, že vlnová funkce každého fotonu se zhroutila - díky fuzzy procesu zvanému měření. To je vše.
Kromě toho existují další interpretace experimentu s dvojitou štěrbinou. Vezměme si například de Broglie-Bohmovu teorii, která říká, že realita je vlna i částice. Foton je nasměrován do dvojité štěrbiny v určité poloze v kteroukoli chvíli a prochází jednou štěrbinou nebo druhou; proto má každý foton trajektorii. Prochází pilotní vlnou, která proniká oběma štěrbinami, interferuje a poté směruje foton do místa konstruktivního rušení.
V roce 1979 Chris Dewdney a jeho kolegové z Brickbeck College London modelovali predikci této teorie o cestách částic, které by cestovaly dvojitou štěrbinou. Během posledních deseti let experimentátoři potvrdili, že takové trajektorie existují, ačkoli použili kontroverzní techniku tzv. Slabých měření. Navzdory kontroverzi experimenty ukázaly, že de Broglie-Bohmova teorie je stále schopna vysvětlit chování kvantového světa.
Ještě důležitější je, že tato teorie nepotřebuje pozorovatele ani měření ani nehmotné vědomí.
Rovněž je nepotřebují tzv. Teorie kolapsu, z čehož vyplývá, že vlnové funkce se náhodně zhroutí: čím větší je počet částic v kvantovém systému, tím pravděpodobnější je kolapsu. Pozorovatelé jednoduše zaznamenají výsledek. Tým Markuse Arndta na vídeňské univerzitě v Rakousku tyto teorie testoval zasláním větších a větších molekul dvojitou štěrbinou. Teorie kolapsu předpovídají, že když se částice hmoty stávají masivnějšími než určitý práh, nemohou již zůstat v kvantové superpozici a procházet oběma štěrbinami současně, a to ničí interferenční vzorec. Arndtův tým poslal molekulu 800 atomů skrz dvojitou štěrbinu a stále viděl rušení. Hledání prahu pokračuje.
Roger Penrose měl svou vlastní verzi teorie kolapsu, ve které čím vyšší je hmotnost objektu v superpozici, tím rychleji se zhroutí do jednoho státu nebo jiného kvůli gravitačním nestabilitám. Tato teorie opět nevyžaduje pozorovatele ani žádné vědomí. Dirk Boumeester z Kalifornské univerzity, Santa Barbara testuje Penroseovu myšlenku verzí experimentu s dvojitou štěrbinou.
Koncepčně je myšlenkou nejen dát foton do superpozice procházející dvěma štěrbinami současně, ale také dát jeden z štěrbin do superpozice a učinit jej na dvou místech současně. Podle Penrose zůstane nahrazená štěrbina buď v superpozici nebo se zhroutí s fotonem za chodu, což povede k různým interferenčním vzorcům. Tento kolaps bude záviset na množství štěrbin. Boumeester pracuje na tomto experimentu deset let a může brzy potvrdit nebo popřít Penroseova tvrzení.
V každém případě tyto experimenty ukazují, že zatím nemůžeme činit žádná tvrzení o povaze reality, i když jsou tato tvrzení dobře podložena matematicky nebo filozoficky. A vzhledem k tomu, že neurovědci a filozofové mysli se nemohou dohodnout na povaze vědomí, tvrzení, že vede ke kolapsu vlnových funkcí, by bylo přinejlepším předčasné a v nejhorším špatné.
Ilya Khel