Demonstrația care a transformat ideile marelui Isaac Newton despre natura luminii a fost incredibil de simplă. „Se poate repeta cu ușurință oriunde strălucește soarele”, a spus fizicianul englez Thomas Young, în noiembrie 1803, membrilor Royal Society din Londra, descriind ceea ce acum se numește experimentul cu dublă fanta. Iar Tânărul nu a fost un tânăr entuziast. A venit cu un experiment elegant și elaborat care demonstrează natura valurilor luminii și, prin urmare, a respins teoria lui Newton potrivit căreia lumina este compusă din corpusculi, adică particule.
Dar nașterea fizicii cuantice la începutul anilor 1900 a arătat clar că lumina este alcătuită din unități minuscule indivizibile - sau canta - de energie pe care le numim fotoni. Experimentul lui Young cu fotoni singulari sau chiar cu particule individuale de materie, cum ar fi electronii și neuronii, este un mister care te face să te întrebi despre natura realității. Unii chiar au folosit-o pentru a afirma că lumea cuantică este influențată de conștiința umană. Dar poate un simplu experiment demonstrează cu adevărat acest lucru?
Poate conștiința să definească realitatea?
În forma sa cuantică modernă, experimentul lui Young implică arderea particulelor individuale de lumină sau materie prin două fante sau găuri tăiate într-o barieră opacă. Pe o parte a barierei se află un ecran care înregistrează sosirea particulelor (să zicem, o placă fotografică în cazul fotonilor). Bunul simț ne face să ne așteptăm ca fotonii să treacă fie prin una sau alta fanta și să se acumuleze în spatele pasajului corespunzător.
Dar nu. Fotonii lovesc anumite părți ale ecranului și îi evită pe alții, creând fluxuri alternative de lumină și întuneric. Aceste așa-numite franjuri seamănă cu o imagine a întâlnirii a două valuri. Când creștetele unei valuri se aliniează creștetelor altuia, obțineți interferențe constructive (dungi luminoase), iar atunci când creștele se aliniază cu jgheaburi, obțineți interferențe distructive (întuneric).
Dar numai un foton trece prin dispozitiv la un moment dat. Se pare că fotonul trece prin ambele fante simultan și intervine în sine. Acest lucru este contrar simțului comun (clasic).
Matematic vorbind, nu este o particulă fizică sau o undă fizică care trece prin ambele fante, ci așa-numita funcție de undă - o funcție matematică abstractă care reprezintă starea unui foton (în acest caz, poziția). Funcția de undă se comportă ca o undă. Se lovește de două fante și valuri noi ies pe cealaltă parte a fânturilor, se propagă și se amestecă între ele. Funcția de undă combinată calculează probabilitatea unde ar putea fi fotonul.
Video promotional:
Fotonul are o mare probabilitate de a fi acolo unde cele două funcții de undă interferează constructiv și scăzute - unde interferența este distructivă. Măsurătorile - în acest caz, interacțiunea funcției de undă cu placa fotografică - duce la „prăbușirea” funcției de undă, până la prăbușirea ei. Drept urmare, indică unul dintre locurile în care fotonul se materializează după măsurare.
Această colaps aparent indusă de măsurare a undei a devenit sursa multor dificultăți conceptuale în mecanica cuantică. Înainte de prăbușire, nu există nicio modalitate de a spune cu siguranță unde va ajunge fotonul; poate fi oriunde cu probabilitate diferită de zero. Nu există nicio cale de a urmări traiectoria unui foton de la sursă la detector. Fotonul este ireal în sensul că un avion care zboară de la San Francisco la New York este real.
Werner Heisenberg, printre altele, a interpretat această matematică în așa fel încât realitatea să nu existe decât după ce este observată. „Ideea unei lumi reale obiective, dintre care cele mai mici particule există obiectiv în același sens în care există pietre sau copaci, indiferent dacă le observăm sau nu, este imposibilă”, a scris el. De asemenea, John Wheeler a folosit o variantă a experimentului cu fanta dublă pentru a afirma că „niciun fenomen cuantic elementar nu va fi un fenomen până când nu va deveni un fenomen înregistrat („ observat”,„ înregistrat definitiv”)”.
Dar teoria cuantică nu oferă absolut niciun indiciu cu privire la ceea ce contează drept „măsurare”. Pur și simplu postulează că dispozitivul de măsurare trebuie să fie clasic, fără a defini unde se află linia dintre clasic și cuantic și lăsând ușa deschisă celor care cred că prăbușirea provoacă conștiința umană. Mai anul trecut, Henry Stapp și colegii săi au declarat că experimentul cu două fante și versiunile moderne sugerează că „poate fi necesar un observator conștient” pentru a da un sens tărâmului cuantic și că inteligența transpersonală este în centrul lumii materiale.
Dar aceste experimente nu sunt dovezi empirice pentru astfel de afirmații. Într-un experiment cu două fante efectuate cu fotoni singulari, se pot testa doar predicțiile probabilistice ale matematicii. Dacă probabilitățile plutesc în timp ce zeci de mii de fotoni identici sunt trimiși prin fanta dublă, teoria este că funcția de undă a fiecărui foton s-a prăbușit - datorită unui proces vag definit numit măsurare. Asta e tot.
În plus, există și alte interpretări ale experimentului cu fanta dublă. Luăm, de exemplu, teoria de Broglie-Bohm, care spune că realitatea este atât o undă cât și o particulă. Fotonul este îndreptat către fanta dublă într-o anumită poziție în orice moment și trece printr-o fanta sau alta; prin urmare, fiecare foton are o traiectorie. Călătorește printr-un val pilot care pătrunde în ambele fante, interferează și apoi direcționează fotonul către locul interferenței constructive.
În 1979, Chris Dewdney și colegii de la Brickbeck College London au modelat această teorie cu predicția căilor particulelor care ar călători printr-o fanta dublă. În ultimii zece ani, experimentatorii au confirmat că există astfel de traiectorii, deși au folosit tehnica controversată a așa-numitelor măsurători slabe. În ciuda controversei, experimentele au arătat că teoria de Broglie-Bohm este încă capabilă să explice comportamentul lumii cuantice.
Mai important, această teorie nu are nevoie de observatori sau măsurători sau conștiință intangibilă.
Nici acestea nu sunt necesare de așa-numitele teorii ale colapsului, din care rezultă că funcțiile de undă se prăbușesc la întâmplare: cu cât este mai mare numărul de particule dintr-un sistem cuantic, cu atât este mai probabil colapsul. Observatorii înregistrează pur și simplu rezultatul. Echipa lui Markus Arndt de la Universitatea din Viena din Austria a testat aceste teorii trimițând molecule mai mari și mai mari printr-o fanta dublă. Teoriile de colaps prevăd că atunci când particulele de materie devin mai masive decât un anumit prag, ele nu mai pot rămâne într-o superpoziție cuantică și să treacă prin ambele fante în același timp, iar acest lucru distruge modelul de interferență. Echipa lui Arndt a trimis o moleculă de 800 de atomi prin fanta dublă și tot a văzut interferențe. Căutarea pragului continuă.
Roger Penrose avea propria versiune a teoriei prăbușirii, în care cu cât masa unui obiect este mai mare, cu atât mai rapid se prăbușește într-o stare sau alta datorită instabilităților gravitaționale. Din nou, această teorie nu necesită un observator sau vreun fel de conștiință. Dirk Boumeester de la Universitatea din California, Santa Barbara testează ideea lui Penrose cu o versiune a experimentului cu fanta dublă.
Conceptual, ideea este nu numai să puneți un foton într-o superpoziție care trece prin două fante în același timp, ci și să așezați una dintre fante în superpoziție și să o faceți să fie în două locuri în același timp. Conform Penrose, fanta înlocuită va rămâne fie în suprapunere, fie se va prăbuși cu un foton în zbor, ceea ce va duce la diferite tipare de interferență. Această prăbușire va depinde de masa tăieturilor. Boumeester lucrează la acest experiment de zece ani și poate în curând să confirme sau să respingă afirmațiile lui Penrose.
În orice caz, aceste experimente arată că nu putem face încă nicio afirmație cu privire la natura realității, chiar dacă aceste afirmații sunt bine susținute matematic sau filosofic. Și având în vedere faptul că neuroștiințienii și filosofii minții nu pot fi de acord cu natura conștiinței, afirmația că aceasta duce la prăbușirea funcțiilor de undă ar fi prematură și greșită în cel mai rău caz.
Ilya Khel
