Demonstrationen, der vendte den store Isaac Newtons ideer om lysets natur var utroligt enkel. Den "kan gentages med stor lethed, uanset hvor solen skinner," fortalte den engelske fysiker Thomas Young til Royal Society i London i november 1803, hvor han beskrev det, der nu kaldes dobbeltsnitseksperimentet. Og Young var ikke en entusiastisk ungdom. Han kom med et elegant og detaljeret eksperiment, der demonstrerer lysets bølgelære, og tilbageviste dermed Newtons teori om, at lys er sammensat af korpuskler, det vil sige partikler.
Men fødslen af kvantefysik i begyndelsen af 1900'erne gjorde det klart, at lys består af små udelelige enheder - eller kvanta - af energi, som vi kalder fotoner. Youngs eksperiment med enkeltfotoner, eller endda med individuelle partikler af stof, såsom elektroner og neuroner, er et mysterium, der får dig til at undre dig over selve virkelighedens natur. Nogle har endda brugt det til at hævde, at kvanteverdenen er påvirket af menneskelig bevidsthed. Men kan et simpelt eksperiment virkelig demonstrere dette?
Kan bevidsthed definere virkeligheden?
I sin moderne kvanteform involverer Youngs eksperiment fyring af individuelle partikler af lys eller stof gennem to spalter eller huller, der er skåret i en uigennemsigtig barriere. På den ene side af barrieren er der en skærm, der registrerer ankomsten af partikler (f.eks. En fotografisk plade i tilfælde af fotoner). Sund fornuft får os til at forvente, at fotoner passerer gennem den ene eller den anden spalte og ophobes bag den tilsvarende passage.
Men nej. Fotonerne rammer visse dele af skærmen og undgår andre, hvilket skaber skiftevis lys og mørke. Disse såkaldte frynser ligner et billede af to bølger, der mødes. Når kobberne i en bølge stemmer overens med krogene fra en anden, får du konstruktiv interferens (lyse striber), og når kammerne er på linje med troughs, får du destruktiv interferens (mørke).
Men kun en foton passerer gennem enheden ad gangen. Det ser ud til, at fotonen går gennem begge spalter på en gang og forstyrrer sig selv. Dette er i modsætning til almindelig (klassisk) forstand.
Matematisk set er det ikke en fysisk partikel eller en fysisk bølge, der passerer gennem begge spalter, men den såkaldte bølgefunktion - en abstrakt matematisk funktion, der repræsenterer en fotons tilstand (i dette tilfælde position). Bølgefunktionen opfører sig som en bølge. Det rammer to spalter, og nye bølger kommer ud på den anden side af spalterne, formerer sig og forstyrrer hinanden. Den kombinerede bølgefunktion beregner sandsynligheden for, hvor fotonen kan være.
Salgsfremmende video:
Fotonen har en stor sandsynlighed for at være, hvor de to bølgefunktioner konstruktivt interfererer, og lav - hvor interferensen er ødelæggende. Målinger - i dette tilfælde interaktion mellem bølgefunktionen og den fotografiske plade - fører til "kollaps" af bølgefunktionen, til dens sammenbrud. Som et resultat peger det på et af de steder, hvor fotonen materialiseres efter måling.
Denne tilsyneladende måleinducerede sammenbrud af bølgefunktionen er blevet kilden til mange konceptuelle vanskeligheder inden for kvantemekanik. Før sammenbruddet er der ingen måde at sige med sikkerhed, hvor fotonen ender; det kan være overalt med ikke-nedsat sandsynlighed. Der er ingen måde at spore banen til en foton fra kilde til detektor. Fotonet er uvirkeligt i den forstand, at et fly, der flyver fra San Francisco til New York, er ægte.
Werner Heisenberg, blandt andre, fortolkede denne matematik på en sådan måde, at virkeligheden ikke eksisterer, før den overholdes.”Ideen om en objektiv reel verden, hvis mindste partikler findes objektivt i den samme forstand, at der findes sten eller træer, uanset om vi observerer dem eller ej, er umulig,” skrev han. John Wheeler brugte også en variant af eksperimentet med dobbelt spalte til at angive, at "intet elementært kvantefenomen vil være et fænomen, før det bliver et registreret ('observeret', 'registreret for et vist') fænomen."
Men kvante teori giver absolut ingen anelse om, hvad der tæller som "måling." Hun postulerer simpelthen, at måleenheden skal være klassisk, uden at definere, hvor denne linje mellem det klassiske og kvante ligger, og lade døren være åben for dem, der mener, at sammenbrud forårsager menneskelig bevidsthed. Sidste maj sagde Henry Stapp og hans kolleger, at eksperimentet med dobbelt spalte og dets nuværende versioner antyder, at "en bevidst observatør kan være nødvendig" for at give mening til kvanteområdet, og at transpersonlig intelligens er kernen i den materielle verden.
Men disse eksperimenter er ikke empirisk bevis for sådanne påstande. I et eksperiment med dobbelt spalte udført med enkeltfotoner kan man kun teste matematikens sandsynlige forudsigelser. Hvis sandsynligheder dukker op, mens titusinder af identiske fotoner sendes gennem dobbeltspalten, siger teorien, at bølgefunktionen for hvert foton kollapsede - takket være en uklar proces kaldet måling. Det er alt.
Der er desuden andre fortolkninger af eksperimentet med dobbelt spalte. Tag for eksempel de Broglie-Bohm-teorien, der siger, at virkeligheden både er en bølge og en partikel. Fotonen ledes til den dobbelte spalte i en bestemt position på ethvert tidspunkt og passerer gennem den ene spalte eller den anden; derfor har hver foton en bane. Den bevæger sig gennem en pilotbølge, der trænger ind i begge spalter, interfererer og derefter leder fotonen til stedet for konstruktiv interferens.
I 1979 modellerede Chris Dewdney og kolleger ved Brickbeck College London denne teoris forudsigelse af stien til partikler, der ville rejse gennem en dobbelt spalte. I løbet af de sidste ti år har eksperimenter bekræftet, at sådanne bane findes, skønt de har brugt den kontroversielle teknik for såkaldte svage målinger. På trods af kontroversen har eksperimenter vist, at de Broglie-Bohm-teorien stadig er i stand til at forklare kvanteverdenens opførsel.
Vigtigere er det, at denne teori ikke har brug for observatører eller målinger eller immateriel bevidsthed.
De er heller ikke nødvendige af de såkaldte sammenfaldsteorier, hvorfra det følger, at bølgefunktioner kollapser tilfældigt: jo større antallet af partikler i et kvantesystem er, desto mere sandsynligt er sammenbruddet. Observatører registrerer simpelthen resultatet. Markus Arndts team ved Wien Universitet i Østrig testede disse teorier ved at sende større og større molekyler gennem en dobbelt spalte. Sammenfaldsteorier forudsiger, at når partikler af stof bliver mere massive end en bestemt tærskel, kan de ikke længere forblive i en kvantesuperposition og passere gennem begge spalter på samme tid, og dette ødelægger interferensmønsteret. Arndts team sendte et molekyle på 800 atomer gennem dobbeltspalten og så stadig interferens. Søgningen efter tærsklen fortsætter.
Roger Penrose havde sin egen version af teorien om sammenbrud, hvor jo højere massen af et objekt i superposition er, jo hurtigere kollapser det til den ene eller den anden stat på grund af gravitationsinstabiliteter. Igen kræver denne teori ikke en observatør eller nogen form for bevidsthed. Dirk Boumeester fra University of California, Santa Barbara tester Penroses idé med en version af dobbeltslidseksperimentet.
Konceptuelt er ideen ikke kun at placere en foton i en superposition, hvor den passerer gennem to spalter på samme tid, men også at sætte en af spalterne i superposition og få den til at være to steder på samme tid. Ifølge Penrose forbliver den udskiftede spalte enten i superposition eller kollapses med en foton på farten, hvilket vil føre til forskellige interferensmønstre. Dette kollaps afhænger af spaltenes masse. Boumeester har arbejdet med dette eksperiment i ti år og kan snart bekræfte eller afvise Penroses påstande.
Under alle omstændigheder viser disse eksperimenter, at vi endnu ikke kan fremsætte påstande om virkelighedens natur, selvom disse påstande er godt understøttet matematisk eller filosofisk. Og i betragtning af at neurovidenskabsmænd og sindets filosoffer ikke kan blive enige om bevidsthedens natur, ville påstanden om, at det fører til sammenbrud af bølgefunktioner, i bedste fald være for tidligt og vildledt i værste fald.
Ilya Khel