Demonstracija koja je okrenula velike ideje Isaaca Newtona o prirodi svjetla bila je nevjerojatno jednostavna. To se „može ponoviti s velikom lakoćom gdje god sunce zasja“, rekao je engleski fizičar Thomas Young u studenom 1803. članovima Kraljevskog društva u Londonu, opisujući ono što se danas naziva eksperimentom s dvostrukim prorezom. A Young nije bio oduševljen mladićem. Smislio je elegantan i razrađen eksperiment koji pokazuje valnu prirodu svjetlosti i time pobijao Newtonovu teoriju da je svjetlost sastavljena od tjelesnih tijela, tj. Čestica.
No, rođenjem kvantne fizike početkom 1900-ih jasno je bilo da se svjetlost sastoji od sićušnih nedjeljivih jedinica - ili kvantnih - energije koje nazivamo fotoni. Young-ov eksperiment s pojedinačnim fotonima, ili čak s pojedinačnim česticama materije poput elektrona i neurona, misterija je koja vas pita o samoj prirodi stvarnosti. Neki su ga čak koristili i kako bi tvrdili da na kvantni svijet utječe ljudska svijest. Ali može li jednostavan eksperiment to doista pokazati?
Može li svijest definirati stvarnost?
U svom modernom kvantnom obliku, Youngov pokus uključuje ispaljivanje pojedinih čestica svjetlosti ili materije kroz dvije proreze ili rupe urezane u neprozirnu barijeru. S jedne strane barijere nalazi se ekran koji bilježi dolazak čestica (recimo, fotografska ploča u slučaju fotona). Zdrav razum čini da očekujemo da će fotoni proći kroz jedan ili drugi prorez i nakupiti se iza odgovarajućeg prolaza.
Ali ne. Fotoni pogađaju određene dijelove ekrana i izbjegavaju druge, stvarajući naizmjenične pruge svjetla i tame. Ove takozvane rubove nalikuju slici sastanka dva talasa. Kad se grebeni jednog vala poravnaju s grebenima drugog, dobijete konstruktivne smetnje (svijetle pruge), a kada se grebeni poravnaju s koritima, dobivate destruktivne smetnje (tama).
Ali samo jedan foton prolazi kroz uređaj istodobno. Izgleda da foton odjednom prolazi kroz obje proreze i miješa se u sebe. To je suprotno zdravom (klasičnom) razumu.
Matematički gledano, to nije fizička čestica ili fizički val koji prolazi kroz obje proreze, već takozvana valna funkcija - apstraktna matematička funkcija koja predstavlja stanje fotona (u ovom slučaju položaj). Funkcija vala ponaša se poput vala. Udara u dvije proreze, a novi valovi izlaze s druge strane proreza, šire se i miješaju jedan drugoga. Kombinirana valna funkcija izračunava vjerojatnost gdje bi foton mogao biti.
Promotivni video:
Na fotonu postoji velika vjerojatnost da će biti tamo gdje funkcije dvaju valova konstruktivno interferiraju, a niske - gdje je smetnja destruktivna. Mjerenja - u ovom slučaju interakcija valne funkcije s fotografskom pločom - dovode do "kolapsa" valne funkcije, do njezinog urušavanja. Kao rezultat, ukazuje na jedno od mjesta na kojima se foton nakon mjerenja materijalizira.
Ovaj naizgled mjerenje izazvan kolaps valne funkcije postao je izvor mnogih konceptualnih poteškoća u kvantnoj mehanici. Prije kolapsa, ne postoji način da se sigurno kaže gdje će se foton završiti; može biti bilo gdje s ne-nuro vjerojatnošću. Ne postoji način da se prati putanja fotona od izvora do detektora. Foton je nestvaran u smislu da je zrakoplov koji leti iz San Francisca za New York stvaran.
Werner Heisenberg je, između ostalog, tu matematiku protumačio tako da stvarnost ne postoji dok je ne promatramo. "Ideja objektivnog stvarnog svijeta, čije najmanje čestice objektivno postoje u istom smislu kao da postoje kamenje ili drveće, bez obzira na to promatramo li ih ili ne, nemoguća je", napisao je. John Wheeler također je koristio varijantu eksperimenta s dvostrukim prorezom kako bi izjavio kako "nijedan elementarni kvantni fenomen neće biti fenomen sve dok ne postane registrirani ('promatrani', 'definitivno zabilježeni') fenomen."
Ali kvantna teorija ne daje apsolutno nikakvu naznaku o tome što se računa kao "mjerenje". Ona jednostavno postulira da bi mjerni uređaj trebao biti klasičan, bez definiranja mjesta gdje leži linija između klasičnog i kvantnog i ne ostavlja vrata otvorena za one koji vjeruju da kolaps uzrokuje ljudsku svijest. Prošlog svibnja Henry Stapp i njegovi kolege rekli su da eksperiment s dvostrukim prorezom i njegove trenutne verzije sugeriraju da je "svjestan promatrač možda potreban" da bi dao smisao kvantnom carstvu i da je transpersonalna inteligencija u srži materijalnog svijeta.
Ali ti eksperimenti nisu empirijski dokaz za takve tvrdnje. U eksperimentu s dvostrukim prorezom izvedenim s pojedinačnim fotonima može se testirati samo vjerojatna predviđanja matematike. Ako se vjerojatnosti pojave s desecima tisuća identičnih fotona koji se šalju kroz dvostruki prorez, teorija kaže da se valna funkcija svakog fotona urušila - zahvaljujući nejasnom procesu nazvanom mjerenje. To je sve.
Pored toga, postoje i druge interpretacije pokusa s dvostrukim prorezom. Uzmimo za primjer teoriju de Broglie-Bohma koja kaže da je stvarnost i val i čestica. Foton je u svakom trenutku usmjeren prema dvostrukom prorezu i prolazi kroz jedan ili drugi prorez; stoga svaki foton ima putanju. Putuje kroz pilot val koji prodire kroz obje proreze, ometa se, a zatim usmjerava foton na mjesto konstruktivne interferencije.
Chris Dewdney i kolege s Brickbeck College u Londonu su 1979. modelirali ovu teoriju predviđanjem putanja čestica koje će prolaziti kroz dvostruki prorez. U proteklih deset godina, eksperimentatori su potvrdili da takve putanje postoje, iako su koristili kontroverznu tehniku takozvanih slabih mjerenja. Unatoč kontroverzi, eksperimenti su pokazali da je de Broglie-Bohmova teorija još uvijek u stanju objasniti ponašanje kvantnog svijeta.
Što je još važnije, ova teorija ne treba promatrače ili mjerenja ili nematerijalnu svijest.
Niti im trebaju takozvane teorije kolapsa, iz kojih proizlazi da se valne funkcije slučajno srušavaju: što je veći broj čestica u kvantnom sustavu, to je vjerojatnije da će kolaps biti veći. Promatrači jednostavno bilježe rezultat. Markus Arndtov tim sa Sveučilišta u Beču u Austriji testirao je ove teorije slanjem većih i većih molekula kroz dvostruki prorez. Teorije kolapsa predviđaju da kad čestice materije postanu masivnije od određenog praga, one više ne mogu ostati u kvantnom superpoziciji i prolaziti kroz obje proreze istovremeno, a to uništava obrazac interferencije. Arndtov tim poslao je molekulu od 800 atoma kroz dvostruki prorez i dalje vidio smetnje. Pretraživanje praga se nastavlja.
Roger Penrose imao je svoju verziju teorije kolapsa, u kojoj je veća masa objekta u superpoziciji, brže se on srušava u jedno ili drugo stanje zbog gravitacijskih nestabilnosti. Opet, ova teorija ne zahtijeva promatrača ili bilo kakvu svijest. Dirk Boumeester sa Sveučilišta u Kaliforniji, Santa Barbara testira Penroseovu ideju s verzijom eksperimenta s dvostrukim prorezom.
Konceptualno, ideja nije samo staviti foton u superpoziciju prolaska kroz dvije proreze istovremeno, već i staviti jedan od proreza u superpoziciju i učiniti ga na dva mjesta istovremeno. Prema Penroseu, zamijenjeni prorez će ili ostati u superpoziciji ili će se raspasti s fotonom u letu, što će dovesti do različitih obrazaca smetnji. Taj će kolaps ovisiti o masi proreza. Boumeester radi na ovom eksperimentu deset godina i uskoro bi mogao potvrditi ili negirati Penroseove tvrdnje.
U svakom slučaju, ovi eksperimenti pokazuju kako još uvijek ne možemo iznijeti nikakve tvrdnje o prirodi stvarnosti, čak i ako su te tvrdnje matematički ili filozofski dobro podržane. A s obzirom na to da se neuroznanstvenici i filozofi uma ne mogu složiti o prirodi svijesti, tvrdnja da ona dovodi do kolapsa valnih funkcija bila bi u najboljem slučaju preuranjena, a u najgorem slučaju pogrešna.
Ilya Khel