Demonstrācija, kas pārvērta lieliskās Īzaka Ņūtona idejas par gaismas dabu, bija neticami vienkārša. To "ar lielu vieglumu var atkārtot visur, kur spīd saule", sacīja angļu fiziķis Tomass Youngs 1803. gada novembrī Londonas Karaliskās biedrības locekļiem, aprakstot to, kas mūsdienās tiek saukts par dubultā spraugas eksperimentu. Un Jauns nebija aizrautīgs jaunietis. Viņš nāca klajā ar elegantu un izsmalcinātu eksperimentu, kas demonstrēja gaismas viļņu raksturu, un tādējādi atspēkoja Ņūtona teoriju, ka gaismu veido korpusi, tas ir, daļiņas.
Bet kvantu fizikas dzimšana 1900. gadu sākumā lika saprast, ka gaismu veido niecīgas nedalāmas enerģijas vienības jeb kvantitātes - enerģija, ko mēs saucam par fotoniem. Younga eksperiments ar atsevišķiem fotoniem vai pat ar atsevišķām matērijas daļiņām, piemēram, elektroniem un neironiem, ir noslēpums, kas liek aizdomāties par patiesības būtību. Daži to pat ir izmantojuši, lai apgalvotu, ka kvantu pasauli ietekmē cilvēka apziņa. Bet vai tiešām to var pierādīt vienkāršs eksperiments?
Vai apziņa var definēt realitāti?
Modernajā kvantu formā Younga eksperiments ietver atsevišķu gaismas vai vielas daļiņu izšaušanu caur divām spraugām vai caurumiem, kas sagriezti necaurspīdīgā barjerā. Vienā barjeras pusē ir ekrāns, kas reģistrē daļiņu ienākšanu (teiksim, fotonu gadījumā fotoplāksne). Veselais saprāts liek mums gaidīt, ka fotoni izies cauri vai nu vienam, vai otram spraugai un uzkrājas aiz atbilstošās ejas.
Bet nē. Fotoni skar noteiktas ekrāna daļas un izvairās no citām, radot mainīgas gaismas un tumsas svītras. Šīs tā saucamās bārkstis atgādina divu viļņu satikšanās ainu. Kad viena viļņa cresijas sakrīt ar cita cresēm, jūs saņemat konstruktīvus traucējumus (spilgtas svītras), un, kad crests sakrīt ar siles, jūs saņemat destruktīvus traucējumus (tumsa).
Bet vienlaikus caur ierīci iet tikai viens fotons. Izskatās, ka fotons iet cauri abām spraugām vienlaikus un pats sev traucē. Tas ir pretrunā ar parasto (klasisko) saprātu.
Matemātiski runājot, tā nav fiziska daļiņa vai fizisks vilnis, kas iet caur abām spraugām, bet tā saucamā viļņa funkcija - abstrakta matemātiska funkcija, kas attēlo fotona stāvokli (šajā gadījumā - pozīciju). Viļņu funkcija uzvedas kā vilnis. Tas nonāk divās spraugās, un spraugu otrā pusē iznāk jauni viļņi, izplatās un traucē viens otram. Kombinētā viļņa funkcija aprēķina varbūtību, kur varētu atrasties fotons.
Reklāmas video:
Fotonam ir liela varbūtība atrasties tur, kur konstruktīvi traucē divu viļņu funkcijas, un zemam - ja traucējumi ir destruktīvi. Mērījumi - šajā gadījumā viļņa funkcijas mijiedarbība ar fotoplāksni - noved pie viļņa funkcijas "sabrukšanas", līdz tā sabrukumam. Rezultātā tas norāda uz vienu no vietām, kur fotons pēc mērīšanas materializējas.
Šis acīmredzami mērījumu izraisītais viļņu funkcijas sabrukums ir kļuvis par daudzu kvantu mehānikas konceptuālu grūtību avotu. Pirms sabrukuma nav iespējams droši pateikt, kur nonāks fotons; tas var būt jebkur ar nulles varbūtību. Nav iespējams izsekot fotona trajektoriju no avota līdz detektoram. Fotons ir nereāls tādā ziņā, ka lidmašīna, kas lido no Sanfrancisko uz Ņujorku, ir reāla.
Verners Heisenbergs, cita starpā, interpretēja šo matemātiku tādā veidā, ka realitāte nepastāv, kamēr tā nav novērota. "Ideja par objektīvu reālo pasauli, kuras mazākās daļiņas eksistē objektīvi tādā pašā nozīmē kā akmeņi vai koki, neatkarīgi no tā, vai mēs tos novērojam vai ne, nav iespējama," viņš rakstīja. Džons Rīlers izmantoja arī dubultās spraugas eksperimenta variantu, norādot, ka "neviena elementāra kvantu parādība nebūs parādība, kamēr tā nekļūs par reģistrētu (“novērotu”,“noteikti reģistrētu”) fenomenu”.
Bet kvantu teorija nesniedz nekādu iespaidu par to, kas uzskatāms par "mērījumu". Viņa vienkārši postulē, ka mērīšanas ierīcei jābūt klasiskai, nenosakot, kur atrodas šī līnija starp klasisko un kvantu, un atstājot durvis atvērtas tiem, kuri uzskata, ka sabrukums izraisa cilvēka apziņu. Pagājušā gada maijā Henrijs Staps un kolēģi sacīja, ka divkāršās spraugas eksperiments un tā pašreizējās versijas liek domāt, ka "var būt nepieciešams apzināts novērotājs", lai piešķirtu nozīmi kvantu valstībai, un ka transpersonālais intelekts ir materiālās pasaules centrā.
Bet šie eksperimenti nav empīriski pierādījumi šādiem apgalvojumiem. Divkāršā spraugā, kas veikta ar atsevišķiem fotoniem, var pārbaudīt tikai matemātikas varbūtības prognozes. Ja varbūtības tiek parādītas, kad desmitiem tūkstošu identisku fotonu tiek nosūtīti pa dubultā spraugu, teorijā teikts, ka katra fotona viļņa funkcija sabruka - pateicoties izplūdušajam procesam, ko sauc par mērīšanu. Tas ir viss.
Turklāt ir arī citas dubultās spraugas eksperimenta interpretācijas. Ņemsim, piemēram, de Broglie-Bohm teoriju, kurā teikts, ka realitāte ir gan vilnis, gan daļiņa. Fotons jebkurā brīdī tiek novirzīts uz dubulto spraugu noteiktā stāvoklī un iziet caur vienu vai otru spraugu; tāpēc katram fotonam ir trajektorija. Tas pārvietojas pa izmēģinājuma vilni, kas iekļūst abās spraugās, traucē un pēc tam novirza fotonu uz konstruktīvu traucējumu vietu.
1979. gadā Kriss Devdnijs un Londonas Brikbekas koledžas kolēģi modelēja šīs teorijas prognozējumu par daļiņu ceļiem, kas šķērsotu dubultā spraugu. Pēdējo desmit gadu laikā eksperimentētāji ir apstiprinājuši, ka šādas trajektorijas pastāv, kaut arī viņi ir izmantojuši pretrunīgi vērtēto tā saukto vājo mērījumu paņēmienu. Neskatoties uz strīdiem, eksperimenti parādīja, ka de Broglie-Bohm teorija joprojām spēj izskaidrot kvantu pasaules uzvedību.
Vēl svarīgāk ir tas, ka šai teorijai nav nepieciešami novērotāji vai mērījumi vai nemateriāla apziņa.
Tie nav nepieciešami arī tā sauktajām sabrukšanas teorijām, no kurām izriet, ka viļņu funkcijas sabrūk nejauši: jo lielāks ir daļiņu skaits kvantu sistēmā, jo lielāka ir sabrukuma iespējamība. Novērotāji rezultātu vienkārši reģistrē. Markusa Arndta komanda Vīnes universitātē Austrijā pārbaudīja šīs teorijas, nosūtot lielākas un lielākas molekulas caur dubultu spraugu. Sakļaušanas teorijas paredz, ka tad, kad matērijas daļiņas kļūst masīvākas par noteiktu slieksni, tās vairs nevar palikt kvantu superpozīcijā un iziet cauri abām spraugām vienlaikus, un tas iznīcina traucējumu modeli. Arndta komanda caur dubultā spraugu nosūtīja 800 atomu molekulu un joprojām redzēja traucējumus. Sliekšņa meklēšana turpinās.
Rodžerim Penrozam bija sava sabrukšanas teorijas versija, kurā jo augstāka ir objekta masa superpozīcijā, jo ātrāk tas sabrūk vienā vai otrā stāvoklī gravitācijas nestabilitātes dēļ. Atkal šai teorijai nav vajadzīgs novērotājs vai jebkāda veida apziņa. Dirks Boumeters no Kalifornijas universitātes Santa Barbara pārbauda Penrose ideju ar dubultās spraugas eksperimenta versiju.
Konceptuāli ideja ir ne tikai ievietot fotonu superpozīcijā, kas iet cauri divām spraugām vienlaikus, bet arī novietot vienu no spraugām superpozīcijā un padarīt to vienā un tajā pašā vietā divās vietās. Pēc Penrozes teiktā, nomainītā sprauga vai nu paliks superpozīcijā, vai arī sabruks ar fotonu lidojumā, kas radīs dažādus traucējumus. Šis sabrukums būs atkarīgs no spraugu masas. Boumeesters pie šī eksperimenta strādā desmit gadus un drīz var apstiprināt vai noliegt Penrose apgalvojumus.
Jebkurā gadījumā šie eksperimenti parāda, ka mēs vēl nevaram izvirzīt nekādas pretenzijas par realitātes raksturu, pat ja šie apgalvojumi tiek labi atbalstīti matemātiski vai filozofiski. Un, ņemot vērā to, ka neirozinātnieki un prāta filozofi nevar vienoties par apziņas būtību, apgalvojums, ka tas noved pie viļņu funkciju sabrukšanas, labākajā gadījumā būtu priekšlaicīgs un sliktākajā gadījumā kļūdains.
Iļja Khel
