Що квантова теорія насправді говорить про реальність?

Демонстрація, яка перевернула ідеї великого Ісаака Ньютона про природу світла, була неймовірно простий. Її можна повторити з великою легкістю, де б не сяяло сонце», говорив англійський фізик Томас Янг в листопаді 1803 року членам Королівського суспільства в Лондоні, описуючи експеримент, який зараз називається експериментом з подвійною щілиною. І Янг не був захопленим юнаком. Він придумав елегантний і ретельно продуманий експеримент, що демонструє хвильову природу світла, і тим самим спростував теорію Ньютона про те, що світло складається з корпускул, тобто частинок.

Але народження квантової фізики на початку 1900-х років дало зрозуміти, що світ складається з крихітних неподільних одиниць — або квантів — енергії, які ми називаємо фотонами. Експеримент Янга, який проводиться з поодинокими фотонами або навіть з окремими частками матерії, такими як електрони і нейрони, являє собою загадку, яка змушує задуматися про саму природу реальності. Деякі навіть використовували його для тверджень, що на квантовий світ впливає на людську свідомість. Але дійсно простий експеримент може продемонструвати подібне?

чи Може свідомість визначати реальність?

У сучасній квантовій формі експеримент Янга включає стрільбу окремими частинками світла або матерії через дві щілини або отвори, вирізаних в непрозорому бар'єрі. По одну сторону бар'єру знаходиться екран, записує прибуття часток (скажімо, фотографічна пластинка у випадку з фотонами). Здоровий глузд змушує нас очікувати, що фотони будуть проходити або через одну, або через іншу щілину і накопичуватися за відповідним проходом.

Але ні. Фотони потрапляють в певні частини екрану і уникають інших, створюючи чергуються смуги світла і темряви. Ці так звані інтерференційні смуги нагадують картину зустрічі двох хвиль. Коли гребені однієї хвилі вирівнюються з гребенями інший, ви отримуєте конструктивну інтерференцію (яскраві смуги), а коли гребені вирівнюються з западинами, ви отримуєте деструктивну інтерференцію (темрява).

Але ж через пристрій проходить тільки один фотон. Схоже на те, що фотон проходить через обидві щілини відразу і интерферирует сам з собою. Це суперечить здоровому (класичного) змістом.

Математично кажучи, через обидві щілини проходить не фізична частинка або фізична хвиля, а так звана хвильова функція — абстрактна математична функція, що представляє стан фотона (у даному випадку положення). Хвильова функція поводиться як хвиля. Вона потрапляє з двох щілинах, і нові хвилі виходять з іншої сторони щілин, поширюються і інтерферують між собою. Поєднана хвильова функція дозволяє розрахувати ймовірність того, де може перебувати фотон.

Фотон має високу ймовірність опинитися там, де дві хвильові функції конструктивно інтерферують, і низької — там, де деструктивна інтерференція. Вимірювання — в даному випадку це взаємодія хвильової функції з фотографічною платівкою — призводить до «колапсу» хвильової функції, до її згортання. У підсумку вона вказує на одне з місць, в якому фотон матеріалізується після вимірювання.

Цей очевидно викликаний вимірюванням колапс хвильової функції став джерелом багатьох концептуальних труднощів у квантовій механіці. До колапсу немає ніякого способу напевно сказати, де опиниться фотон; він може бути в будь-якому місці з ненульовою ймовірністю. Немає ніякого способу простежити траєкторію фотона від джерела до детектора. Фотон нереальний в тому сенсі, в якому реальний літак, що летить з Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, серед інших, інтерпретував цю математику так, що реальність не існує, поки не спостерігається. «Ідея об'єктивного реального світу, найдрібніші частинки якого існують об'єктивно в такому ж сенсі, в якому існують камені або дерева, незалежно від того, спостерігаємо ми за ними чи ні, — неможлива», - писав він. Джон Уілер також використовував варіант експерименту з подвійною щілиною, щоб заявити, що «ні одне елементарне квантове явище не буде явищем, поки не стане зареєстрованим («спостережуваним», «достеменно записаним») явищем».

Але квантова теорія зовсім не дає ніяких підказок до того, що вважати «виміром». Вона просто постулює, що вимірювальне пристрій повинен бути класичним, не визначаючи, де лежить ця грань між класичним і квантовим, і залишаючи відкритою дверцята для тих, хто вважає, що колапс викликає людську свідомість. У минулому травні Генрі Stapp і його колеги заявили, що експеримент з подвійною щілиною і його сучасні варіанти свідчать про те, що «свідомий спостерігач може бути необхідним», щоб наділяти смислом квантову сферу, і що в основі матеріального світу лежить трансперсональний розум.

Але ці експерименти не є емпіричним доказом таких тверджень. В експерименті з подвійною щілиною, виконаному з поодинокими фотонами, можна лише перевірити імовірнісні передбачення математики. Якщо ймовірності спливають в процесі досилання десятків тисяч ідентичних фотонів через подвійну щілину, теорія стверджує, що хвильова функція кожного фотона схлопнув — завдяки нечітко визначеного процесу під назвою вимір. От і все.

Крім того, існують інші інтерпретації експерименту з подвійною щілиною. Взяти, наприклад, теорію де Бройля-Бома, в якій говориться, що реальність — це і хвиля, і частка. Фотон направляється до подвійноїщілини з певним становищем у будь-який момент і проходить через одну щілину або іншу; отже, у кожного фотона є траєкторія. Вона проходить через пілотну хвилю, яка проникає через обидві щілини, интерферирует і потім направляє фотон в місце конструктивної інтерференції.

У 1979 році Кріс Дьюдни і його колеги з Коледжу Брикбек в Лондоні змоделювали передбачення цієї теорії про траєкторій частинок, які пройдуть через подвійну щілину. За останні десять років експериментатори підтвердили, що такі траєкторії існують, хоч і використовували спірну методику так званих слабких вимірювань. Незважаючи на спірність, експерименти показали, що теорія де Бройля-Бома все ще в змозі пояснити поведінку квантового світу.

Що більш важливо, цієї теорії не потрібні спостерігачі, або вимірювання, або нематеріальне свідомість.

Як не потрібні і так званих теорій колапсу, з яких випливає, що хвильові функції складаються випадковим чином: чим більше число частинок в квантовій системі, тим імовірніше колапс. Спостерігачі просто фіксують результат. Команда Маркуса Арндта з Віденського університету в Австрії перевіряли ці теорії, посилаючи всі великі і великі молекули через подвійну щілину. Теорії колапсу передбачають, що коли частинки матерії стають масивнішими певного порогу, вони більше не можуть залишатися в квантової суперпозиції і проходити через обидві щілини одночасно, і це знищує картину інтерференції. Команда Арндта відправила молекулу з 800 атомів через подвійну щілину і все одно побачила інтерференцію. Пошук порогу триває.

У Роджера Пенроуза була власна версія теорії колапсу, у якій чим вище маса об'єкта в суперпозиції, тим швидше він колапсує до одного стану або іншого через гравітаційних нестабільності. І знову, ця теорія не вимагає спостерігача і якого-небудь свідомості. Дірк Боумеестер з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі перевіряє ідею Пенроуза з допомогою однієї з версій експерименту з подвійною щілиною.

Концептуально ідея полягає в тому, щоб не просто помістити фотон в суперпозицію проходження через дві щілини одночасно, але і поставити одну із щілин у суперпозицію і змусити перебувати в двох місцях одночасно. На думку Пенроуза, заміщена щілину буде або залишатися в суперпозиції, або колапсує з фотоном на літа, що призведе до різних картин інтерференції. Цей колапс буде залежати від маси щілин. Боумеестер працює над цим експериментом десять років і, можливо, незабаром підтвердить або спростує заяви Пенроуза.

У будь-якому випадку, ці експерименти показують, що ми поки не можемо робити ніяких тверджень про природу реальності, навіть якщо ці заяви добре математично підкріплені або філософськи. І враховуючи те, що нейробіологи і філософи розуму не можуть домовитися про природу свідомості, твердження, що воно призводить до колапсу хвильових функцій, буде передчасним в кращому випадку і помилковим — у гіршому.

А якої думки дотримуєтеся ви? Розкажіть в нашому