Demonstrationen som vände de stora Isaac Newtons idéer om ljusets natur var oerhört enkel. Det "kan upprepas med stor lätthet vart som helst solen skiner," sade den engelska fysikern Thomas Young i november 1803 till medlemmar av Royal Society i London och beskrev vad som nu kallas dubbelslitsexperimentet. Och Young var inte en entusiastisk ungdom. Han kom med ett elegant och utarbetat experiment som demonstrerade ljusets vågkaraktär och omvände därmed Newtons teori om att ljus är sammansatt av kroppar, det vill säga, partiklar.
Men kvantfysikens födelse i början av 1900-talet gjorde det klart att ljus består av små odelbara enheter - eller kvanta - av energi som vi kallar fotoner. Youngs experiment med enstaka fotoner, eller till och med med enskilda partiklar av materia som elektroner och neuroner, är ett mysterium som får dig att undra om verklighetens natur. En del har till och med använt den för att hävda att kvantvärlden påverkas av mänskligt medvetande. Men kan ett enkelt experiment verkligen visa detta?
Kan medvetande definiera verkligheten?
I sin moderna kvantform involverar Youngs experiment avfyrning av enskilda partiklar av ljus eller materia genom två slitsar eller hål som är skurna i en opak barriär. På ena sidan av barriären är en skärm som registrerar ankomsten av partiklar (t.ex. en fotografisk platta i fallet med fotoner). Sunt förnuft gör att vi förväntar oss att fotoner passerar antingen den ena eller den andra slitsen och samlas bakom motsvarande passage.
Men nej. Fotonerna träffar vissa delar av skärmen och undviker andra och skapar alternerande ljusstrimmor och mörker. Dessa så kallade fransar liknar en bild av två vågor som möts. När en vågs vapen överensstämmer med en annan vapen får du konstruktiv interferens (ljusa ränder), och när vapnen överensstämmer med tråg får du förstörande störningar (mörker).
Men bara en foton passerar genom enheten åt gången. Det ser ut som att fotonen går igenom båda slitserna på en gång och stör sig själv. Detta strider mot vanligt (klassiskt) förnuft.
Matematiskt sett är det inte en fysisk partikel eller en fysisk våg som passerar genom båda slitsarna, utan den så kallade vågfunktionen - en abstrakt matematisk funktion som representerar fotonens tillstånd (i detta fall position). Vågfunktionen beter sig som en våg. Den träffar två slitsar, och nya vågor kommer ut på andra sidan slitsarna, sprider sig och stör varandra. Den kombinerade vågfunktionen beräknar sannolikheten för var fotonen kan vara.
Kampanjvideo:
Fotonen har stor sannolikhet att vara där de två vågfunktionerna konstruktivt interfererar och låg - där störningen är förstörande. Mätningar - i detta fall interaktion mellan vågfunktionen och den fotografiska plattan - leder till "vågfunktionens" kollaps, till dess kollaps. Som ett resultat pekar den på ett av de platser där fotonen materialiseras efter mätning.
Denna uppenbarligen mätinducerade kollaps av vågfunktionen har blivit källan till många konceptuella svårigheter i kvantmekanik. Före kollapsen finns det inget sätt att säga säkert var foton kommer att hamna; det kan vara var som helst med icke-noll sannolikhet. Det finns inget sätt att spåra banan för en foton från källa till detektor. Fotonen är overklig i den meningen att ett flygplan som flyger från San Francisco till New York är verkligt.
Werner Heisenberg tolkade bland annat denna matematik på ett sådant sätt att verkligheten inte existerar förrän den observeras. "Idén om en objektiv verklig värld, vars minsta partiklar existerar objektivt i samma mening som stenar eller träd finns, oavsett om vi observerar dem eller inte, är omöjlig," skrev han. John Wheeler använde också en variant av dubbelslitsexperimentet för att säga att "inget elementärt kvantfenomen kommer att vara ett fenomen förrän det blir ett registrerat ('observerat', 'registrerat för visst') fenomen."
Men kvantteorin ger absolut ingen aning om vad som räknas som "mätning". Hon postulerar helt enkelt att mätanordningen ska vara klassisk, utan att definiera var linjen mellan det klassiska och kvantet ligger, och lämna dörren öppen för dem som tror att kollaps orsakar mänskligt medvetande. I maj förra sade Henry Stapp och hans kollegor att dubbelslitsexperimentet och dess nuvarande versioner tyder på att "en medveten observatör kan vara nödvändig" för att ge mening till kvantområdet och att transpersonlig intelligens är kärnan i den materiella världen.
Men dessa experiment är inte empiriska bevis för sådana påståenden. I ett experiment med dubbelslits som utförs med enstaka fotoner kan man bara testa matematikens sannolikhetsförutsägelser. Om sannolikheter dyker upp när tiotusentals identiska fotoner skickas genom dubbelspalten, säger teorin att vågfunktionen för varje foton kollapsade - tack vare en fuzzy process som kallas mätning. Det är allt.
Dessutom finns det andra tolkningar av dubbelspalt-experimentet. Ta till exempel de Broglie-Bohm-teorin, som säger att verkligheten är både en våg och en partikel. Fotonen riktas till den dubbla slitsen vid ett visst läge när som helst och passerar genom den ena slitsen eller den andra; därför har varje foton en bana. Den rör sig genom en pilotvåg som penetrerar båda slitsarna, stör och leder sedan fotonen till platsen för konstruktiv störning.
1979 modellerade Chris Dewdney och kollegor vid Brickbeck College London denna teoris förutsägelse av partiklarnas vägar som skulle färdas genom en dubbel slits. Under de senaste tio åren har experimenter bekräftat att sådana banor finns, även om de har använt den kontroversiella tekniken för så kallade svaga mätningar. Trots kontroversen har experiment visat att de Broglie-Bohm-teorin fortfarande kan förklara kvantvärldens beteende.
Ännu viktigare är att denna teori inte behöver observatörer eller mätningar eller immateriellt medvetande.
De behövs inte heller av de så kallade kollapsteorierna, från vilka det följer att vågfunktioner kollapsar slumpmässigt: ju större antalet partiklar i ett kvantsystem är, desto mer sannolikt är kollapsen. Observatörer registrerar helt enkelt resultatet. Markus Arndts team vid Wienuniversitetet i Österrike testade dessa teorier genom att skicka större och större molekyler genom en dubbel slits. Kollapsteorier förutspår att när partiklar av materia blir mer massiva än en viss tröskel, kan de inte längre förbli i en kvant superposition och passera genom båda slitsarna på samma gång, och detta förstör interferensmönstret. Arndts team skickade en molekyl med 800 atomer genom dubbelspalten och såg fortfarande störningar. Sökningen efter tröskeln fortsätter.
Roger Penrose hade sin egen version av teorin om kollaps, där ju högre massan av ett objekt i superposition, desto snabbare kollapsar det till ett eller annat tillstånd på grund av gravitationsinstabilitet. Återigen kräver inte denna teori en observatör eller någon form av medvetande. Dirk Boumeester från University of California, Santa Barbara testar Penroses idé med en version av det dubbla slitsexperimentet.
Begreppsmässigt är tanken inte bara att sätta en foton i en superposition att passera genom två slitsar samtidigt, utan också att placera en av slitsarna i superposition och få den att vara på två platser samtidigt. Enligt Penrose kommer den ersatta slitsen att förbli i superposition eller kollapsa med en foton i farten, vilket kommer att leda till olika interferensmönster. Denna kollaps beror på slitsarnas massa. Boumeester har arbetat med detta experiment i tio år och kan snart bekräfta eller förneka Penroses påståenden.
I alla fall visar dessa experiment att vi ännu inte kan göra några påståenden om verklighetens natur, även om dessa påståenden stöds väl matematiskt eller filosofiskt. Och med tanke på att neurovetenskapsmän och sinnesfilosofer inte kan komma överens om medvetenhetens natur, skulle påståendet att det leder till att vågfunktionerna kollapsar vara för tidigt i allt för tidigt och missvisas i värsta fall.
Ilya Khel
