Die Demonstration, die die Ideen des großen Isaac Newton über die Natur des Lichts auf den Kopf stellte, war unglaublich einfach. Es "kann mit großer Leichtigkeit wiederholt werden, wo immer die Sonne scheint", sagte der englische Physiker Thomas Young im November 1803 gegenüber Mitgliedern der Royal Society in London und beschrieb das, was heute als Doppelspaltexperiment bezeichnet wird. Und Young war keine begeisterte Jugend. Er entwickelte ein elegantes und aufwändiges Experiment, das die Wellennatur des Lichts demonstrierte, und widerlegte damit Newtons Theorie, dass Licht aus Teilchen, dh Teilchen, besteht.
Die Geburt der Quantenphysik in den frühen 1900er Jahren machte jedoch deutlich, dass Licht aus winzigen unteilbaren Einheiten - oder Quanten - von Energie besteht, die wir Photonen nennen. Youngs Experiment mit einzelnen Photonen oder sogar mit einzelnen Materieteilchen wie Elektronen und Neuronen ist ein Rätsel, das Sie über die Natur der Realität nachdenken lässt. Einige haben es sogar benutzt, um zu behaupten, dass die Quantenwelt vom menschlichen Bewusstsein beeinflusst wird. Aber kann ein einfaches Experiment dies wirklich demonstrieren?
Kann Bewusstsein die Realität definieren?
In seiner modernen Quantenform besteht Youngs Experiment darin, einzelne Licht- oder Materieteilchen durch zwei Schlitze oder Löcher zu schießen, die in eine undurchsichtige Barriere geschnitten sind. Auf einer Seite der Barriere befindet sich ein Bildschirm, der die Ankunft von Partikeln aufzeichnet (z. B. eine Fotoplatte bei Photonen). Der gesunde Menschenverstand lässt erwarten, dass Photonen entweder den einen oder den anderen Spalt passieren und sich hinter dem entsprechenden Durchgang ansammeln.
Aber nein. Die Photonen treffen auf bestimmte Teile des Bildschirms und meiden andere, wodurch abwechselnd Licht- und Dunkelstreifen entstehen. Diese sogenannten Ränder ähneln einem Bild von zwei Wellen, die sich treffen. Wenn sich die Kämme einer Welle mit den Kämmen einer anderen Welle ausrichten, erhalten Sie konstruktive Interferenzen (helle Streifen), und wenn sich die Kämme mit Tälern ausrichten, erhalten Sie destruktive Interferenzen (Dunkelheit).
Es passiert jedoch immer nur ein Photon das Gerät. Es sieht so aus, als ob das Photon beide Schlitze gleichzeitig durchläuft und sich selbst stört. Dies widerspricht dem gesunden Menschenverstand.
Mathematisch gesehen ist es nicht ein physikalisches Teilchen oder eine physikalische Welle, die beide Schlitze durchläuft, sondern die sogenannte Wellenfunktion - eine abstrakte mathematische Funktion, die den Zustand eines Photons (in diesem Fall die Position) darstellt. Die Wellenfunktion verhält sich wie eine Welle. Es trifft zwei Schlitze und neue Wellen treten auf der anderen Seite der Schlitze aus, breiten sich aus und stören sich gegenseitig. Die kombinierte Wellenfunktion berechnet die Wahrscheinlichkeit, wo sich das Photon befinden könnte.
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Das Photon hat eine hohe Wahrscheinlichkeit, dort zu sein, wo die beiden Wellenfunktionen konstruktiv interferieren, und eine niedrige Wahrscheinlichkeit, wo die Interferenz destruktiv ist. Messungen - in diesem Fall die Wechselwirkung der Wellenfunktion mit der fotografischen Platte - führen zum "Zusammenbruch" der Wellenfunktion, zu ihrem Zusammenbruch. Infolgedessen zeigt es auf eine der Stellen, an denen das Photon nach der Messung materialisiert wird.
Dieser scheinbar messungsbedingte Zusammenbruch der Wellenfunktion ist zur Quelle vieler konzeptioneller Schwierigkeiten in der Quantenmechanik geworden. Vor dem Zusammenbruch kann man nicht genau sagen, wo das Photon landen wird. es kann überall mit einer Wahrscheinlichkeit ungleich Null sein. Es gibt keine Möglichkeit, die Flugbahn eines Photons von der Quelle zum Detektor zu verfolgen. Das Photon ist in dem Sinne unwirklich, dass ein Flugzeug, das von San Francisco nach New York fliegt, real ist.
Werner Heisenberg hat diese Mathematik unter anderem so interpretiert, dass die Realität erst existiert, wenn sie beobachtet wird. "Die Idee einer objektiven realen Welt, deren kleinste Teilchen objektiv in demselben Sinne existieren wie Steine oder Bäume, unabhängig davon, ob wir sie beobachten oder nicht, ist unmöglich", schrieb er. John Wheeler verwendete auch eine Variante des Doppelspaltexperiments, um festzustellen, dass "kein elementares Quantenphänomen ein Phänomen sein wird, bis es zu einem registrierten (" beobachteten "," für bestimmte aufgezeichneten ") Phänomen wird."
Die Quantentheorie gibt jedoch absolut keinen Hinweis darauf, was als "Messung" gilt. Sie postuliert einfach, dass das Messgerät klassisch sein sollte, ohne zu definieren, wo die Grenze zwischen dem klassischen und dem Quanten liegt, und die Tür für diejenigen offen zu lassen, die glauben, dass der Zusammenbruch das menschliche Bewusstsein verursacht. Im Mai letzten Jahres sagten Henry Stapp und Kollegen, dass das Doppelspaltexperiment und seine aktuellen Versionen darauf hindeuten, dass "ein bewusster Beobachter notwendig sein könnte", um dem Quantenbereich einen Sinn zu geben, und dass die transpersonale Intelligenz den Kern der materiellen Welt bildet.
Diese Experimente sind jedoch kein empirischer Beweis für solche Behauptungen. In einem Doppelspaltexperiment mit Einzelphotonen kann man nur die probabilistischen Vorhersagen der Mathematik testen. Wenn Wahrscheinlichkeiten auftreten, wenn Zehntausende identischer Photonen durch den Doppelspalt gesendet werden, besagt die Theorie, dass die Wellenfunktion jedes Photons zusammengebrochen ist - dank eines Fuzzy-Prozesses, der als Messung bezeichnet wird. Das ist alles.
Darüber hinaus gibt es andere Interpretationen des Doppelspaltexperiments. Nehmen wir zum Beispiel die De-Broglie-Bohm-Theorie, die besagt, dass die Realität sowohl eine Welle als auch ein Teilchen ist. Das Photon wird zu jedem Zeitpunkt an einer bestimmten Position auf den Doppelspalt gerichtet und passiert den einen oder anderen Spalt; Daher hat jedes Photon eine Flugbahn. Es bewegt sich durch eine Pilotwelle, die beide Schlitze durchdringt, interferiert und dann das Photon zum Ort der konstruktiven Interferenz lenkt.
1979 modellierten Chris Dewdney und Kollegen vom Brickbeck College London die Vorhersage dieser Theorie der Wege von Partikeln, die sich durch einen Doppelspalt bewegen würden. In den letzten zehn Jahren haben Experimentatoren bestätigt, dass solche Trajektorien existieren, obwohl sie die umstrittene Technik der sogenannten schwachen Messungen angewendet haben. Trotz der Kontroverse haben Experimente gezeigt, dass die de Broglie-Bohm-Theorie das Verhalten der Quantenwelt immer noch erklären kann.
Noch wichtiger ist, dass diese Theorie keine Beobachter oder Messungen oder immaterielles Bewusstsein benötigt.
Sie werden auch nicht von den sogenannten Kollaps-Theorien benötigt, aus denen folgt, dass Wellenfunktionen zufällig kollabieren: Je größer die Anzahl der Teilchen in einem Quantensystem ist, desto wahrscheinlicher ist der Kollaps. Beobachter zeichnen einfach das Ergebnis auf. Das Team von Markus Arndt an der Universität Wien in Österreich testete diese Theorien, indem es immer größere Moleküle durch einen Doppelspalt schickte. Kollaps-Theorien sagen voraus, dass Materieteilchen, wenn sie massereicher als eine bestimmte Schwelle werden, nicht mehr in einer Quantenüberlagerung verbleiben und gleichzeitig durch beide Schlitze gehen können, was das Interferenzmuster zerstört. Arndts Team schickte ein Molekül mit 800 Atomen durch den Doppelspalt und sah immer noch Interferenzen. Die Suche nach dem Schwellenwert wird fortgesetzt.
Roger Penrose hatte seine eigene Version der Kollaps-Theorie: Je höher die Masse eines überlagerten Objekts ist, desto schneller kollabiert es aufgrund von Gravitationsinstabilitäten in den einen oder anderen Zustand. Auch diese Theorie erfordert keinen Beobachter oder irgendeine Art von Bewusstsein. Dirk Boumeester von der University of California in Santa Barbara testet Penrose 'Idee mit einer Version des Doppelspaltexperiments.
Konzeptionell besteht die Idee nicht nur darin, ein Photon in eine Überlagerung zu versetzen, indem es gleichzeitig durch zwei Schlitze geht, sondern auch einen der Schlitze in Überlagerung zu bringen und es gleichzeitig an zwei Stellen zu machen. Laut Penrose bleibt der ersetzte Spalt entweder in Überlagerung oder kollabiert mit einem Photon im laufenden Betrieb, was zu unterschiedlichen Interferenzmustern führt. Dieser Zusammenbruch hängt von der Masse der Schlitze ab. Boumeester arbeitet seit zehn Jahren an diesem Experiment und könnte Penrose 'Behauptungen bald bestätigen oder ablehnen.
In jedem Fall zeigen diese Experimente, dass wir noch keine Aussagen über die Natur der Realität machen können, selbst wenn diese Behauptungen mathematisch oder philosophisch gut unterstützt werden. Und da sich Neurowissenschaftler und Geistesphilosophen nicht auf die Natur des Bewusstseins einigen können, wäre die Behauptung, dass es zum Zusammenbruch von Wellenfunktionen führt, bestenfalls verfrüht und im schlimmsten Fall falsch.
Ilya Khel
