Kvantna dualnost (11. siječanj 2010. godine)
Premda je kvantna fizika najtočniji opis stvarnosti (...) kojeg danas imamo, onda pred nas postavlja niz pitanja koja bi mnogi fizičari nazvali filozofskim. Možda ta pitanja i jesu filozofska, ali zato sigurno nisu manje vrijedna pozornosti. Ja sam uvijek razmišljao o ograničenjima spoznaje koje kvantna fizika nameće. Dijelom i zbog toga sam i napisao roman Problem promatrača. Tekst ispod donosi odlomak iz "Pouzdano istinitog dijela romana" (Problem promatrača), a zvučni zapis iznad je prilog novinarke Ivane Šoljan za emisiju "Na rubu znanosti" (HRT, 2004. godine) u kojemu sam bio gost. Tematika priloga je slična sadržaju teksta iz "Problema promatrača".
O problemu val-čestica dualnosti snimljeni su filmovi i napisane bezbrojne stranice zato jer možda
najbolje ilustrira paradoksalnost kvantne mehanike.
Problem se najčešće ilustrira na eksperimentu s
dvije pukotine. Elektronski izvor šalje elektrone kroz prepreku s dvije male pukotine do zaslona na
kojem se detektiraju elektroni koji uspiju proći kroz prepreku. Detektori na zaslonu raspoređeni su
u formu nekakve matrice tako da kad se pojedini detektor upali to znači da je detektirao elektron na
točno određenom mjestu u prostoru. Kad bi elektroni bili čestične naravi, recimo poput zrnca pijeska,
onda bi se na zaslonu nakupljali neposredno nasuprot pukotina kroz koje moraju na svom putu proći.
Stoga bi samo detektori neposredno nasuprot pukotina detektirali elektron.
S druge strane, kad bi elektroni bili poput valova vode, uzorak detektiranih elektrona na zaslonu pokazivao bi kompleksniju raspodjelu i elektroni se ne bi nakupljali samo nasuprot pukotina. Valovi kroz pukotine prolaze tako da svaku od pukotina možemo zamisliti kao izvor novog vala. Dva vala iz dvije pukotine međudjeluju i u prostoru do zaslona se mogu ili pojačavati ili poništavati, stoga je uzorak koji bi se u tom slučaju trebao detektirati značajno drukčiji od onoga kad bi elektroni bili zrnca pijeska (vidi sliku).
Eksperiment pokazuje da je uzorak detekcije elektrona karakterističan za valove, tj. da se elektroni detektiraju na
većem dijelu zaslona a ne samo nasuprot pukotina. Ovo samo po sebi nije toliko paradoksalno. Ono što jest
paradoksalno je da detektori elektrona na zaslonu uvijek detektiraju jedan cijeli elektron. To znači da
premda elektron prolazi poput vala na putu kroz prepreku do detektora, u samom detektoru on „magično“
kolapsira u svoju cijelost, tj. kad ga se detektira detektira se nešto cijelo, kao cijelo zrnce pijeska
a ne jedna desetina zrnca pijeska. Kad bi elektron zbilja bio val, onda bi se on na putu do detektora
razletio u mnogo sićušnih dijelova (kao što se val iz svog izvora razleti po prostoru) i njegov dolazak
bi detektiralo mnogo detektora i to svaki od njih po mali „komadić“ elektrona. Ovo se ne događa. Zaključujemo
da elektron nije ni val ni čestica nego nešto između ta dva klasična koncepta. On se prostire kao val do
detektora ali se tamo detektira uvijek u cijelosti (zato mu je ime elementarna čestica vrlo prikladno).
Za opis takvog nečega u jeziku ne postoje riječi jer takvo ponašanje ne postoji u opažljivoj okolini pa niti u
direktnom ljudskom iskustvu na osnovu kojeg jezik nastaje. Uobičajeni jezik je redovito neadekvatan za
opisivanje kvantnih fenomena. Pojmovi čestica i val ne odgovaraju kvantno-mehaničkoj naravi elementarnih
čestica koja je dualna (i jedno i drugo, ma koliko to dvoje bilo teško pomiriti). Potpuno bi pogrešno bilo
postaviti pitanje „Kroz koju je rupu elektron prošao na svom putu do detektora?“ jer premda je elektron
detektiran kao jedan i cijeli, na svom putu do detektora je „prošao kroz obje rupe“, tj. nekako se „razdvojio“
(ovo nipošto ne treba shvatiti doslovno).
Moglo bi se reći da elektron prije same detekcije ne postoji kao
elektron koji prolazi kroz jednu ili kroz drugu rupu nego kao objekt koji istražuje obje mogućnosti – to je
tipično za kvantne objekte prije nego što ih izmjerimo (pogledamo). Stoga elektron simultano „živi“ u dvije
„stvarnosti“. U jednoj prolazi kroz jednu rupu a u drugoj, paralelnoj i jednako važnoj za kvantno-mehanički
opis, prolazi kroz drugu rupu. Tek kad ga detektiramo mi njegovu spetljanu i neodređenu stvarnost projiciramo
na kruto definirano stanje, tj. opažamo ga u jednom konkretnom detektoru (naravno, „mi“ koji opažamo smo ovdje
posve nepotrebni – sva ova magija se događa i bez nas i posljedica je činjenice da je eksperimentalni uređaj
načinjen tako da može ustanoviti stanje elektrona – vidi ipak objašnjenje uz
George Berkeley). Elektron tad
kolapsira tj. „realizira“ se kao čestica.
Eksperiment se može odvesti do još paradoksalnijeg ishoda, vezano
uz fundamentalnu zabranu u uvid u klasično-mehaničko stanje objekta tj. simultano određenje njegovog položaja
i brzine (Heisenbergov princip neodređenosti).
Svim zainteresiranim predlažem Feynmanove
„Lectures on physics“ gdje je problem jako lijepo opisan. I ja sam se njime bavio u
knjizi „Svemir kao slagalica“.
Odlomak iz romana "Problem promatrača".
| << L. Wittgenstein i otkrivanje tople vode | Samosastavljač i teleportacija >> |
Zadnji put osvježeno: 11. siječnja 2010. godine