รอยแยกสองรอยและปริศนาควอนตัมหนึ่งนรก

ผ่านสองประตูในคราวเดียว: การทดลองอันสง่างาม

ที่จับความลึกลับของความเป็นจริงควอนตัมของเรา Anil Ananthaswamy Dutton (2018)

Richard Feynman นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงกล่าวว่าการทดลองแบบ double-slit ของควอนตัมทำให้เรา “ต่อต้านความขัดแย้งและความลึกลับและลักษณะเฉพาะของธรรมชาติ” ตามตรรกะของ Feynman หากเราสามารถเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นในการทดลองง่ายๆ ที่หลอกลวงนี้ เราจะเจาะเข้าไปในหัวใจของทฤษฎีควอนตัม และบางทีปริศนาทั้งหมดก็อาจจะหายไป

นั่นคือหลักฐานของ Through Two Doors ในครั้งเดียว นักเขียนวิทยาศาสตร์ Anil Ananthaswamy มุ่งเน้นไปที่การทดลองครั้งเดียว ซึ่งมีหลายรูปแบบตั้งแต่กลศาสตร์ควอนตัมเปิดตัวในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ด้วยผลงานของ Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr และคนอื่นๆ ในบางเวอร์ชัน ธรรมชาติดูเหมือนจะเข้าใจเจตนาของเราอย่างน่าอัศจรรย์ก่อนที่เราจะประกาศใช้ หรือบางทีอาจย้อนหลังเพื่อแก้ไขอดีต ผลลัพธ์อาจดูเหมือนขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรารู้ ไม่ใช่สิ่งที่เราทำ ในอีกแง่หนึ่ง เราสามารถอนุมานบางสิ่งเกี่ยวกับระบบโดยไม่ต้องดูมัน สรุปแล้วการทดลองแบบ double-slit ดูเหมือนจะยืม Feynman อีกครั้ง “screwy”

การทดลองดั้งเดิม ดังที่ Ananthaswamy บันทึกย่อ เป็นการทดลองแบบคลาสสิก ดำเนินการโดย Thomas Young ผู้พหูพจน์ชาวอังกฤษในต้นปี 1800 เพื่อแสดงให้เห็นว่าแสงเป็นคลื่น เขาส่งแสงผ่านช่องผ่าขนานสองช่องที่เว้นระยะห่างกันอย่างใกล้ชิดในหน้าจอ และด้านข้างไกลเห็นแถบสว่างหลายแถบ เขาตระหนักว่านี่เป็นรูปแบบ ‘การรบกวน’ เกิดจากการปฏิสัมพันธ์ของคลื่นที่เล็ดลอดออกมาจากช่องเปิด จึงไม่ต่างจากรูปแบบที่เกิดขึ้นเมื่อกรวดสองก้อนตกลงไปในน้ำและระลอกคลื่นที่ก่อตัวเพิ่มหรือทำให้ยอดและร่องน้ำของกันและกันชื้น สำหรับอนุภาคธรรมดา รอยกรีดจะทำหน้าที่เหมือนลายฉลุสำหรับพ่นสี สร้างแถบสองแถบที่กำหนดไว้

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าอนุภาคควอนตัมสร้างรูปแบบการรบกวนเช่นกัน

 ซึ่งเป็นหลักฐานว่ามีลักษณะเหมือนคลื่น สมมติฐานในปี 1924 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Louis de Broglie แนวคิดนี้ได้รับการยืนยันสำหรับอิเล็กตรอนในอีกไม่กี่ปีต่อมาโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Clinton Davisson และ Lester Germer แม้แต่โมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น บัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีน ซึ่งทำจากอะตอมของคาร์บอน 60 อะตอม ก็ยังแสดงพฤติกรรมในลักษณะนี้

คุณสามารถชินกับสิ่งนั้นได้ สิ่งที่แปลกคือรูปแบบการรบกวนยังคงอยู่ — สะสมจากการกระทบของอนุภาคมากมาย — แม้ว่าอนุภาคจะผ่านรอยแยกทีละครั้ง อนุภาคดูเหมือนจะรบกวนตัวเอง ที่แปลกไปกว่านั้น รูปแบบจะหายไปหากเราใช้เครื่องตรวจจับเพื่อวัดรอยกรีดของอนุภาคที่ผ่านไป: มันเหมือนอนุภาคจริงๆ โดยไม่มีคลื่นอีกต่อไป ที่แปลกที่สุด ยังคงเป็นจริงหากเราชะลอการวัดจนกว่าอนุภาคจะทะลุผ่านรอยกรีด (แต่ก่อนที่มันจะกระทบหน้าจอ) และถ้าเราทำการวัดแต่แล้วลบผลลัพธ์โดยไม่ได้ดูมัน การรบกวนจะกลับคืนมา

ไม่ใช่การวัดทางกายภาพที่ดูเหมือนจะสร้างความแตกต่าง แต่ “การสังเกต” ตามที่นักฟิสิกส์ Carl von Weizsäcker (ซึ่งทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้บุกเบิกควอนตัม Werner Heisenberg) วางไว้ในปี 1941 Ananthaswamy อธิบายว่านี่คือสิ่งที่เป็น แปลกเกี่ยวกับกลศาสตร์ควอนตัม: อาจดูเหมือนเป็นไปไม่ได้ที่จะขจัดบทบาทชี้ขาดของการแทรกแซงอย่างมีสติของเราในผลของการทดลอง ข้อเท็จจริงดังกล่าวทำให้นักฟิสิกส์ Eugene Wigner นึกขึ้นได้ถึงจุดหนึ่งว่าจิตใจทำให้เกิด ‘ยุบ’ ซึ่งเปลี่ยนคลื่นให้กลายเป็นอนุภาค

Ananthaswamy เสนอคำอธิบายที่ชัดเจนที่สุดบางส่วนที่ฉันเคยเห็นจากการตีความอื่นๆ คำตอบของบอร์คือกลศาสตร์ควอนตัมไม่ยอมให้เราพูดอะไรเกี่ยวกับ ‘เส้นทาง’ ของอนุภาค – หนึ่งหรือสองร่อง – ก่อนที่จะวัด บอร์กล่าวว่าบทบาทของทฤษฎีนี้คือการทำนายผลการวัด ในเรื่องนั้นไม่เคยพบว่าล้มเหลว (อย่างไรก็ตาม เขาไม่ได้ อย่างที่มักจะบอกเป็นนัยว่า ปฏิเสธว่ามีความเป็นจริงทางกายภาพใด ๆ ที่เกินกว่าจะวัดได้) แต่สิ่งนี้กลับรู้สึกไม่ค่อยน่าพอใจนัก Ananthaswamy ดูเหมือนถูกล่อลวงโดยแนวคิดทางเลือกที่ David Bohm นำเสนอในปี 1950 ในที่นี้ วัตถุควอนตัมเป็นทั้งอนุภาคและคลื่น โดยคลื่นจะ ‘ขับเคลื่อน’ อนุภาคผ่านอวกาศในขณะที่ไวต่ออิทธิพลที่อยู่นอกเหนือตำแหน่งของอนุภาค แต่อนันทัสวามีสรุปว่า “ฟิสิกส์ยังไม่ผ่านการทดลองแบบ double-slit คดียังไม่คลี่คลาย”

ด้วยการขอโทษต่อนักวิจัยที่เชื่อว่าพวกเขามีคำตอบ สิ่งนี้เป็นความจริง: ไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์ ไม่ว่าในกรณีใด Bohr มีสิทธิ์ที่จะแนะนำข้อควรระวังในการใช้ภาษาของเรา ไม่มีอะไรในกลศาสตร์ควอนตัมอย่างที่มันเป็น ขาดการตีความ ที่ทำให้เราพูดถึงอนุภาคที่กลายเป็นคลื่นหรือเปลี่ยนเส้นทางสองเส้นทางพร้อมกัน และไม่มีเหตุผลใดที่จะถือว่าฟังก์ชันคลื่นนั้นมากกว่าหรือน้อยกว่าสิ่งที่เป็นนามธรรม ฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์นี้ ซึ่งรวบรวมทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับวัตถุควอนตัม (และคุณลักษณะในสมการสัญลักษณ์ที่เออร์วิน ชโรดิงเงอร์คิดค้นขึ้นเพื่ออธิบายพฤติกรรมคล้ายคลื่นของวัตถุ) มีลักษณะที่ค่อนข้างดีโดยนักฟิสิกส์ Roland Omnès เขาเรียกมันว่า “เชื้อเพลิงของเครื่องจักรที่สร้างความน่าจะเป็น” —