Świadomość a paradoksy mechaniki kwantowej andrzej Łukasik zakład ontologii i teorii poznania

Świadomość a paradoksy mechaniki

kwantowej

Andrzej Łukasik

Zakład Ontologii i Teorii Poznania

Instytut Filozofii UMCS

http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik

www.filozofia.umcs.lublin.pl

Mechanika kwantowa a realizm

„Zgodnie z fizyką klasyczną i zdrowym rozsądkiem istnieje obiektywny świat zewnętrzny. Świat ten ewoluuje w czasie w sposób deterministyczny, w

pełni określony ściśle sformułowanymi równaniami matematycznymi. Jest tak zarówno w teoriach Maxwella i Einsteina, jak i we wcześniejszej

dynamice Newtona. Rzeczywistość fizyczna istnieje niezależnie od nas, konkretna zaś postać ‘istnienia’ klasycznego świata nie zależy od tego, w

jaki sposób go obserwujemy”.

(Roger Penrose, Nowy umysł cesarza, 254)

Problemy:

Czy QM jest zgodna z realizmem?

Jaka jest rola świadomości podmiotu poznającego w opisie (i przebiegu) mikroprocesów?

www.umcs.filozofia.lublin.pl

Dynamika kwantowa: procedury U i R

U: równanie Schrödingera – liniowa i deterministyczna ewolucja układu w czasie

superpozycja stanów

R: pomiar – redukcja wektora stanu (nieciągłość i indeterminizm)

„


t

iVm

2

2

2

i

iic

ji

iic

j

2 probc j

Interpretacja kopenhaska

Ψ – funkcja prawdopodobieństwa (wektor stanu, funkcja falowa)

„funkcja prawdopodobieństwa nie opisuje przebiegu zdarzeń w czasie. Charakteryzuje ona tendencję do realizacji zdarzeń i naszą wiedzę o

zdarzeniach. Funkcję prawdopodobieństwa można powiązać z rzeczywistością jedynie wówczas, gdy […] będzie przeprowadzony nowy pomiar

określonej wielkości charakteryzującej układ. Tylko wówczas funkcja prawdopodobieństwa umożliwi obliczenie prawdopodobnego wyniku pomiaru.

Wynik pomiaru zawsze jest wyrażony w języku fizyki klasycznej”.

(Werner Heisenberg, Fizyka a filozofia, 28)

nie można opisać tego, co się dzieje między obserwacjami

pomiar: redukcja wektora stanu – zmiana naszej wiedzy o układzie


Zasada komplementarności

W dziedzinie atomowej nie można rozdzielić zachowania się badanych obiektów od zachowania się przyrządów pomiarowych: warunki

obserwacji wywierają istotny wpływ na przebieg obserwowanych zjawisk, co powoduje wzajemne wykluczanie się informacji potrzebnych do

opisu całości zjawiska.

Dwa klasycznie wykluczające się opisy zjawiska fizycznego są komplementarne, jeżeli dla poznania całości potrzebne są obydwa, ale znajomość

jednego aspektu wyklucza jednoczesną znajomość drugiego.

Komplementarne opisy uzupełniają się i wyczerpują wszelką możliwą wiedzę o układzie — opis falowy i korpuskularny zdają sprawę z równie

ważnych aspektów zjawisk atomowych i nie ma między nimi sprzeczności, ponieważ zastosowanie mechanicznych pojęć korpuskuły i fali odnosi

się do wzajemnie wykluczających się układów doświadczalnych.

(Niels Bohr, Fizyka atomowa a wiedza ludzka)


Interferencja i superpozycja stanów

jeśli nie ma zwierciadła półprzepuszczalnego BS2, fotony docierają do obydwu detektorów z pdp = ½ (Bohr: obserwujemy aspekt korpuskularny –

zasada komplementarności)

umieszczenie BS2 powoduje, że wskutek interferencji fotony docierają tylko do jednego detektora (Bohr: obserwujemy aspekt falowy – zasada

komplementarności)

zachodzi interferencja – foton nie porusza się po drodze 1 albo po drodze 2

pojedynczy foton porusza się dwiema różnymi drogami równocześnie!


Eksperyment z opóźnionym wyborem

(John Archibald Wheeler)

zwierciadło BS2 umieszczamy (albo nie) na podstawie świadomej decyzji (albo np. rzutu monetą) „w ostatniej chwili”, tzn. już po tym, jak foton

oddziaływał z BS1 (i… „wybrał” drogę 1 lub 2)

w zależności od tego czy umieścimy zwierciadło BS2, czy też nie umieścimy na drodze fotonu w chwili t, naszą decyzją wpływamy na zachowanie

fotonu w przeszłości!


Kosmiczna wersja eksperymentu Wheelera

nasze decyzje „w teraźniejszości” wpływają [?] na tor światła sprzed kilku miliardów lat…

„żadne elementarne zjawisko kwantowe nie jest zjawiskiem, jeśli nie jest zarejestrowane” (John Archibald Wheeler)


Paradoks Einsteina, Podolskiego i Rosena (EPR)

Lokalność: to, co się dzieje w pewnym obszarze przestrzeni nie może mieć natychmiastowego wpływu na to, co się dzieje w innym, odległym

obszarze przestrzeni [STW: c = const; potoczne myślenie]

Einstein (1935): pomiar spinu cząstki 1 pozwala przewidzieć z całkowitą pewnością spin cząstki 2 bez żadnego oddziaływania, zatem obydwie

składowe spinu są obiektywnie realne – niezgodność z QM

albo QM jest teorią niekompletną, albo mamy do czynienia z „upiornym działaniem na odległość” [nielokalność]


)(2

12121

Nierówność Bella

John Stewart Bell (1964) – dowód matematycznej nierówności dotyczącej korelacji spinowych, która powinna być spełniona, gdyby był słuszny

wniosek Einsteina, że QM jest niekompletna

założenia:

realizm (obiekty kwantowe posiadają własności niezależnie od pomiarów)

lokalność (nie ma natychmiastowych oddziaływań)

Twierdzenie Bella nie jest związane z jakąś konkretną własnością cząstek (np. spin), ma znaczenie ogólnie i nie zależy od wyboru

cząstek ani charakteru łączących je oddziaływań; dotyczy ono logicznych reguł, jakie obowiązują w każdym procesie pomiaru.

Taką regułą jest na przykład stwierdzenie, że liczba rudych mieszkańców Polski nie może być większa niż liczba rudych mężczyzn plus

liczba wszystkich kobiet bez względu na kolor włosów.


Doświadczenia Aspecta i stany splątane

Alain Aspect (1982) – empiryczna falsyfikacja nierówności Bella

mierzono polaryzację fotonów wyemitowanych podczas przejścia między poziomami energetycznymi atomu wapnia, wzbudzonych światłem

laserów (jest to wzbudzenie dwufotonowe, które może się rozpaść tylko przez emisję dwóch fotonów)

cząstki, które kiedyś oddziaływały ze sobą, pozostają w jakiś sposób częściami jednego systemu nawet wówczas, gdy obecnie dzieli je znaczna

odległość przestrzenna


Paradoks kota Schrödingera

Erwin Schrödinger (1935): cel eksperymentu – wykazanie absurdalności kopenhaskiej interpretacji QM

kot + atom pierwiastka radioaktywnego +detektor + fiolka z cyjankiem

prawdopodobieństwo rozpadu pierwiastka w danym czasie p = ½

dopóki nie dokonamy pomiaru układ znajduje się w superpozycji stanów:

pomiar: redukcja wektora stanu – obserwujemy kota żywego albo martwego


martwykot rozpadzie po atomżywykot rozpadem przed atom2

1

Przyjaciel Wignera

Interpretacja kopenhaska: QM to (jedynie) schemat matematyczny, służący do przewidywania rezultatów pomiarów przez zewnętrznego w

stosunku do układu obserwatora

przed wykonaniem pomiaru układ jest w stanie superpozycji

Czy kot nie wie, czy jest żywy, czy martwy…

Przyjaciel Wignera: jeśli w pudle zamiast kota umieścić fizyka… fizyk z pewnością będzie świadom tego, że był żywy przed pomiarem, a nie w

stanie superpozycji…


martwykot rozpadzie po atomżywykot rozpadem przed atom2

1

Many-Worlds Interpretation

Hugh Everett III (1957), Bryce DeWitt, David Deutsch

kosmologia kwantowa – zastosowanie QM do całego wszechświata: pojęcie zewnętrznego obserwatora (przyrządu pomiarowego) traci sens!

eliminacja rozróżnienia klasyczny przyrząd – kwantowy obiekt, traktowanie każdego systemu fizycznego jako kwantowomechanicznego — zarówno badanego

mikroobiektu, przyrządu pomiarowego, jak i wszechświata.

w procesie pomiaru realizują się wszystkie możliwości, ale każda w innym świecie

proces pomiaru prowadzi do rozszczepienia wszechświata (i obserwatora) na wiele równie realnych wszechświatów, które nie oddziałują ze sobą


Participatory Universe

John von Neumann (1932), London, Bauer, Wigner, Wheeler

CM redukuje się do QM

przyrządy pomiarowe dają się opisać w ramach mechaniki kwantowej — jako bardziej podstawowej i ogólniejszej teorii

można by przywrócić obiektywistyczne pojmowanie Ψ.

ale... jeśli przyrząd pomiarowy podlega prawom QM, to stany przyrządu można superponować…, aby wyznaczyć stan przyrządu pomiarowego

trzeba by wprowadzić inny przyrząd itd. ad infinitum…

… proces pomiaru nie mógłby być zakończony bez udziału jakiegoś dodatkowego czynnika

redukcji wektora stanu dokonuje… akt świadomości obserwatora


Dualizm korpuskularno-falowy

Falowa teoria światła (elektrodynamika klasyczna – Maxwell, 1864)

Dyfrakcja

Interferencja

Polaryzacja

Hipoteza korpuskularna światła (Einstein, 1905)

Zjawisko fotoelektryczne

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Widma liniowe

Hipoteza fal materii (de Broglie, 1924)


Eksperyment z dwiema szczelinami

„Ten jeden eksperyment zawiera w sobie wszystkie tajemnice mechaniki kwantowej. Jego analiza pozwoli nam na zapoznanie się ze wszystkimi

osobliwościami i paradoksami natury. Każdy inny problem z dziedziny teorii kwantów można zawsze wyjaśnić, wracając do tego doświadczenia”.

(Richard P. Feynman, Charakter praw fizycznych, s. 138)


Klasyczne cząstki

N1 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 1

N2 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 2

N12 – prawdopodobieństwo = średnia liczba cząstek trafiających w dane miejsce ekranu, gdy otwarte są szczeliny 1 i 2

N12 = N1 + N2 (brak interferencji)

Źródło grafiki:

http://www.blacklightpower.com/theory/DoubleSlit.shtml


Klasyczne fale

H1 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 1

H2 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 2

H12 – amplituda fali (obydwie szczeliny otwarte)

H12 = H1 + H2

Natężenie fali: I12 = (H12)2

= (H1 + H2)2

(interferencja),

I1 = (H1)2

I2 = (H2)2


Cząstki kwantowe

Rezultaty eksperymentu:

Elektrony trafiają w detektor pojedynczo

Detektor rejestruje zawsze taką samą, dyskretną

wartość (cały elektron lub nic)

Nigdy dwa detektory nie rejestrują jednego elektronu

Ale!

N12 ≠ N1 + N2

N12 = (a1 + a2)2 – prawdopodobieństwo trafienia elektronu (fotonu) w dany punkt ekranu (interferencja! – jak w przypadku fal)

a – amplituda prawdopodobieństwa


„Podsumowując, można powiedzieć, że elektrony docierają do detektorów w całości, tak jak pociski, ale prawdopodobieństwo rejestracji

elektronów jest określone takim wzorem jak natężenie fali. W tym sensie elektron zachowuje się jednocześnie jak cząstka i jak fala”. (Feynman,

Charakter 147)

Elektrony rejestrowane są jako niepodzielne cząstki

Twierdzenie „elektron przechodzi albo przez szczelinę 1 albo przez szczelinę 2” jest FAŁSZYWE!

„jest rzeczą niemożliwą tak ustawić światła, aby stwierdzić, przez którą szczelinę przeleciał elektron, nie zaburzając go na tyle, że znika obraz

interferencyjny” (Feynman, Charakter 151)

„[…] nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. (Feynman, Charakter 137)


Świadomość a paradoksy mechaniki kwantowej andrzej Łukasik zakład ontologii i teorii poznania

Documents