A kék citrom projekt - Kvantum radar 4.
Mivel lézeres-távcsöves kísérletünk 2014-ben kicsit nagyobb és egyben egzotikusabb helyszínre költözik, idén egészen új perspektívából közelítjük meg a kérdést.
Előzmények
A "Kék Citrom" projekt a 2010-ben kezdődött Kvantum-radar kísérletsorozatunk idei folytatása, ezért eredeti cikkünk ismerete nélkül, önmagában nem értelmezhető!
Kvantum-radar 1. (eredeti, 2010)
Sikeres fotonhasítás (2012)
Kvantum-hipertér 2013 (alább)
Tartalom
- Szubjektív színek
- Piknik a lila pázsiton
- A Kvantum-összefonódás intimitása
- Egy Zombi-macska, egy tudós és barátja
- Miért ne keverjük a fizikát ezorétiával
- A kísérlet és a kísérletező összefonódása
- A szuperpozíció összeomlásának illúziója
- Tervezzünk kísérletet!
- Egy- és több szemlélős előtesztelés
- A Dupla vakteszt lényege
- A kiértékelési fázis
- Predikciók és értelmezés
- A lehetetlen lehetősége
- Gyakorlati akadályok kezelése
- Ellentétes alternatívák szuperpozíciója
- Zárószó
Előszó
Kérdezzük meg!
A színek ugyanis végső soron a tudatunkban keletkező, szubjektív érzetek, és semmilyen, de semmilyen – eddig ismert – objektív módon nem bizonyosodhatunk meg arról, hogy ugyanaz a szín ugyanazt az érzetet keltik-e mindannyiunkban.
De mit mond erről a tudomány?
Balra - az elmélet, Jobbra lent - prizmával bontott fény
Létezik-e a „lila” szín?
(jobbra és fent)
Ezzel visszajutottunk oda, hogy a citrom néhányunk szemében / tudatában igenis lehet „kék”, de bármilyennek is érezzük azt, az ehhez kapcsolódó látványt mindannyian, egyezményesen „sárgának” hívjuk, és így – ha csak bele nem látunk valahogy egymás „fejébe” - soha nem derülhet is ki a különbség.
Mindez, belátható igazsága ellenére is csupán egy érdekes analógia, és még csak nem is tökéletes – ám, ennek segítségével érthetjük meg legkönnyebben az alábbi – a minket körülvevő, objektívnak hitt világ esetleges, rejtett szubjektivitásának feltárására irányuló, megtervezett kísérletünket, a „Kék citrom” projektet.
Előbb azonban vizsgáljunk meg még egy, kicsit más jellegű – ám szintén látásmódunkhoz kapcsolódó, elsőre extrémnek ható, ám éppen ilyen illúzív következtetésekkel járó, ám tudományosan igazolható felvetést!
A kvantum-összefonódás intimitása
Ha többen is látjuk ugyanazt a tárgyat vagy élőlényt, akkor mindannyian az arról visszaverődő, vagy az által kibocsájtott fotonokat látjuk – de nem ugyanazokat a fotonokat. Ugyanazt az önálló fotont ugyanis normál körülmények között soha, de soha nem láthatja két különböző megfigyelő – és ez nem csak emberek, vagy tudatosnak hitt élőlények vonatkozásában igaz. Két pálmalevél sem használhatja fotoszintézishez ugyanazt az önálló fény-részecskét, és két fényképezőgép sem rögzítheti ugyanazokat a önálló fotonokat.
Az, hogy ennek ellenére hasonlóan látjuk (vagy hasonlóan látottnak hisszük) a körülöttünk lévő világot, az csupán abból következik, hogy a legtöbb - mindennapjainkban érzékelhető tárgyról, élőlényről illetve fényforrásból - milliárdszor milliárd foton „irányul” mindannyiunk felé (mint ahogy a környező világegyetem többi tériránya felé is), és ezek nagyrészt ugyanazt az információt hordozzák.
Másképp fogalmazva – fény-részecskék statisztikai sokaságát látjuk mindannyian, amelyek így szinte tökéletesen megegyeznek a legtöbb esetben. A hasonlóság olyan mértékű, az esetleges eltérések pedig annyira ritkák, hogy azt hisszük, ugyanazt látjuk. Pedig valójában nagyon nem.
Épp ellenkezőleg – mindannyian mást látunk – és néha, nagyon-nagyon ritkán, - talán életünkben egyetlen-egyszer, nagyon különleges pillanatokban ezt az eltérést meg is tapasztalhatjuk. Ilyenkor általában úgy gondoljuk, hogy káprázott a szemünk, vagy szimplán nem arra néztünk – pedig tényleg mást láttunk, és ennek kvantumfizikailag jól igazolható háttere van.
Például, ha egy gyönyörű, tiszta és meleg nyári éjszakán kifekszünk párunkkal / barátainkkal egy mezőre, és az égboltot figyeljük szebbnél szebb hullócsillagokban, kívánságaink teljesülésében, vagy éppen jó tündérekben reménykedve – akkor van esély ennek megélésére.
A hullócsillagok valójában hihetetlenül apró, néha csak porszemnyi mikro-meteoritok, amelyen elképesztő sebességgel csapódnak a föld légkörébe, ott felizzanak – emiatt fényt bocsájtanak ki, fotonok formájában – majd elenyésznek. A nagyobb fényű hullócsillagokat persze mindketten / mindannyian láthatjuk, de tegyük fel, hogy egy porszemnél is milliárdszor kisebb, akár elemi részecske (elektron, ion, stb.) érkezik, ugyanilyen sebességgel. Szintén becsapódik a légkörbe, és az első levegőmolekulával ütközve, „szublimál” - és kibocsájt egyetlen-egy fotont.
Ez a foton – a kvantumfizikai törtvényeinek megfelelően - tulajdonképpen bárhol elnyelődhet – egy tó vizében, az erdőben egy falevélen, egy kődarab felszínén, de önálló fény-részecskeként csakis és kizárólag egyetlen ilyen, jól meghatározható entitással léphet kapcsolatba. Ha történetesen ez a foton egy emberi megfigyelő szemébe jut, akkor a többiek azt már nem láthatják – még elvben sem.
Ugyanez a jelenség nem csak relatíve közeli – a földünkhöz közeli – objektumok viszonylatában játszódhat le, hanem távoli csillagok, galaxisok vonatkozásában is. Ha például egy tízmilliárd fényévnyire lévő nap szupernóvaként felrobban, akkor annak fénye beragyogja az ottani galaxist, ám a kibocsájtott fotonok eloszlása térben a távolsággal exponenciálisan csökken, és mire ideérnek hozzánk, addigra az egész Földre már csak nagyon kevés – esetleg egyetlen fény-részecske jut. Ekkor ugyanaz történhet, mint a hullócsillagok esetében – ezt csak egy szemlélő érzékelheti, ha egy ember szemének retináján csapódik be, akkor azt csak egyvalaki láthatja, vagy – ha úgy tetszik – csak az ő számára „létezik”.
Úgy is fogalmazhatunk, hogy az a távoli csillag utolsó felvillanásával létrejövő, az esemény tényét hordozó foton abban a pillanatban egy virtuális „hidat” képez, az emberi ésszel szinte felfoghatatlan kiterjedésű téren és időn át a csillag újjászületése előtti utolsó „felvillanása”, és a szemlélő között.
Amikor azonban egy (pl. távoli csillag szupernóvájából eredő, általa gerjesztett gerjesztett), magasabb energiaállapotú részecske kibocsájt egy fotont, akkor szó sincsen sem irányról, sem röppályáról. A foton minden lehetséges irányba egyszerre „terjed”, egy fénysebességgel táguló gömb (vagy virtuális buborék) felszínén, tetszőlegesen helyen, sőt, ha a foton kibocsájtásának időpillanatát is a kvantumfizika véletlenszerűségével kombináljuk – akkor időben is végtelen számú, egymásban hagymahéj-szerűen növekvő, egymáshoz hihetetlenül közeli buborékok felszínén. A fotonnak, legalábbis a mi, idődimenziót is tartalmazó vonatkoztatási rendszerünkben, azaz az emberi szemlélők által érzékelhető valóságban nincs előre meghatározott „célja”, csupán észlelésének valószínűsége, esélye. (Ebből a szemszögből vizsgálva a fotont sokkal inkább úgy írhatjuk le, mint „esélyt annak észlelésére” a fénysebességgel táguló, akár többszörös valószínűségi „buborékok” felszínén.)
Ugyanaz a foton elnyelődhet itt, Földünkön, egy emberi észlelő szemében (egy levél felszínén, valamelyik sivatag homokjában, vagy egy akár egy vízcseppben), de a Marson vagy a Vénuszon, az Androméda-galaxisban, és a világegyetem túlsó felében is. Ha viszont egyszer elnyelődött valahol, akkor máshol már nem teheti meg ezt. De honnan tudja a foton „lehetősége” a világegyetem túlsó végében, hogy ő éppen már elnyelődött például itt, a Földön, egy észlelő szemében?
Az, hogy mi ezeket az illúziókat mégis valósnak éljük meg, természetesen meghökkentő és különös, ám éppoly szép is egyben. Hogy a fotonok valósága „valódibb-e”, mint a mi illúzióink, az viszont már sokkal inkább metafizikait, esetleg filozófiai, mintsem fizikai kérdés – mi viszont szeretnénk vizsgálatainkat szigorúan fizikailag is ellenőrizhető, empirikus kísérletek sorával igazolni (vagy cáfolni). Ha a kísérlet azt látszik igazolni, hogy nincs is objektív valóság – hát (ne) legyen. De ezt akkor sem filozofikus metaforák halmozásával, hanem megtervezhető, definiálható, jól meghatározható predikciókkal rendelkező, experimentális úton tegyük – erről szól a Kvantum-radar felvetést a másik irányból megközelítő „Kék citrom” projekt. Előbb azonban feltétlenül meg kell említenünk egy világhírű honfitársunk ezzel kapcsolatos elméleteit.
A Kék citrom projekt Wigner és Schrödinger felvetéseinek tükrében
A zombi-macska esete a tudós mit sem sejtő barátjával
De mi köze ehhez egy Nobel-díjas magyar fizikusnak, és főleg, sosem volt barátjának?
Ha leegyszerűsítjük Wigner felvetését, tulajdonképpen azt a kérdést tette fel, hogy két, egymástól függetlennek tekintett, ugyanazon a rendszeren mérés (megfigyelés) juthat-e ellentétes eredményre ugyanabban a világegyetemben. (Érdekes, hogy Wigner a két „mérést” (a doboz kinyitását, és a macska állapotának ellenőrzését) két időben egymás utáni megfigyelés vonatkozásában hasonlította össze, mivel így az idő, mint a hullámfüggvény összeomlásában esetlegesen szerepet játszó dimenzió egészen más eredményt adhat, mintha párhuzamos, de független vizsgálatokat javasolt volna – mi egyébként éppen ezt célozzuk meg a „Kék citrom” projektben.)
Megjegyzés - Wigner felvetése ebben a formában valóban csak akkor állná meg a helyét, ha nem létezne objektív valóság semmilyen szinten, hiszen az eredményt elsőként megismerő kísérletező - még ha fejére is esene egy Kengyelfutó Gyalogkakukkos üllő - akkor sem tudná megakadályozni, hogy az általa megismert információ millió egyéb módon ne hasson az őt körülvevő makrofizikai környezetre. A doboz kinyitásával - Wigner barátjától függetlenül is - a "mérés" szinte végtelenül sokféle módon lépne interakcióba a környezettel, fénysebességgel terjedve tovább a világegyetemben; ezért aztán kvantum-elméleti szemszögből nézve vajmi kevés szerepe van az "instant karma" lecsapásának a gonosz tudósra.
Jobbra - Egy zseniális vizualizáció arról, amit egyébként "lehetetlen" megjeleníteni - éspedig, hogy kb. miként képzelhetnénk el, mit látna egy videokamera, ha felvenné a macskát még a doboz kinyitása előtt - azaz megfigyelné annak állapotát, anélkül, hogy "ránézne".
Ekkor kérdőjelezte meg először a világhírű magyar tudós az objektív valóság létét, ám elméletével „csapdába” sétált, amelyből később nem látott kiutat. Ennek ellenére érdemes megismerni ezt, mivel éppen ezen „csapda” elkerülésére kívánunk alternatívát ajánlani.
Wigner értelmezése
A Nobel-díjas magyar fizikus nem kevesebbet állított (vagy vetett fel), mint hogy a hullámfüggvény valójában soha nem omlik össze az objektív világegyetemben, kivéve, ha azt egy „öntudattal rendelkező” szemlélő megtekinti azt - megéli, érzékeli a mérés eredményét, és a valóság így ölt egyértelmű formát. Leegyszerűsítve – Wigner korai felvetése szerint - a hullámfüggvény összeomlását a megfigyelő „öntudata” okozza, saját elméjében, önnön szubjektív valóságában történik meg csupán. Ha viszont ez igaz (lenne), akkor jogos (volna) a felvetés, hogy két, egymástól független megfigyelő miért ne láthatna ellentétes eredményt ugyanazon kísérlet lezajlásakor, kiértékelésekor?
Alapelvünk ugyanis, hogy – bármilyen józan észnek ellentmondó titkokat, vagy éppen különös és meghökkentő paradoxonokat rejt a kvantumfizika rejtélyes világa – azokat csakis ellenőrizhető, megismételhető kísérletek sorával szeretnénk kutatni. Itt viszont rögtön a Wigner által is éppen ezen gondolatmenettel leírt akadályba ütközünk, amelyet az a dilemma okoz, melyet a részecskefizika világában úgy szoktak leírni, hogy -
„A kísérlet és a kísérletező összefonódása”
A szuperpozíció összeomlásának szubjektivitása
Tudjuk, hogy élő ÉS halott macskát még soha, senki nem látott, vagyis ez (szerencsére) nem járható út – ezért vegyük újra elő a kétrés-kísérletet, vagy bármely más, optikai rendszerben előidézhető interferometriát.
Kísérleteinkből tudjuk, hogy interferencia-mintázatot csak akkor látunk, ha nem mérünk „bele” semmiképpen a rendszerbe, annak semelyik ágába / részébe, azaz nem próbálunk meg információt szerezni arról, hogy mikor, merre és milyen állapotban van az interferáló részecske. Azért nem, mert ennek „megmérése” – függetlenül a mérés módjától - szükségszerűen a hullámfüggvény redukciójához,ill. a szuperpozíció összeomlásához vezet, végső soron megszüntetve az interferenciát.
Azt is tudjuk, vagy tudni véljük – kísérleti úton alátámasztottan – hogy ehhez (Wigner felvetésétől most elvonatkoztatva) nem feltétlenül szükséges emberi szemlélő, vagy „öntudat” jelenléte, sem a mérések eredményeinek kiértékelése. A hullámfüggvény, illetve a szuperpozíció összeomlásához már az is elég, ha a mérésre képes eszköz működőképes állapotban jelen van a rendszerben - és az interferencia azonnal megszűnik. Még akkor is, ha ún. „kölcsönhatás-mentes” mérést kísérlünk meg elvégezni a rendszerben, például úgy, hogy az az interferáló részecskék kvantumfizikailag összefonódott fotonok, melyeknek csupán az „ikertestvéreit” figyeljük meg (Lásd. ismét Kvantum-radar c. cikkünket).
Ugyanakkor egy (talán) kulcsfontosságú kérdést (jelen cikk szerzőjének tudomása szerint) még senki nem vizsgált empirikus, szisztematikus módon; ez pedig éppen a kísérlet és a kísérletet végzők összefonódása kapcsolatos a fent leírt, interferometrikus kvantumrendszerek vonatkozásában.
Magyarra fordítva - Mi van, ha a kísérletező nem tudja, sőt, nem is sejti, hogy mérés történik, vagy történhet a rendszerben? Összeomlik-e akkor is (számára) az interferencia-mintázat, ha nem tud a mérés tényéről, sőt, teljeses mértékben azt feltételezi, hogy nincs, és nem is történhet mérés, ami összeomlaszthatja a szuperpozíciót? Láthatna-e ő interferencia-képet annak ellenére, hogy tudta nélkül „mérés” történt a rendszerben?
Még ennél is érdekesebb felvetés, hogy mi történne, ha a „mérést” nem is egy másik kísérletező, hanem valamilyen természeti jelenség egyetlen részt vevő kísérletező számára nem ismert módón lezajló folyamat okozná?
Vizsgáljunk meg egy-egy ilyen esetet, és tervezzünk ennek eldöntésére is saját kísérletet!
Tegyük fel, hogy hogy az interferométer egyszerű kétrés-kísérlet, az interferáló részecskék pedig (most) elektronok. Azért, mert az elektronok sokkal könnyebben lépnek kölcsönhatásba más elemi részecskékkel, mint például a tömeggel és töltéssel nem rendelkező fotonok –ennek ellenére mégis képesek jól láthatóan, vidáman interferálni egy fluoreszcens ernyőre vetítve (külön-külön kvantumokként „kibocsájtva” őket is).
Kísérletileg igazoltan tudjuk, hogy - ha nem mérünk bele szándékosan egy ilyen, egyedi elektronok sokasága által működő interferométerbe -, akkor minden esetben megcsodálhatjuk a fluoreszcens ernyőn felvillanó „becsapódások” által szépen lassan, azok összessége által kialakuló, hullámzó fényességű interferencia-csíkokat.
De mi van akkor, ha a folyamat során gyakorlatilag minden egyes elektronon a háttérben aljas módon rejtett „mérést” végeznek a kísérletezőktől független, számukra nem is ismert, természetes eredetű, állandóan zajló folyamatok, kölcsönhatások – mint például az elektron-neutrínó interakciók? (Utóbbiakat kizárni ugyanis még fényévnyi vastag ólomfalú Faraday-kalitkával sem lehetséges teljesen).
Az elektron-neutrínó interakció helyett felvethetjük a mindenütt jelen lévő „mezők” és az elektronok kölcsönhatását ebben az esetben (mely, ha az interakció során irreverzibilis információt hordoz, illetve ad át környezetének az elektron helyzetéről / állapotáról, akkor elkerülhetetlenül kimeríti a „mérés” fogalmát). Az elektron ugyanis mozgása során, töltött részecske lévén perturbációkat hoz létre a körülötte lévő elektromágneses térben – kérdés, hogy elvben kinyerhető lenne-e ebből információ. Ugyanez hatványozottan igaz a gravitációra is – hiszen az elektronnak nem csak töltése, de tömege is van. Ez azt jelenti, hogy az interferométerben kénytelen-kelletlen kölcsönhatásba lép a gravitációs mezővel, vagy az azt alkotó Higgs-bizonok sokaságával. (Megjegyzés – a szintén magyar vonatkozású, ún. Diósi-Penrose elmélet szerint elsődlegesen éppen a gravitáció okozhat hullámfüggvény-összeomlást kvantum-rendszerekben). De ha ez az interakció úgy változtatja meg az elektront körülvevő elektromágneses, vagy gravitációs teret, hogy annak hatására a minket körülvevő, tágabb környezet irreverzibilis, az elektron egyes elkülöníthető állapotaival összefonódott információt „nyer” ki a rendszerből, mely így – fénysebességgel terjedve – hozzájárul a minket körülvevő világegyetem evolúciójához – akkor hogy lehetséges, hogy mégsem omlik össze az interferencia-mintázat?
Márpedig a gyakorlat azt mutatja, hogy az interferencia a fenti mezők jelenléte, és (elektronok esetén) a velük való kölcsönhatás elkerülhetetlensége ellenére még sem omlik össze. D miért nem?
Csak azért, mert a kísérletező nem tud ezekről az interakciókról? Vagy mert nem képes mérni a mezőkkel való kölcsönhatás eredményét, és így nem képes „összefonódni” a kísérlet egészével?
Ne felejtsük el, az empirikus kísérleti fizika nem értelmezi, nem privilegizálhatja az emberi „öntudat” fogalmát, szerepét egy kvantumszintű rendszer evolúciójának vizsgálatakor. Ha mégis az derülne ki, hogy ilyen esetekben a központi szerepet játszó részecskék szuperpozíciójának vélt, vagy valós összeomlása valahogy ennek függvénye, annak beláthatatlan következményei lennének.
A „Kék citrom” projekt lényege éppen az, hogy felvetésünkkel lehetséges alternatívát próbálunk nyújtani ezen dilemmák a feloldására . Lássuk, hogyan kísérelhetjük meg mindezt!
A kísérletek topológiája, előtesztelése és visszajátszása
<Két, egymáshoz hasonló topológiájú, de eltérő célú vizsgálatot készítünk elő. Az első kísérletben szabadon hagyjuk interferálni a részecskéket (nem mérünk bele direktben a rendszerbe), míg a másodink esetben ún. „kölcsönhatás-mentes” (közvetett, kvantum-összefonódáson alapuló) mérést végzünk, de a kísérletben részt vevők tudta nélkül.
Az első változatban tehát semmiképpen nem mérünk bele a rendszerbe (meghagyjuk a hullámfüggvények szabadságát, így óvjuk a kísérlet „lelkét” jelentő szuperpozíciót), és csak az azt vizsgáljuk, hogy az ennek eredményeképpen létrejövő interferencia-mintázat egyes elemeit láthatják-e másképp – párhuzamosan – független szemlélők. Kezdjük ezzel!
Kísérleti összeállítás (A) - A vázlatos kép kattintásra nagyítható!
Állítsunk össze egy „klasszikus” kétrés-kísérletet (vagy bármilyen más, optikai tartományban működő interferométert), és teszteljük le először a létező legkönnyebben előállítható monokromatikus fénysugárral (akár egy egyszerű lézerpointerrel is megtehetjük ezt). Ha az arányokat és távolságokat ideálisan választjuk meg, máris feltűnnek a jól ismert, hullámzóan váltakozó fényben ragyogó „sávok”, minták a szemközti ernyőn, vagy falon – mi pedig, ahogy a kvantum-radar felvetés esetében, most is egy ilyen inteferométerből indulunk ki.
A következő lépés „házilag” sajnos már nem kivitelezhető, ám egy egyetemi optikai laborban ez is megoldható – a lézersugarat olyan fényforrással helyettesítjük, amely a fotonokat külön-külön, „egyesével” – azaz időben egymástól jól elkülöníthető időközökben – bocsátja ki, és vetíti az ernyőre (ún. „Single photon source”). Ez megint csak lehet egy spontán parametrikus lekonvertálásra (foton-hasításra) alkalmas, nemlineáris optikai (pl. BBO) kristály, akár ugyanaz is, amit a kvantum-radarhoz is szükséges; csak most, amúgy nem kevéssé paradoxnak tűnő módon, éppen az ott felvetettek „ellenkezőjét” fogjuk vele vizsgálni - már amennyiben a világegyetem szubjektív volta ellentétes az objektív valóságról alkotott elképzeléseinkkel.
Cikksorozatunk korábbi részeiből már tudjuk, hogy - egészen elképesztő, józan ésszel alig felfogható módon - annak ellenére, hogy a különálló fotonok egyenként, egymástól függetlenül, elkülönítve jutnak el a fényforrástól az interferométeren át az ernyőig, azon idővel mégiscsak kialakítják pontosan ugyanazt az interferencia-mintázatot, mintha folytonos lézersugárral világítottuk volna meg (a külön-külön elnyelődő fotonok összességének eloszlását vizsgálva). Ebből levonhatjuk azt a nem kevéssé meghökkentő, ám ma már megkérdőjelezhetetlennek tűnő következtetést, hogy az egyedi fotonok az interferométerben külön-külön is minden lehetséges utat egyszerre járnak be, minden lehetséges helyen egyszerre vannak jelen, és így „önmagukkal” – pontosabban önmaguk virtuális énjeivel, „lehetőségével” interferálnak. Azt is tudjuk, hogy ha bármilyen módon megpróbáljuk megmérni, hogy melyik résen, vagy az interferométer melyik ágán haladnak az egyes fotonok, akkor az interferencia-kép összeomlik, a hullámfüggvény összeomlik – a hullámzó sávok megszűnnek.
Ennek a misztikumával, és a vele kapcsolatban felmerülő, máig nem megoldott rejtélyekkel bőségesen foglalkoztunk már korábbi, 2010-es írásunkban is - most azonban másra vagyunk kíváncsiak, pontosabban, éppen az ellenkező irányból közelítjük meg a kérdést. Most, legalábbis a kísérlet első fázisában szabadon hagyjuk interferálni a fény-részecskéket, és nem direkt nem vizsgáljuk esetleges ikertestvéreiket sem (nehogy éppen ők okozzák közvetve a hullámfüggvény összeomlását).
Térjünk vissza a külön-külön elnyelődő-becsapódó fotonok ernyőjéhez, és – ha sikerült megnyugtatóan igazolni, hogy az elnyelődési pontok sokasága szép, stabil interferencia-mintázatot alkot, akkor továbbléphetünk kísérletünkben.
Az ernyő helyére rendkívüli érzékenységű foton-detektorok sokaságát helyezzük (minél többet, annál jobb), lehetőség szerint a legnagyobb fényerősségű csúcsok és a mellettük lévő legsötétebb, „árnyékos” hullám-völgyek környékét célozva. Tehát a detektorokat úgy helyezzük el, hogy már minél könnyebben, gyorsabban (kevesebb foton kibocsájtása mellett) lehessen egyértelműen észrevenni az épülő mintázatban kialakulóban lévő kontraszt-viszonyokat.
Nagyon fontos kiemelnünk, hogy ezek a foton detektorok (szaknyelven SPCM, vagy „Single Photon Counting Module”) szándékosan nem irány-érzékenyek – nincs előttük lencse, vagy más fókuszáló apparátus, amellyel bármilyen információt lehetne szerezni arról, milyen irányból, milyen útvonalon érkezik a felületükre a becsapódó foton. Csupán a felületükre eső fény-részecske jelenlétét érzékelik, egy „felvillanási” számlálóval kombinálva az eseményt. A foton-számláló detektorok, egy (akár közvetlen internet-kapcsolttal is rendelkező) számítógép segítségével külön-külön bármikor kiolvashatóak, újra és újra, tetszőlegesen sokszor – mely lehetőségnek mostani kísérletünkben kulcsszerepe lesz.
A kísérlet egy szemlélős tesztelése
A felvillanások teljességgel véletlenszerű időpillanatokban fognak bekövetkezni (néha kettő, vagy több szinte azonnal egymás után, néha viszont hosszú szünetekkel), és a becsapódások helye is teljességgel előre kiszámíthatatlan lesz – a kísérlet így működik jól. Kis idővel azt kell, hogy tapasztaljuk, hogy jegyzetünk felületén nemsokára elkezd kialakulni, formát ölteni a pontok összességének interferencia-mintázata.
Ha a minta már elég egyértelműen kirajzolódott (ehhez általában legalább 50-100 pont szükséges), akkor megállíthatjuk a folyamatot, és a listába felírt időpontokból kiszámíthatjuk a becsapódások között eltelt átlagos időt. Ennek később nagy jelentősége lesz a kísérlet kiterjesztése során.
Fontos, hogy a kísérletet teljesen egyedül, zárt térben kell végrehajtanunk, és annak lezajlását semmilyen más eszközzel nem rögzíthetjük (nem készíthetünk róla videofelvételt, illetve nem tárolhatjuk semmilyen más, tőlünk független módon / eszközzel, hogy mikor és hol történtek az egyes foton-elnyelődések – ezzel ugyanis éppen a szubjektivitás vizsgálatát lehetetlenítenénk el).
A kísérlet kiterjesztése két, független szemlélőre
Megjegyzés - természetesen a tökéletes függetlenítés gyakorlati kivitelezése itt a Földön, még laboratóriumi körülmények között, elvi okok miatt is lehetetlen, ám nagyobb léptékekben lehet rá megoldás - lásd később, cikkünk utolsó harmadában ("Gyakorlati nehézségek és leküzdésük").
Nullázzuk le ismét a számlálókat, teremtsünk teljes sötétséget, és indítsuk újra a kísérletet.
Ha sikerült a tökéletes elválasztás, és világegyetemünkben a kvantumfizikai szintű hullámfüggvények látszólagos összeomlása nem a Koppenhágai értelmezés szerint következik be, akkor a két megfigyelő – elvileg – teljesen másként láthatja lezajlani ugyanazt az eseménysort. Azaz a fotonokat más sorrendben, más tér- és időbeli eloszlással láthatják becsapódni, ám ennek ellenére a végeredmény – végtelen hosszú idő elteltével – ugyanaz kell, hogy legyen. (Végtelen ideig nyilván nem folyhat a kísérlet, ám minél több idő telik el, a külön-külön „látott” és feljegyzett pontok alkotta interferencia-mintázatok egyre jobban kell, hogy hasonlítsanak egymásra.)
A nagy kérdés, hogy mi történik, ha a megfigyelők ezután találkoznak, és összehasonlítják jegyzeteiket? Bármilyen képtelenségnek tűnhet is, jegyzeteik találkozásuk pillanatában mégis vagy egyezni fognak, vagy legalábbis egyezőnek fogják őket látni.
Ha nem így lenne, világegyetemünk már réges-régen „lebukott” volna ilyesfajta kisstílű trükkjeivel, és réges-régen tudnánk, hogy az univerzum szubjektív hely, annak minden, elképesztő és teljességgel felfoghatatlan következményeivel együtt. Ám ilyesmire eddig nem volt példa. De vajon miért nem ?
A Koppenhágai értelmezés szerint egyszerű a helyzet – eszerint a világegyetem csupán egyetlen „evolúciós vonallal” rendelkezik, és a kvantumfizikai szintű eseményeknek mindig kizárólag egyetlen, jól meghatározható kimenetele lehet; a hullámfüggvény vagy így, vagy úgy omlik össze, a végeredményt minden megfigyelő ugyanúgy látja, és az egész világegyetem jövője eszerint alakul.
Ezek indokolják, hogy végezzük el a kísérletet teljesen másként.
A Dupla vakteszt lényege
Találjunk megoldást arra, hogy a függetlennek tekintett szemlélők soha ne szembesüljenek paradoxonnal, azaz semmilyen módon ne tudják összehasonlítani saját megfigyeléseiket (utólag sem), és mi mégis láthassunk eltéréseket – ha vannak ilyenek. Ehhez viszont azt is biztosítani kell, hogy maga a kísérletet megtervező, és kivitelező személy se tudjon rámutatni – még elvben sem, és utólag sem – az esetleges ellentmondásokra; csupán a statisztikai eredmények legyenek hozzáférhetőek, a szemlélő és az általa látottak összepárosíthatósága nélkül.
Ha viszont világunk megenged bizonyos szintű szubjektivitást (még pontosabban, a szubjektív megfigyelések koherens „együtt létezését”), akkor a visszajátszás során minden egyes, időben egymást követő, függetlenül kiértékelt becsapódás más- és más szenzorokra, és időpontokra eshet. Fenti példát modellezve, a visszajátszás során nem kellene átlagosan 1 mp-nyi észlelést várnunk a hirtelen megugró, azonos detektorokra eső növekmények tömegére. Ehelyett sokkal gyakrabban, ráadásul más és más detektorokra esnének növekmények.
Rendkívül fontos kiemelnünk, hogy a növekmények megfigyelésekhez viszonyított aránya még egy szubjektív világegyetemben sem lenne eltérő, csupán tér- és időbeli eloszlásuk különbözne. Ebből viszont már az legelső foton-érzékelési időintervallum végén (azaz 1, virtuálisan eltelt mp után) levonhatnánk az elkerülhetetlen következtetést – a független szemlélők ugyanannak az eseménysornak a tér- és időbeli lezajlását mind-mind másképp élték meg.
Ebből pedig – kísérletileg igazoltan – az következne, hogy a minket körülvevő világegyetem nem (vagy nem kizárólagosan) objektív valóság. Ilyen esetben kijelenthetnénk, hogy az univerzum – legalábbis részben - szubjektív hely, melyben az egymásnak ellentmondó „valóságok” bizonyos, ideális esetekben egyszerre létezhetnek, egymás „kioltása” nélkül; az egyetlen feltétel, hogy az szemlélők (független megfigyelők) ne szembesülhessenek – még elvben sem – ebből következő paradoxonokkal.
Még egy, nem kevéssé lenyűgöző eredménye lenne egy ilyen, szubjektív eltéréseket mutató „visszajátszásnak” – éspedig kiderülne belőle azt is, hogy a fotonok nem csak térben, hanem időben is interferálnak önmagukkal. Az egyedi fotonok kibocsájtásának időpillanata ugyanis éppúgy egy előre teljeses mértékben kiszámíthatatlan, kvantumfizikai véletlenszerűséggel bekövetkező – csupán statisztikailag jellemezhető gyakoriságú - folyamat, mint azok térbeli interferenciája.
Úgy is fogalmazhatunk, hogy a foton nem egyszerűen önmagával, hanem saját lehetőségének múltjával és jövőjével is interferál (ezzel kapcsolatos felvetésünkről már írtunk 2010-es cikkünkben a „Multi-dimenzionális hiperhullámok koncepciója” fejezetben.)
A jelenség ebben a kísérleti összeállításban – a gyakorlatban – úgy nyilvánulna meg, hogy (kellő számú észlelő részvétele esetén) a visszaküldött adatcsomagokból „visszajátszott” interferencia-mintázat már azelőtt elkezdene megjelenni – vagy akár teljesen ki is alakulna – mielőtt a visszajátszásban letelne az objektívnek tekintet, átlagos foton-becsapódások közötti időt (jelen esetben 1 másodpercet). Vagyis, a interferencia-mintázat kialakulása már az első, ténylegesnek (hitt) foton-becsapódás előtt megtörténhetne. Még szemléletesebben – ha a kísérlet így működik, akkor az interferencia-képet nem csak az objektívnek (hitt) fotonok, hanem már azok relatív statisztikai esélye – tehát a független szemlélők által kiértékelt, szubjektív érzékeléseiknek összege - is kirajzolhatja.
De ez lehetetlen, nem?
Általánosságban azonban azt elmondhatjuk, hogy a kvantumfizika egyvalamire kristálytisztán rávilágított – egy-egy vizsgált folyamat részecskefizikai szinten minden lehetséges, módon képes lezajlani, és minden, egymással látszólag ellentétben álló eredményt egyszerre, egy időben képes felmutatni. Leegyszerűsítve, a világunk úgy működik, hogy ami megtörténhet, az meg is történik. Ha két ellentétes dolog is lehetséges, akkor mindkettő megtörténik. És ha bizonyos ideális módon – direkt, vagy véletlenül – ezen folyamatok eredménye közvetlenül befolyásolja az általunk is érzékelhető, látható nagyságú elemekből, tárgyakból és élőlényekből álló (makroszintű) világ bármely elemét, akkor nagyon is kézzelfogható következményekkel kell szembenéznünk.
Erről szól Schrödinger macskájának látszólagos paradoxona, és – ebből a szempontból vizsgálva – már nem is igazán az a kérdés, hogy a macska élő-e, vagy halott, mielőtt kinyitjuk a dobozt (mindkettő), hanem hogy miért nem látunk a valóságban élőhalott macskát a doboz kinyitása után soha. Vagy, ami még elgondolkodtatóbb, hogy ha két, független megfigyelő néz bele a dobozba, akkor miért látják mindketten mindig ugyanazt az eredményt? Miért nem láthat az egyikük jobblétre szenderült, a másikuk pedig vidáman hancúrozó macskát?
Azt ugyanis – a részecskék világában láthatóan teljesen haszontalan, így nyugodtan mellőzhető „józan észen” kívül - semmilyen ismert fizikai törvény nem gátolja, hogy egy kvantumfizikai szinten lezajló, két- vagy több lehetséges kimenetelű folyamat végeredményét független (ám ugyanazon világban élő) szemlélők mind-mind másképp éljék meg azt saját szubjektív érzékeikkel, emlékeikkel. Éppen ellenkezőleg - minél mélyebbre merülünk a kvantumfizikában, annál inkább meg kell, hogy kérdőjelezzük a független megfigyelések tényleges egyezőségét.
Ennek ellenére – mindeddig – nem sikerült soha kimutatni egyértelmű eltérést, ezért a tudomány még mindig azon az állásponton van, hogy a világunk elsősorban mégiscsak objektív. De mi van, ha rosszul tesszük fel a kérdést, vagy rosszul végezzük az ezzel kapcsolatos vizsgálatokat?
A fizika ugyanis tökélyre fejlesztette a jelenségek empirikus vizsgálatát, beleértve a kvantumfizikai megnyilvánulások észveszejtő furcsaságait is. Egyetlen tényezőt nem sikerült még helyén kezelnie benne, talán a legfontosabbat – magát a szemlélőt, aki végül az eredményeket kiértékeli (lásd. a Kísérlet és a kísérletező összefonódása c. fejezetünket). Ez a terület pedig már a pszichológiával, a metafizikával és a filozófiával határos, ezért a kísérleti tudósok közül nem is sokan merészkednek erre. Pedig talán kellene, és lehetne is – erre tesz kísérletet a Kék Citrom projekt.
Gyakorlati megvalósíthatóság, elvi akadályok és leküzdhetőségük
Fontos megértenünk, hogy - bár a "Kék citrom" projekt fenti kivitelezése akár néhány egyetem ill. kutatóintézet (és hallgatóik, vagy más közösség) összefogásával megvalósítható lenne, számos elvi és gyakorlati akadályt a fenti leírásban nem vettünk figyelembe, melyek befolyásolhatják az eredményt - ám talán leküzdhetőek. Nézzük, melyek ezek!
Az "információs robbanás"
Ez végső soron egy olyan, kvantumfizikai szintről eredő, információs "lökéshullám", amely a mérésben részt vevő minden egyes, egymással kölcsönhatásban lévő elemi részecske, mező, illetve makrofizikai szintű objektum szintjén, egy gömbhéj mentén fényebességgel tágulva "omlaszthatja" össze a megfigyelhető valóságot, annak "megélhető", mérhető, érzékelhető alternatíváit.
Ahhoz, hogy ezt elkerüljük, a szemlélőket térben olyan távol kellene egymástól helyezni, hogy azok ne essenek bele a vonatkozó foton-detektorok mérési időpillanatából kiinduló, jövő idejű fénykúpjaiba, és egymás szubjektív kiértékelési időpontjainak fénykúpjaiba sem. Még pontosabban, olyan messze kell őket helyezni egymástól, hogy a fénykúpok egészen addig ne érjenek össze, amíg az egyes szemlélők meg nem tekintették a mérés eredményét, és vissza nem küldték, amit látni véltek. Ha minderre elég lenne mondjuk 1 mp, akkor a Föld-Hold távolság megfelelő; de a Föld-Mars 8-10 perces szeparációja már a teljes kísérlet-sorozatot lehetővé tenné így. Ehhez persze azt is biztosítani kell, hogy az interferométer, a benne lévő detektorok és a szemlélők egymáshoz képesti, térbeli elhelyezkedése a fénykúpok "kereszteződése" nélkül valósulhasson meg, ami 3+1 dimenziós térben erősen korlátozza a lehetőségeket (bár elvben már két független szemlélő is elég lehet a kísérlet sikeréhez, tehát ez szerencsére nem kizáró ok is egyben). A lényeg, hogy ha csak két független szemlélőnk van, akkor célszerű egyikükhöz az interferenci-maximumhoz, a másikukhoz az interferencia-minimumhoz eső detektor kimenetét rendelni (olyan helyen a mintázatban ahol interferencia hiányában se csúcs, se "völgy" nem lenne a fotonok statisztikai eloszlásában).
Vizsgáljunk meg ennek alapján még egy, legalább ilyen izgalmas topológiát!
Kísérleti összeállítás (2) - A kép kattintásra nagyítható!
Mint azt már előrevetítettük, ebben a változatban azt kíséreljük meg tesztelni, hogy megmaradhatna-e az interferencia (azaz elkerülhető-e a részt vevő kvantumok szuperpozíciós állapotának összeomlása), ha a rendszeren ugyan végeznénk mérést – ám erről a kísérlet szemlélői mit sem tudnának.
Ugyanazt a kísérleti összeállítást fogjuk használni, és szintén dupla-vak tesztet alkalmazunk, azzal a különbséggel, hogy most az ún. „Single photon source”, azaz egyedi fotonokat kibocsájtó fényforrásunkat mindenképpen úgy valósítjuk meg, hogy a fotonok kvantumfizikailag összefonódott állapotban legyenek ikertestvéreikkel, amiket („titokban”) vizsgálhatunk a nyalábok másik „ágán”.
Azt már a Kvantum-radar c. cikkünkben többször részletezett, független laborkísérletek sokaságából is tudjuk, hogy az ikerpárok bármely tagján végzett mérés összeomlasztja mindkettőjük állapotainak szuperpozícióját (tér- és időbeli távolságuktól - sőt, sorrendiségüktől - függetlenül), vagyis ha a kísérletet végző úgy dönt, hogy egy adott időintervallumban következetesen megméri minden egyes foton állapot-jellemzőit az „idler” ágon, akkor azzal összeomlasztja az interferencia-képet a „signal” oldalon is. Ezt a kísérletet ezerszer elvégezték (legextrémebb, máig vitatott értelmezésű formája az ok-okozati viszonyok esetleges időbeli „visszahatását” felvető, a Kvantum-radar felvetésünk alapjául is szolgáló ún. „Késleltetett választásos kvantumradír kísérlet) – így ennek objektív eredményében, még ha nem is vagyunk képesek felfogni vagy értelmezni azt, önmagában nem kételkedhetünk.
Igen ám, de az eddig elvégzett kísérletek során (jelen cikk szerzőjének tudomása szerint) a kísérletet végzőket soha nem sikerült „függetleníteni” a kísérlettő l – azaz, tudtak a másik ágon végzett mérésről, vagy legalábbis annak lehetőségéről. Ezért megítélésük az eredményeket illetően nem lehetet objektív, mivel „összefonódtak” a kísérlettel.
Tegyünk egy próbát erre nézve is!
Elsőként a kontroll-mérést hajtjuk végre, teljesen ugyanúgy, mint a korábbi összeállításban – azaz a kísérletező által direkt manipulálható „idler” ágon most szándékosan nem mérünk bele az ikertestvér-fotonok állapotába, nem zavarjuk /omlasztjuk össze állapotfüggvényeket, és szabadon hagyjuk megjelenni a „másik oldalon” így létrejövő interferenciát.
A már leírt módszerrel kiértékeljük a független megfigyelők alkotta, „szubjektív” minta-elemek összességét, és ha visszaigazoltuk az interferencia-képet, akkor – egy jól rögzített időpillanatban - egyszer csak kinullázzuk a foton-detektorokat, majd ezzel egy időben átállítjuk az „idler” ágon a műszereket úgy, hogy azok egyértelműen megmérjék a fotonok ikertestvéreinek valamennyi állapot-jellemzőjét. Erről azonban mit sem szólunk a részt vevő megfigyelőknek, sőt, egyetlen, folytonosnak hitt adatfolyam (üzenetek megszakítatlan, elkülönítetlen sorában) küldjük ki számukra a „szignál” oldalon lévő detektorok vélt, vagy valós méréseit.
A visszaérkező eredmények esetében természetesen már elkülönítjük, hogy melyek voltak a váltás előtti, és utáni adatcsomagok – minden más információt viszont törlünk, hogy a dupla-vak teszt előnyei megmaradhassanak.
A nagy kérdés, hogy lesz-e jellegét tekintve különbség a két részre bontott mérés-sorozat elemei között?
Mert ha nem, akkor megint csak döbbenetes felfedezést tettünk.
Felmerülhet persze, hogy utóbbi kísérleti elrendezésben esetben indokolt lehetne egy „tripla vakteszt” is, hiszen azt ugyan biztosított, hogy a megfigyelők nem tudják, hogy mit figyelnek meg, és a kísérletező sem tudja, hogy melyik megfigyelőtől érkeznek vissza mely eredmények – ám a kísérletező egy többlet-információval mégiscsak rendelkezik, éspedig azzal, hogy mely csomagok tartalmazzák a „titokban mért” ikertestvérek hatását, és melyek nem.
Ennek kiküszöbölésére az „idler” ágon alkalmazni lehetne például ugyanazt a „trükköt”, amelyet a „Késleltetett választásos kvantumradír kísérletben” is bevetettek annak megvalósítói (egy olyan, félig áteresztő tükrökből / nyalábosztókból álló topológia, ahol kvantumfizikai esélyek döntnek előre kiszámíthatatlan módon arról, hogy megtörténjen-e a „mérés”, vagy sem az aktuális foton-ikertestvéreken). Ebben a „tripla vaktesztben” a kísérletező még ezt sem tudná előre, ugyanakkor egy automatikus háttér-rendszer a tényt (tehát, hogy éppen történt-e mérés) titkosítva belekódolná az egyéni észlelőknek kiküldött csomagokba, a többi meta-információval együtt, és az ily módon létrehozott „mixet” csak később, a kiértékelés során válogatná szét automatikusan a visszajátszást végző rendszer. Így talán közelebb kerülhetnénk ahhoz, hogy mit gondoljunk a jól látható, mindennapi illúziók mögött rejtőző, tényleges, minket körülvevő világunkról.
De akkor végül mi a „valóság”?
Empirikus, fizikai kísérleteink azt sugallják, hogy a valóság nem más, mint hullámfüggvények összeomlása (legalábbis számunkra). Egyszerűen azért, mert a szuperpozíciós állapotot nem vagyunk képesek sem megfigyelni, sem megmérni –csupán annak, illetve hiányának következményeit. Ha ugyanis „megnézzük” mit csinál egy részecske, akkor már nem azt fogja csinálni, amint csinálna – ha pedig nem nézzük meg, akkor az arra utaló jeleket láthatjuk (pl. interferencia).
De hogy a hullámfüggvények összeomlása objektív, vagy szubjektív folyamat (esetleg mindkettő), azt – eddig – nem sikerült megnyugtatóan tisztázni, sőt – vizsgálni sem nagyon. Pedig ez ma az egyik legnagyobb kérdés a tudomány világában, és erre próbálunk megoldást kínálni a „Kék citrom” projekt felvetés segítségével, az itt leírt módokon.
Zárószó
A „Kék citrom” projektben egy egészen újszerű javaslatot tettünk arra, hogy hogyan próbáljuk meg függetleníteni a kísérletezőt a kísérlettől – mely természetesen nem biztos, hogy lehetséges egyáltalán. Ha azonban mégis sikerülne kimutatni (nem szándékos csalásból, vagy hibából származó) eltérést a „független” szemlélők megfigyelése között, akkor kijelenthetnénk, hogy a minket körülvevő világegyetem nem exkluzív, nem kizárólagos objektív valóság.
De a „Kék citrom” projekt fényében elképzelhető, hogy borzasztóan rossz kérdést teszünk fel, amikor felvetjük, hogy „szubjektív vagy objektív a valóság?”
Elképzelhető ugyanis, hogy a valóság egyszerre objektív és szubjektív. Nem kizárható, hogy világunk a szubjektív és az objektív valóság keveréke. Másképp fogalmazva – a valóság hullámfüggvények szubjektív összeomlása, az objektív valóság pedig a szubjektív megfigyelések szuperpozíciója.
Ezt a „Kék citrom” projekt sikere esetén pedig igen meggyőzően alátámaszthatná – Ám nem feltétlenül állna ellentétben a „Kvantum-radar” hipertérbe nyúló, a jövő idejű fénykúp hiperpalástjának felszínét, annak kvantumfizikai szintű megismerését célzó kísérletünkkel.
Az eredeti „Kvantum-radar” kísérletünk 2015-ben egészen új, és nem kevéssé egzotikus helyszínen folytatódik – a pikáns részletekkel hamarosan jelentkezünk!
Budapest, 2014.12.31.
Nagy Gergely / Időkép.hu
Friss cikkeink, kapcsolódó információk és videók a témában -
Kvantum-radar 2013 | Sikeres fotonhasítás (2012) | Kvantum-radar (2010, eredeti)
