РЕАЛНОСТТА – част 3

Posted: September 4, 2014 in New Scientist

Е ЛИ, МАТЕРИЯТА ИСТИНСКА?

Относително лесно е да се демонстрира какво не е физичната реалност. Разбирането обаче какво е, е доста по-трудно казва Ян Вестерхоф

НИЩО не изглежда по-реално отколкото заобикалящите ни всекидневни обекти, но нещата не са точно такива каквито изглеждат. Комплекс от относително прости експерименти разкрива невероятни пукнатини в нашето интуитивно възприемане на физичната реалност. Опитът да се обясни какво точно, води до някои много странни и често силно изненадващи теории за света около нас.

Ето и един прост пример – вземете настолна лампа, няколко парчета картон с дупки indexс намаляващ размер и  осигурете някакъв вид проекционен екран като например бяла стена. Ако поставите парче картон между лампата и стената, то ще видите светлината, която минава през дупката в картина. Ако сега замените картона с подобен, но с парче имащо по-малка и малка дупка, петното светлина ще намалее като размер. След като веднъж слезем под определен размер фигурата на стената се изменя от малка точка към серия от концентрични тъмни и светли пръстени, приличащи донякъде на мишена за стрелба. Това е “диск на Ейри” – характерен белег за вълна, която е прекарана през отвор.

 

Само по себе си това не е изненадващо. Преди всичко ние знаем, че светлината е вълна, така че трябва да демонстрира и “вълново” поведение.  Но да видим какво ще се случи ако изменим комплекта, който ползваме за експеримента. Вместо лампа, да използваме устройство, което изстрелва електрони, като онези, които се използваха в телевизорите от близкото минало; и вместо стена като екран, да използваме парче стъкло покрито с фосфор, който започва да свети под ударите на електроните. Можем да използваме парчето стъкло, така че да регистрираме къде точно са местата, където удрят електроните. Резултатите са сходни, при достатъчно малки дупки ще получим пак диск на Ейри.

Това изглежда странно: електроните са частици локализирани на точни места и не могат да бъдат разделяни, при все това те се държат в случая като вълни, които могат да се разпръскват по протежение на пространството; които са делими и се сливат една с друга когато се срещнат. Може би не е обаче толкова странно, колкото изглежда. Водата се състои от молекули и пак се държи като вълна. Фигурата на Ейри може да се появи само когато достатъчно частици са налице заедно, независимо от това дали са водни молекули или електрони.

Прост вариант на експериментите показва обаче, че това не може да бъде вярно. Да приемем, че редуцираме изхода на електронната пушка до една частица в минута. Познатата ни фигура на Ейри изчезва и всичко онова, което виждаме е слаб проблясък всяка минута. Нека оставим тази установка да функционира за известно време като записваме всеки малък проблясък, който възниква. Впоследствие нека картографираме положението на всичките хиляди проблясъци. Изненадващо, не получаваме случайно разположение на точките, а това което виждаме е отново фигурата на Ейри. Резултата е меко казано странен. Невъзможно е индивидуален електрон да знае къде биха и ще ударят всички по-ранни и по-късно ударили електрони, така че те не комуникират помежду си, за да  създадат успешна фигура. Освен това всеки електрон трябва да пътува подобно на вълна през отвора, за да пресъздаде характерната фигура, и след това да се промени на частица, за да остави точка върху екрана. Това разбира се е известният корпускулярно-вълнов дуализъм на квантовата механика.

Това странно поведение се споделя от всяко достатъчно малко парче материя, включително електрони, неутрони, фотони и други елементарни частици, но не и само от тях. Подобни ефекти са били наблюдавани за обекти, които са  принципно достатъчно големи, за да бъдат видени под микроскоп, като например – бъкиболс.

За да обяснят странното поведение на подобни обекти физиците асоциират вълнова функция с всеки от тях. И независимо, че тези вълни имат обичайните свойства на повечето познати вълни като звукови или водни вълни например, включая амплитуда (колко далеч нагоре и надолу се отклонява вълната от спокойното си състояние), фаза (в коя точка на цикъла е вълната), и интерференция (така че “горните” и “долните” фази на вълните срещайки се, да се неутрализират), какви точно вълни са те не е чак толкова ясно. Айнщайн съвсем на място говори за “фантомно поле” като тяхната среда.

За вълна в някаква обичайна среда, като например вода,  ние можем да калкулираме енергията и във всяка една нейна точка посредством квадрата на амплитудата и. Вълновите функции обаче не пренасят енергия. Вместо това, квадрата на амплитудата им при дадена точка ни дава вероятността да наблюдаваме частица ако детектор подобен на фосфорно-покритият екран бъде поставен там.
И по-точно, точката, в която обект преминава от това да бъде вероятностна вълна с нейното потенциално съществуване разпръснато по протежение на пространството и се превръща в действителен пространствено локализиран обект, е много важна за разбирането дали материята е реална.Какво точно става когато вълновата функция се разруши – когато измежду безброя възможности, където частицата може да бъде в някакъв момент, един е избран, докато всички останали са отказани?

Преди всичко трябва да се запитаме, кога е направен този избор? В примера по-горе, изглежда се случва точно преди проблясъка на фосфорния екран. В този момент измерване на позицията на електрона се прави посредством светещия фосфор в момента на удара, така че трябва да имаме електрон там, а не просто вероятна вълна. Но да приемем, че не можем да бъдем в лаборатория, за да предприемем експеримента, така че ние насочваме камера по посока на фосфорния екран и получаваме образа изпратен посредством сателитна връзка директно върху работния плот на компютъра ни. В този случай проблясъка светлина емитиран от фосфорния екран трябва да пътува до камерата, която го записва и процеса се повтаря: подобно на електроните, светлината също пътува като вълна и пристига като частица. Поради каква причина обаче да повярваме, че “превключването” от вероятностната вълна към-то частица действително се случва на фосфорния екран, а не в камерата?

Първо, като начало, изглежда фосфорният екран е измерващият инструмент, а електронът е това което бива измервано. Но сега измерващият инструмент е камерата и фосфорният екран е част от това, което бива измервано. Предвид на това, че всеки физичен обект предаващ измерванията можем да добавим към тази редица – камерата, компютъра, очите ни, мозъка ни – са изградени от частици със същите свойства като електрона, то как можем да определим някаква определена стъпка, на която можем да поставим границата между това какво се измерва и това какво прави измерването?

Тази неспирно разширяваща се верига се нарича верига на фон Нойман, по името на физика и математик Джон фон Нойман. Един от неговите колеги от Принстън – Юджийн Уигнър, прави предложение къде да се направи разреза. Изследвайки веригата на фон Нойман в посока нагоре, първата същност, за която откриваме, че не е изградена по праволинейният начин характерен за парчетата материя, е съзнанието на наблюдателя. Може да искаме освен това и да кажем, че когато съзнанието влиза в картината вълновата функция се разпада и ерго –  вероятностната вълна се превръща в частица. Идеята, че съзнанието внася всекидневния живот в реалността е разбира се силно странна; може би е и малко странно, че това е минорна гледна точка. Има друг начин за интерпретиране на проблема с измерването, който не въвлича съзнанието – макар че той има свое специфично разклонение. Но засега нека вникнем в идеята на Уигнър в малко по-голяма дълбочина.

Ако съзнателния елемент не доведе до разпад на вълновата функция, то интересни последици следват. Колкото повече и повече обекти биват всмукани във вихъра на веригата на фон Нойман променяйки се от бидейки измерващ инструмент на част от това което бива измервано, то “разпръсканата” структура на вероятностната вълна става свойство на тези обекти също. “Суперпозиционното” поведение на електрона – неговото свойство да бъде на различни места едновременно сега въздейства и на измерващите инструменти. Експериментално е проверено, че не само прекалено малки за наблюдение обекти, но и обекти които са достатъчно големи да бъдат видени под микроскоп като например дълга 60 микрометра метална лента могат да демонстрират подобно на суперпозиция поведение.
Разбира се не можем да погледнем през микроскопа и да видим металната лента намираща се на две места едновременно, тъй като това незабавно би унищожило вълновата функция. Става ясно, че неопределеността, която откриваме на атомно ниво може да се разпростре до макро-равнище. И ако приемем, че вълновата функция трябва да се унищожи в момента, в който съзнанието влиза в измерването, то последиците са дори по-странни. Ако решим да разрушим веригата в тази точка, то следва съгласно една от нашите дефиниции за реалност, че материята не може да бъде считана за реална. И ако съзнанието е необходимо, за да превърне призрачните вероятностни вълни в неща, които са повече или по-малко подобни на обектите, които срещаме в ежедневието, то как можем да кажем, че материята е каквото би било там въпреки всичко, независимо дали човешките умове са наоколо ?
Но може би е твърде прибързано. Дори ако се съгласим с идеята, че съзнанието е нужно, за да се разруши веригата, всичко което следва, е че динамичните атрибути на материята като позиция, момент и спинова ориентация са мисловно зависими. От това не следва, че статичните атрибути като маса и заряд са зависими от това. Статичните атрибути са там, независимо дали ги търсим или не.
Независимо index1от това ние трябва да се запитаме, дали повторно дефинираната материя като “комплект от статични свойства” запазва достатъчно от съдържанието си, за да ни позволи да считаме материята за реална. В свят без разсъдък, все пак ще има атрибути като маса и заряд, но нещата няма да бъдат на някакво определено място или да пътуват в някакво определено направление. Подобен свят няма абсолютно нищо сходно със света който се появява пред очите ни. Вернер Хайзенберг излиза с наблюдението: “онтологията на материализма се основава на илюзията, че подобен род съществуване, което направлява “действителността” на света около нас, може да бъде екстраполиран на атомно ниво. Тази екстраполация не е възможна…Атомите не са неща!”  Изглежда най-доброто, което можем да получим в тази точка е твърдението, че някои неща са независими от това, че ние човешките наблюдатели сме там, въпреки това те може би имат твърде малко общо с нашето обичайно разбиране за материята.

А променя ли се нашето разбиране за реалността на материята ако изберем друга силна дефиниция за реалност – не определена от това какво има там всъщност, а какво осигурява фундамента за всичко останало? За да отговорим на този въпрос, трябва да обърнем внимание на ключово понятие за редуктивното обяснение. Голяма част от силата на научните теории произхожда от виждането, че ние можем да използваме теория, която се прилага към определен тип обекти, за да обясни поведението на изцяло друг тип обекти. При това не се нуждаем от отделен комплект закони и принципи, за да обясним втория тип обекти. Добър пример за това е начинът, при който теории от физиката и химията които занимават с нежива материя могат да бъдат използвани за обяснение на биологични процеси. Не е нужно да се постулира специална физика или специална химия, за да се обясни метаболизма на организъм, как той се размножава, как се предава генетичната информация или как старее и умира. Поведението на клетките изграждащи организма може да бъде за сметка на ядрото, митохондриите и други субклетъчни общности, чието поведение пък на свой ред може да бъде обяснено по отношение на химически реакции базирани на поведението на молекулите и атомите, които ги изграждат.  По тази причина, за обяснението на биологичните процеси може да се каже че е кратно на химическите и в основата си базирано на физическите такива.

Ако търсим редуктивно обяснение за феномените около ни, първата стъпка е да редуцираме становищата си, които имаме за обектите със среден размер, които ни заобикалят – тухли, мозъци, пчели, банкноти и бактерии до становища свързани с фундаментални материални обекти като молекули.  След това разбираме, как всичко относно тези неща може да бъде обяснено по отношение на техните съставки, по специално – атомите им. Атомите от своя страна разбира се имат части също и ние вече сме по пътеката, която ни води до свят на по-малките субатомни частици, и може би (ако Струнната теория е правилна !) по пътя надолу до вибриращи вълни от чиста енергия. Така че, досега не сме достигнали най-фундаменталните обекти. Всъщност дори няма съгласие, че има такива обекти. Но това разбира се не е причина да спрем нашето редуктивно обяснение тук, тъй като винаги можем да разберем основните физични обекти по отношение на това, къде те са локализирани във времето и пространството. И вместо да говорим за определена частица, която съществува на такова-и-такова място за такова-и-такова време, ние можем просто да редуцираме до това да говорим за определен регион в пространството, който е зает между две различни времена. Можем дори да слезем до нещо по-фундаментално. Ако приемем, че имаме условна фиксирана точка в пространството и устойчива единица за дистанция в пространството, то можем да определим всяка друга точка в пространството с три координати. Те ни казват просто да се преместим еди-си-колко единици нагоре или надолу, еди-си-колко единици вляво или дясно и еди-си-колко единици назад или напред.  Можем да направим същото и за точките във времето. Тоест, вече имаме начин да изразяваме точките от време-пространството като комплект от четири числа – x, y, z, и t, където x, y, z представляват трите пространствени величини, а t- служи за представяне на времевата величина. По този начин реалността може да бъде сведена до числа. И това отваря врата към нещо много по-фундаментално. Математиците са намерили начин за редуциране на числата до нещо дори по-просто: множества. За да направят това те заместват числото 0 с празно множество, номер 1 с множество, което съдържа празно множество и т.н. Всички свойства на числата  се отнасят и за тези заместващи числа изградени от множествата. Изглежда току редуцирахме всичко от материалния свят до комплект от множества. Поради тази причина е важно да знаем какво тези математически обекти наричани множества са реално. Има две гледни точки към математическите обекти, които са важни в този контекст.

Първо, имаме гледната точка към тях като “теоретични” обекти. Това ще рече, че математическите обекти не са като обичайните обекти, които срещаме. Те не са изградени от материя, не съществуват във времето и пространството, не се изменят, не могат да бъдат създадени или разрушени и не могат да се провалят в съществуването си. В съответствие с теоретично възприетото, математическите обекти съществуват в един “трети свят” различен от светът на материята от една страна и светът на мисловните единици, като перцепции, мисли и усещания, от друга.

Второ, ние можем да разберем математическите обекти като фундаментално мисловни по природа. Те са от същият тип като другите неща, които минават през ума ни: мислите и плановете, концепциите и идеите. Те не са напълно субективни; други хора могат да имат точно същият математически обект в мислите си какъвто ние имаме в нашите, така че когато говорим помежду си за Питагоровата теорема, ние говорим за едно и също нещо. Но те все още съществуват само в мислите ни, където и възникват.

Всяко от тези разбирания води до странен резултат. Ако най-долното ниво на света се състои от множества, и ако множествата не са материални, а са наместо това някакви теоретични единици, то материалните обекти напълно изчезват от погледа ни и не могат да бъдат реални по отношение на изграждането на фундаменталните основи на цялото съществуване. Ако следваме научния редукционизъм до самото дъно, ще свършим с неща, които определено не приличат на малки камъчета или билярдни топки, нито дори на струни вибриращи в мултиизмерното пространство, а по-скоро наподобяващи това, с което се занимава чистата математика. Разбира се теоретичният изглед на математическите обекти е твърде недискутируем и много хора намират за трудно да възприемат ясно идеята как обекти могат да съществуват извън пространството и времето. Но ако приемем, че математическите обекти са мисловни по природа, ще се окажем в ръцете на дори по-странен сценарий.

Ученът-редукционист ще редуцира човешкият ум до активността на мозъка, мозъка до сбор от взаимодействащи си клетки, клетките до молекули, молекулите до атоми, атомите до субатомни частици, субатомните частици до сбор от пространствено-временни точки, сбора от пространствено-временни точки до множества от числа, и множествата от числа до чисти множества. Но в самият край на тази редукция ще установим, че сме точно там откъдето тръгнахме – мисловните единици. Откриваме подобен странен затворен кръг в най-влиятелния начин на разбиране на квантовата механика – интерпретацията от Копенхаген. И за разлика от интерпретацията на Уигнър, която се базира на съзнанието, тук не се приема че вълновата функция се разпада когато съзнателния разум наблюдава изхода от някакъв експеримент. Наместо това, се случва когато системата, която бива измервана (електрона) взаимодейства с измерващото устройство (фосфорният екран). Поради тази причина, трябва да се приеме, че фосфорният екран сам по себе си не демонстрира специфично квантово поведение демонстрирано вече от електрона. Според интерпретацията от Копенхаген тогава, нещата и процесите описуеми по отношение на познати класически концепции са основата на всяка физична интерпретация. И тук е момента, където започва движението в кръг. Ние анализираме всекидневния свят на материални неща със среден размер като ги отнасяме към по-малки и по-малки съставни елементи докато същите станат толкова малки, че квантовите ефекти станат релевантни за описването им. Но когато дойде момента да се произнесем, какво реално се случва когато вълновата функция се разпадне в електрона удрящ фосфорния екран, ние не основаваме обяснението си в някакви моментни структури на микро-ниво; обосноваваме се по отношение на показания направени от неквантови материални неща.
Това всъщност значи, че вместо да слизаме по-надолу, ние скачаме точно обратно на нивото на конкретните феномени на сензорните възприятия, именовайки измерващите устройства като фосфорни екрани и камери. И още веднъж сме в ситуация, в която не можем да кажем, че светът на квантовите обекти е фундаментален. Нито пък можем да кажем и че светът на измерващите устройства е фундаментален, тъй като тези устройства са сами по себе си огромни конгломерати от квантови обекти. Освен това имаме кръг от неща зависими едно-от-друго, освен това за разлика от предишният случай, мисловните обекти не са вече части от този кръг. Като резултат нито фосфорният екран, нито пък електрона в тази минута, може да бъде смятан за реален по отношение на фундаменталния замисъл, тъй като нито едно от тях не съдържа клас обекти от които всичко зависи. Каквото мислим, че трябва да бъде най-фундаментално излиза, че включва всъщност това, което считаме за най-малко фундаментално.
В нашето търсене  за основи, ние се движим в кръг, от разума, през различните компоненти на материята, обратно до разума, или в случая на интерпретацията от Копенхаген – от макроскопичното, към микроскопичното и отново към макроскопичното. Но това ще значи, че нищо не е фундаментално, както няма първа и последна спирка по Лондонското метро.
Моралът, който можем да извлечем от сценария на редукционистите е, че или фундаменталното не е материално, или че няма нищо фундаментално.

Назад към част 2                                                                                                       Напред към част 4

n00bscientist.wordpress.com agrees to indemnify RBI and New Scientist against any claim arising from incorrect or misleading translation.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s