Зашто квантна механика каже да прошлост није стварна

Следи извод из нашег билтена Лост ин Спаце-Тиме. Сваког месеца урањамо у фасцинантне идеје из целог универзума. Можеш пријавите се за Изгубљени у свемирском времену овде.

Адолф Хитлер је умро 30. априла 1945. Барем, тако каже званична историја. Али шачица историчара оспорила је доказе и инсистирала на томе да је Фирер побегао из ратом разореног Берлина и да је живео негде у крилу. Иако се потоњи извештај данас увелико одбацује као неоснована теорија завере, ниједан рационални историчар не би сумњао да, без обзира на спорне доказе, постоји барем „чињеница ствари“. Хитлер је или умро тог дана или није. Не би имало смисла рећи да је Хитлер био и жив и мртав 2. маја 1945. Ипак, замените Адолфа Хитлера чувеном мачком Ервина Шредингера, и историјске „чињенице ствари” постају озбиљно мутне.

Шредингер је био један од оснивача квантне механике, најуспешније научне теорије у историји. Она подупире сву хемију, физику честица, науку о материјалима, молекуларну биологију и велики део астрономије, и дала нам је задивљујућа технолошка чуда, од ласера ​​до паметних телефона. Проблем је у томе што, упркос свим својим тријумфима, на дну изгледа квантна механика нема смисла.

У свакодневном животу, претпостављамо да постоји стварни свет „тамо напољу“ у којем објекти као што су столови и столице поседују одређена добро дефинисана својства, као што су положај и оријентација, независно од тога да ли неко гледа или не. Када посматрамо објекат у макроскопском свету, једноставно откривамо већ постојећу стварност. Али квантна механика се бави микросветом атома и субатомских честица, где стварност испарава у неизвесност и нејасноћу.

Квантна неизвесност имплицира да будућност није у потпуности одређена садашњошћу. На пример, ако је електрон испаљен познатом брзином на танкој баријери, он би се могао одбити назад или би могао тунелирати кроз баријеру и одлетети на другу страну. Или ако се атом доведе у побуђено стање, онда микросекунду касније може и даље бити узбуђен, или се можда распао и емитовао фотон. У оба случаја, не можемо са сигурношћу предвидети шта ће бити случај; могу се дати само квоте за клађење.

И већини људи је угодно прихватити да је будућност донекле отворена. Али квантна нејасност такође имплицира да је прошлост такође није готова ствар. Гледајте у довољно финој скали и историја се раствара у амалгам алтернативних стварности, који се технички називају суперпозицијом.

Замућеност квантног микросвета постаје оштар фокус када се изврши мерење. На пример, можете извршити мерење положаја на електрону и открити да има одређену локацију. Али према квантној механици, то не значи да је електрон био већ тамо пре мерења, при чему посматрање само открива тачно где. Уместо тога, мерење се пројектује у електрон на месту из претходног стања без положаја.

Ако је то тако, како да размишљамо о електрону пре него што је примећен? Замислите мноштво полустварних „електрона духова“ распоређених по простору, од којих сваки представља другачије потенцијал стварност, лебдећи у стању лимба. Понекад се то описује тако што се електрон налази на више места одједном. Онда – браво! – врши се мерење које служи за промовисање специфичног „духа победника” у конкретну стварност, уништавајући конкуренте.

Да ли експериментатор има избора у односу на исход? Не када је у питању одабир победничког духа – то се своди на случајну шансу. Али ипак постоји елемент избора који је кључан за разумевање квантне стварности. Ако, уместо да изврши мерење положаја, експериментатор одабере да измери брзину електрона, онда претходно нејасно стање поново добије оштар резултат – али овај пут не ствара електрон на месту, већ електрон са брзином. И нађено је да се електрон са брзином понаша као талас. То није исти ентитет као електрон-на-месту, који је честица. Очигледно, електрони су на неки начин и таласи и честице; који аспект манифестују зависи од тога како неко одлучи да их испитује.

Закључак: шта се дешава са електроном – да ли се понаша као талас или честица која иде напред – зависи од тога коју врсту мерења експериментатор одлучи да изврши да би га посматрао. Чудно, наравно, али овде постаје заиста чудно: такође је случај да шта има догодило са атомом пре мерење зависи од одлуке експериментатора! Односно, природа електрона у прошлости – талас или честица – одређује се тим избором. Изгледа као да се нешто враћа у прошлост и утиче на начин на који свет „тамо напољу“ биопре мерења.

Да ли је ово путовање кроз време? Ретроцаусатион? Телепатија? Све ове речи се користе у популарним чланцима о квантној физици, али најприкладнији опис дао је Џон Вилер, физичар који је сковао термин црна рупа: „Прошлост не постоји осим како је забележена у садашњости“, изјавио је он.

Вилеров опис звучи дубоко као изрека, али постоји ли стварни експеримент који то доказује? Заиста, постоји, као што сам први пут сазнао од самог Вилера када смо се састали на доручку у хотелу Хилтон у Балтимору 1980. Оброк је почео са загонетним питањем, типичним за човека: „Како задржати дух фотона?“ упитао је. Видевши моју збуњеност, Вилер је наставио да објашњава нови обрт који је смислио за класични квантни експеримент. Најлакше је то урадити са светлошћу, мада се исто тако може урадити и са електронима или чак целим атомима.

Експеримент, који је први извео енглески полиматичар Томас Јанг 1801. године, представља покушај да се демонстрира таласна природа светлости. Јанг је поставио екран пробијен са два уска прореза близу један другом и осветлио га тачком светлости. Светлост пролази кроз прорезе и пада на други екран мало даље од извора светлости. Шта је Иоунг видео? Не две замрљане траке светлости, као што можете замислити, већ низ светлих и тамних пруга, које се називају интерференцијским ресама. Они настају зато што се светлосни таласи који пролазе кроз сваки прорез шире, и тамо где стигну у корак – од врха до врха, од корита до корита – они се појачавају да би направили светлу мрљу, а тамо где стигну ван корака, поништавају се и стварају тамну мрљу.

Квантна механика је почела када су физичари расправљали о томе да ли се светлост састоји од таласа или честица, званих фотони. Сада знамо да је, баш као и електрони, одговор обоје. А са модерном технологијом можете извести Јангов експеримент један по фотон. Сваки фотон прави малу тачку на другом екрану, а током времена многе тачке стварају шару на начин на који се приказују карактеристичне пруге које је Иоунг открио. Ово изгледа збуњујуће: ако је фотон сићушна честица, сигурно мора проћи било један прорез или други. Али обоје прорези су потребни да би се направио интерферентни образац.

Шта се онда дешава ако лукави експериментатор одлучи да види кроз који прорез пролази било који фотон? Ово се лако може постићи постављањем детектора близу прореза. Када се то уради, образац интерференције нестаје. Детекција мешања је, у ствари, подстакла фотон да се манифестује као честица, чиме је елиминисана његова таласаста природа. Можете да урадите потпуно исто са електронима – откријте кроз који прорез су прошли и не пронађете пругасти образац, или оставите путању сваког електрона двосмисленом и посматрајте пруге (након што много електрона изгради образац). Тако да експериментатор може да одлучи, фотон по фотон или електрон по електрон, да ли се понаша као талас или честица када удари у екран слике.

Сада долазимо до Вхеелеровог обрта. Та одлука – гледати или не гледати – не мора бити донета пре времена. У ствари, може се оставити све док фотон (или електрон) не прође кроз систем прореза и буде на добром путу ка екрану слике. У ствари, експериментатор може да изабере да погледа уназад и види из ког прореза је изашао фотон или не. Ово подешавање, које разумљиво носи назив експеримента са одложеним избором, је урађено, и сасвим је сигурно да су резултати очекивани. Када експериментатор одлучи да завири, фотони не формирају заједно пруге; када остану непримећени, они то раде. Закључак? Реалност која био – да ли се светлост понашала као талас који је прошао кроз оба прореза или као честица која је прошла кроз један – одређује се каснијим избором експериментатора. Треба да напоменем да је, у правом експерименту, „избор“ аутоматизован и насумичан како би се избегла пристрасност која би могла да искриви резултате и зато што се све дешава брже од времена људске реакције.

Експеримент са одложеним избором не мења прошлост. Уместо тога, у одсуству експеримента, постоји много прошлости – вишеструке помешане стварности. Када се направи избор шта да се мери, неке од тих историја се избацују. Ефекат избора је да се смањи нека од прошлих квантних нејасноћа и, ако не одреди јединствена историја, онда барем сузи број кандидата. Због тога се понекад назива експериментом квантног брисања.

У стварном експерименту, време повратка је само наносекунда или тако нешто, али у принципу може да се протеже све до настанка универзума. И заиста, то је било значење иза Вилеровог загонетног питања о задржавању духа фотона. Он је замислио удаљени космички извор светлости који је гравитационо сочиван са наше тачке гледишта од стране црне рупе која се налази између, са двоструким светлосним путањама савијеним око супротних страна црне рупе пре него што се конвергирају на Земљи, помало као експеримент са два прореза на космичкој скали. Дух фотона може стићи једним путем, док други дух који иде другом, вероватно дужом, рутом можда неће стићи овде још месец дана. Да бисте извршили такав експеримент космичке интерференције, морали бисте некако да ускладиштите, или „задржите“, први дух да сачека долазак другог пре него што их спојите, тако да би се таласи преклапали у исто време, као што то чине у оригиналном Јанговом експерименту.

Ајнштајн је једном написао да су прошлост, садашњост и будућност само илузије. У томе је погрешио. Грешка лежи у речи „тхе“. А прошлост данас постоји у историјским записима, али се састоји од огромног мноштва помешаних „прошлости духова“ укомпонованих на начин који формира јединствен наратив на макроскопској скали. На квантном нивоу, међутим, бледи у амалгам мутних делимичних стварности који се налазе изван људског искуства.

Пол Дејвис је теоријски физичар, космолог, астробиолог и аутор бестселера. Његова књига, Куантум 2.0, објављена у новембру 2025. у издању Пенгуина.