Þróun heimsmyndar: Skammtafræðin ögrar skilningi á tíma og rúmi

Skammtafræðin hefur leitt af sér marga undarlega og djúpstæða eiginleika náttúrunnar sem stangast á við hefðbundna skynsemi. Einn af þeim er áhrif athugunar á niðurstöður mælinga. Þetta hugtak hefur lengi verið umfjöllunarefni vísindamanna og heimspekinga, þar sem það vekur spurningar um hlutverk meðvitundar og eðli raunveruleikans. Í þessum pistli verður farið yfir hvernig mælingar geta haft áhrif á niðurstöður í skammtafræði, hvernig þetta birtist í tilraunum, og hvaða heimspekilegar afleiðingar þetta hefur.

Ein af þekktustu tilraununum sem sýnir hvernig athugun hefur áhrif á niðurstöður er tvöfalda raufartilraunin. Í hefðbundinni útgáfu er ljósi eða rafeindum skotið í gegnum tvær raufar og skráðar á skjá að aftan. Ef engin mæling er gerð á því hvaða rauf eindin fór í gegnum, myndast bylgjumynstur sem bendir til þess að eindin hafi hegðað sér eins og bylgja og farið í gegnum báðar raufarnar samtímis. Ef mælitæki er hins vegar sett upp til að fylgjast með hvaða rauf eindin fer í gegnum, hverfur bylgjumynstrið og við sjáum agnamynstur – eins og eindin hefði aðeins farið í gegnum eina rauf í einu. Þetta bendir til þess að mælingin sjálf hafi áhrif á hegðun eindarinnar, sem virðist ákveða sig fyrir annaðhvort bylgju- eða agnahegðun eftir því hvort hún er mæld eða ekki.

Ein áhugaverð spurning í þessu sambandi er hvort hægt sé að kalla fram agnarhegðun bara með því að hafa mælitæki til staðar, jafnvel þó enginn skoði niðurstöðurnar. Rannsóknir benda til þess að það skipti ekki máli hvort mannleg meðvitund komi við sögu eða ekki – einungis það að mælitækið hafi skráð upplýsingar um eindina er nóg til að rjúfa bylgjueiginleika hennar. Í þeirri útgáfu tilraunarinnar sem nefnd hefur verið seinkuð valkostagreining "delayed choice quantum eraser" er mæling á ferli eindarinnar gerð eftir að hún hefur þegar farið í gegnum raufina. Ef mælingar eru framkvæmdar á þann hátt að hægt sé að ákvarða feril eindarinnar, hverfur bylgjumynstrið, en ef slíkar upplýsingar eru ekki tiltækar, heldur bylgjumynstrið áfram. Það virðist eins og eindirnar „viti“ hvort mælingin verði framkvæmd eða ekki og hegði sér í samræmi við það. Þetta gefur til kynna að hegðun þeirra sé óháð tíma, þar sem mæling virðist geta haft áhrif á það sem hefur gerst áður. 

Þetta þýðir að mælitækið sjálft, með því að skrá leið eindarinnar, veldur því að bylgjufall hennar „hrynur“ og agnamynstur birtist. Það er því ekki nauðsynlegt að nokkur skoði gögnin eftir á – skráningin ein og sér og tilvist mæligagnanna nægir til að framkalla breytinguna.

Tilraunir hafa verið framkvæmdar til að kanna hvort hægt sé að „afmá“ mælingaráhrifin með því að eyða upplýsingunum um leið eindarinnar eftir á. Þegar upplýsingarnar eru geymdar, birtist agnamynstur. Þegar upplýsingunum er eytt áður en hægt er að skoða þær, birtist bylgjumynstrið aftur. Þetta sýnir að aðgengi að upplýsingunum skiptir máli fyrir niðurstöðuna, ekki bara það hvort einhver manneskja athugar þær eða ekki.

Þetta er ótrúlega dularfull niðurstaða sem virðist benda til þess að mælingin sjálf skipti ekki öllu máli – heldur skiptir máli hvort upplýsingarnar séu raunverulega til staðar í raunheiminum eða ekki. Það er nánast eins og ögnin "viti" hvort upplýsingar um hegðun hennar séu aðgengilegar eða ekki. Á meðan upplýsingarnar eru tiltækar hefur hún hegðað sér eins og ögn - í fortíðinni - en þegar upplýsingunum er varanlega eytt hefur hún hegðað sér eins og bylgja - í fortíðinni. 

Ýmsar kenningar hafa verið settar fram um hvað valdi þessu. Ein nálgun telur að mæling sjálf ákvarði ástand eindarinnar, á meðan aðrar kenningar benda til þess að hrun bylgjufallsins sé raunverulegt eðlisfræðilegt ferli sem geti verið háð þáttum eins og þyngdarafli. Sumir telja að meðvitund gegni lykilhlutverki í mælingum og að raunveruleikinn mótist af athugun okkar. Önnur nálgun forðast hugmyndina um hrun bylgjufallsins með því að leggja til að allar mögulegar útkomur gerist samtímis í mismunandi veruleikum.

Þessar niðurstöður vekja heimspekilegar spurningar um eðli raunveruleikans. Ef það hvernig við mælum hefur bein áhrif á það sem við mælum, hvað þýðir það þá um eðli tilverunnar? Er raunveruleikinn „óskilgreindur“ þar til mæling er gerð? Eða er það einfaldlega svo að mælitæki hafa áhrif á það sem þau mæla, rétt eins og þegar við setjum hitamæli í vatn og hann breytir aðeins hitastiginu með nærveru sinni?

Margar þessara spurninga eru enn umdeildar og hafa hvorki fengið endanlegt svar frá eðlisfræðingum né heimspekingum. Skammtafræðin heldur áfram að ögra skilningi okkar á náttúrunni, en með tilraunum eins og tvöföldu raufartilrauninni er ljóst að mælingar spila lykilhlutverk í því hvernig raunveruleikinn virðist birtast okkur.

Skammtafræðin ögrar því skilningi okkar á raunveruleikanum á a.m.k. tvennan hátt. Annars vegar sýnir skammtaflækja/fasaflétta (quantum entanglement) að tengsl milli agna geti verið óháð fjarlægð, sem brýtur gegn hefðbundnum hugmyndum um rúm (rými). Hins vegar sýnir tvöfalda raufartilraunin, sérstaklega í útgáfum með seinkaðri valkostagreiningu (delayed choice quantum eraser), að mæling í nútíð getur ákvarðað hvernig eind hefur hegðað sér í fortíð. Þetta bendir til þess að atburðir í skammtaheiminum séu ekki endilega bundnir við línulegt orsakasamhengi í tíma.

Saman gefa þessir eiginleikar til kynna að bæði rými og tími séu ekki eins skýrt afmörkuð og við höfum vanist í klassískri eðlisfræði. Þeir varpa fram stórum spurningum um hvort raunveruleikinn sé fastmótaður áður en mæling er gerð, eða hvort hann sé einhvers konar opið kerfi þar sem upplýsingar og athuganir hafa áhrif á það sem við köllum fortíð.