آیا تابع موج آگاهی را فرو می ریزد؟

این یک سوال بزرگ و مهم است که درک ما از QM را چارچوب بندی می کند. اما فراتر از آن مفاهیمی برای دیدگاه ما از فیزیک و هستی شناسی = ماهیت واقعیت وجود دارد. پاسخ مثبت به این معنی است که آگاهی یک عنصر اساسی و غیر قابل تقلیل واقعیت است. آگاهی مستقل از ماده است. طبیعی است که به بقای آگاهی فردی پس از مرگ فکر کنیم. شهود جهانی که ما اراده آزاد داریم در پارادایم علمی ما مبنایی دارد. پاسخ منفی تأکید می کند که فیزیک تقلیل گرایانه یک سیستم بسته و منسجم است، و آگاهی چیزی شبیه یک توهم است، یک نمایش فرعی که فیزیکدانان می توانند با خیال راحت از آن چشم پوشی کنند.

در فرمول 1925 مکانیک کوانتومی (QM) (هنوز اساس فیزیک اتمی مدرن)، واقعیت زیربنایی ذرات نیست، بلکه پیکربندی ذرات است. تابع موج (WF) به احتمال اینکه هر اندازه گیری از این پیکربندی نتیجه معینی را ایجاد کند، مرتبط است. معادله شرودینگر (SE) معادله اساسی حرکت است. برای QM همان چیزی است که F=ma برای مکانیک نیوتنی است. SE نشان می دهد که چگونه WF لحظه به لحظه تغییر می کند و نتیجه اندازه گیری ها را پیش بینی می کند. اما قانونی وجود دارد که به اندازه SE بخشی از QM است. این قانون بیان می‌کند که در لحظه اندازه‌گیری SE بازنشانی می‌شود – نه از جایی که درست قبل از اندازه‌گیری بود، بلکه از یک WF با ظاهر مصنوعی که در آن تمام احتمالات در یک نقطه متمرکز است، آن نقطه نتیجه اندازه‌گیری است. تابع احتمال با یک عبارت قطعیت جایگزین می شود، نتیجه اندازه گیری از قبل مشخص است، بنابراین احتمال آن دقیقا یک است. این معمولا به عنوان “فروپاشی تابع موج” نامیده می شود.

از همان ابتدا، فیزیکدانان خاطرنشان کردند که این واقعاً عجیب بود. در عمل، این دو اصل به خوبی با هم کار می کنند.

(1) با WF شروع کنید، که نشان دهنده نتیجه اندازه گیری شما است

(2) از SE برای محاسبه نحوه تغییر WF تا اندازه گیری بعدی استفاده کنید.

در واقع، این جفت قانون، نتایج اندازه گیری بعدی را بر اساس آنچه در طول اندازه گیری قبلی پیدا کردید، پیش بینی می کند. اما این نظریه بسیار رضایت بخش نیست. به نظر می رسد چیزی به نام دنیای عینی وجود ندارد، بلکه جهانی است که دائماً با آنچه شما برای اندازه گیری انتخاب می کنید در حال بازتعریف است. سوال اصلی که فیزیکدانان را از هم جدا می کند این است اندازه گیری چیست؟ اگر اندازه گیری بخشی از فیزیک است، چرا از SE مستثنی است؟ و اگر بخشی از فیزیک نیست، چه چیزی خارج از فیزیک وجود دارد، و آیا نباید هر آنچه را که هست به عنوان بخشی از آنچه ما “فیزیک” می نامیم قرار دهیم؟

در میان فیزیکدانان امروزی، سه نوع پاسخ برای این سوال وجود دارد:

1. “اندازه گیری” توسط یک سیستم بزرگ انجام می شود که از فیزیک نیوتنی پیروی می کند، نه فیزیک کوانتومی. WF زمانی که با این سیستم بزرگتر تعامل می کند انسجام خود را از دست می دهد و برای تمام اهداف عملی در این مرحله مانند یک سیستم نیوتنی رفتار می کند.
2. بر خلاف شماره 1، جهان در واقع از طریق و از طریق کوانتومی است، از جمله دستگاه اندازه گیری. تابع موج هرگز تا یک نقطه جمع نمی شود. در عوض، برای هر نتیجه ممکن از اندازه‌گیری، یک جهان جداگانه وجود دارد، و ما انسان‌ها همیشه در یکی از محتمل‌ترین جهان‌ها قرار می‌گیریم، زیرا جهان در هر لحظه شکافته می‌شود و دوباره شکافته می‌شود.
3. چیزی “خارج از فیزیک” وجود دارد که مسئول فروپاشی تابع موج است و آن چیزی ذهن شخص (یا گربه) است که اندازه گیری می کند. این هوشیاری زنده است که تابع موج را فرو می ریزد و آنچه ما آن را “اندازه گیری” می نامیم، تعاملی بین ذهن و ماده است.

مقاله حاضر به دیدگاه شماره 3 می پردازد، و من راهی برای آزمایش شماره 3 به عنوان یک فرضیه کاری پیشنهاد می کنم.

اکثر فیزیکدانان امروزی بین دیدگاه های #1 و #2 تقسیم می شوند. سومی یا آلوده است یا (بسته به نگرش شما) از طریق ارتباط با فلسفه های سنتی هندو یا تائو حمایت می شود. اما برخی از بزرگترین فیزیکدانان قرن بیستم، از جمله ماکس پلانک، خود اروین شرودینگر، یوجین ویگنر، جان فون نویمان، جیمز جینز، دیوید بوم، و ولفگانگ پاولی از شماره 3 حمایت کردند.

“من آگاهی را بنیادی می‌دانم. من ماده را مشتق از آگاهی می‌دانم. ما نمی‌توانیم پشت آگاهی بایستیم. هر چیزی که درباره آن صحبت می‌کنیم، هر چیزی را که وجود می‌دانیم، آگاهی را فرض می‌کند.”
– پلانک

کیهان بیشتر شبیه یک فکر بزرگ است تا یک ماشین بزرگ.
– شلوار جین

“آگاهی را نمی توان با شرایط فیزیکی توضیح داد. زیرا آگاهی کاملاً اساسی است … تعداد کل ذهن ها در جهان یک است. در واقع آگاهی یک اسم مفرد است که جمع آن مجهول است.”
– شرودینگر

شرودینگر همچنین پوچ بودن فروپاشی تابع موج مکانیکی را با مثال گربه معروف خود نشان داد. ویگنر واضح‌تر بود و نشان می‌داد که اگر بخواهیم قوانین فیزیک را برای شخصی که اندازه‌گیری می‌کند اعمال کنیم، تناقض‌ها به وجود می‌آیند.

پائولی و بوهم عارفانی صریح بودند. فون نیومن بر اساس دیدگاه شماره 3، متنی تأثیرگذار در QM نوشت.

دلیل اینکه اکثر دانشمندان امروزه این غول‌های فکری را رد می‌کنند این است که آن‌ها از یک الگوی تقلیل‌گرایانه پیروی می‌کنند که در آن فیزیک یک سیستم بسته است و آگاهی پدیده‌ای است که توانایی تأثیرگذاری بر هر چیزی که از نظر فیزیکی واقعی است (بدون اراده آزاد) است. جهان مکانیکی است و به بهترین وجه به عنوان برهمکنش بین بسیاری (بسیاری از!) اجزای متحرک شناخته می شود که همه بر اساس قوانین ثابت هستند. این پارادایم اکثریت قریب به اتفاق تحقیقات علمی و فرضیه های علمی را در 150 سال گذشته شکل داده است، و چارچوب آن چنان سازنده است که افراد کمی تمایل به زیر سوال بردن آن دارند.

این یک سؤال مهم است – چرا آن را آزمایش نمی کنیم؟

1. یک سیستم کوانتومی راه اندازی کنید
2. اجازه دهید با یک دستگاه اندازه گیری تعامل کند که هیچ موجود زنده ای هرگز به نتیجه نگاه نمی کند.
3. این وضعیت را با همان سیستم و دستگاهی مقایسه کنید که در آن شخص نه تنها به نتیجه یک اندازه گیری نگاه می کند، بلکه بر اساس نتیجه، اقدام قطعی و کلان را در دنیای واقعی انجام می دهد.
4. اگر هوشیاری برای انقباض تابع موج لازم باشد، باید ببینیم که تابع موج در مورد (3) منقبض می شود اما در مورد (2) نه.

من به طور مفصل یکی از روش هایی که می توان این آزمایش را اجرا کرد توضیح خواهم داد. این یک چالش و یک پیشنهاد برای آزمایش‌کنندگان است – نمی‌دانم در عمل چقدر از نظر فنی آسان یا دشوار است.

با اصل مکمل بودن شروع کنید – متغیرهای کوانتومی معمولاً جفت هستند، بنابراین اگر یکی را بشناسید، تمام اطلاعات مربوط به دیگری را از دست خواهید داد. این مورد در مورد تکانه زاویه ای است که اسپین است. اگر تشخیص دهید که یک الکترون در جهت عقربه های ساعت حول محور x می چرخد، تمام اطلاعات مربوط به چرخش آن در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت حول محور y را از دست خواهید داد. توافق گسترده ای بین فیزیکدانان کوانتومی در این مورد وجود دارد. هنگامی که گفتید که الکترون در جهت عقربه های ساعت حول محور x می چرخد، در مورد نحوه چرخش آن همه چیز را گفتید. شما نه می توانید بگویید “همچنین حول محور y در جهت عقربه های ساعت می چرخد” و نه “همچنین حول محور y در خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخد” یا “حول محور y نمی چرخد”. هر یک از این گزاره ها با چیزی که شما می دانید در تضاد است و آن این است که “الکترون حول محور x در جهت عقربه های ساعت می چرخد.”

شما در مورد “الکترومغناطیس” شنیده اید. هنگامی که الکتریسیته در یک حلقه در اطراف جریان می یابد، حلقه به یک آهنربا تبدیل می شود. بنابراین نباید تعجب کنید که الکترون در حال چرخش مانند یک آهنربای کوچک عمل می کند. در یک آزمایش، می‌توانیم اسپین یک الکترون را حول محور x با قرار دادن الکترون در یک میدان مغناطیسی که در جهت x تراز شده است و تماشای حرکت آن اندازه‌گیری کنیم.

فرض کنید این کار را انجام می دهیم و نتیجه “در جهت عقربه های ساعت در جهت x” است. می‌توانیم اندازه‌گیری را با دستگاه مشابهی در مسیر حرکت الکترون تکرار کنیم. ما مطمئناً تأیید خواهیم کرد. الکترون است هنوز چرخش عقربه های ساعت در جهت x

هیچ چیز ما را از راه اندازی آزمایش بعدی که در آن میدان مغناطیسی اعمال شده در زوایای قائم است، باز نمی دارد. اجازه دهید تصور کنیم که این کار را انجام می دهیم و بنابراین تعیین می کنیم که الکترون در جهت عقربه های ساعت حول محور y می چرخد.

طبق قوانین عجیب (اما کاملاً پذیرفته شده) مکانیک کوانتومی، اکنون با اطمینان می دانیم که الکترون در جهت عقربه های ساعت حول y می چرخد، اما تمام اطلاعات مربوط به اسپین x الکترون را از دست داد. اندازه‌گیری سوم الکترون، جایی که ما چرخش محور x را می‌خواهیم، ​​به همان اندازه در “جهت عقربه‌های ساعت” یا “در خلاف جهت عقربه‌های ساعت” بیرون می‌آید.

اندازه گیری ما از چرخش y آنچه را که در مورد چرخش x می دانیم از «قطعاً در جهت عقربه های ساعت» به «احتمال 50-50 در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت» تغییر داد.

این مبنای آزمایش ما برای تعیین اینکه آیا آگاهی لزوماً بخشی از فرآیند “اندازه گیری” است یا خیر. فرضیه ما این است که بدون آگاهی هیچ اندازه‌گیری وجود ندارد، بنابراین اسپین x الکترون در جهت عقربه‌های ساعت باقی می‌ماند، حتی اگر تمام سنج‌های فیزیکی کار کنند. تنها زمانی که یک ناظر آگاه نتیجه مرحله دوم (اندازه گیری y) را متوجه شود، چرخش x حداکثر نامشخص می شود، به همان اندازه احتمال دارد در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت باشد.

بنابراین آزمایش پیشنهادی ما این است.

1. با اندازه گیری اسپین x الکترون شروع کنید.
2. یک دستگاه دوم در پایین دست راه اندازی کنید تا چرخش y را اندازه گیری کنید.
3. یا به شماره گیر نگاه کنید یا به شماره گیری دستگاهی که چرخش y را ثبت می کند نگاه نکنید.
4. سپس x spin را دوباره اندازه گیری کنید.
5. پیش‌بینی: اگر هوشیاری برای فروپاشی تابع موج ضروری باشد، در این صورت دو مورد (نگاه کردن به صفحه و نگاه نکردن) باید نتایج آماری متفاوتی داشته باشند.
   1. اگر به شماره‌گیر نگاه کنید، اندازه‌گیری سوم به همان اندازه در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت در اطراف x پیش‌بینی می‌شود.
   2. اگر به شماره‌گیر نگاه نکنید، در واقع هیچ اندازه‌گیری y انجام نشده است، بنابراین پیش‌بینی این است که اندازه‌گیری سوم همیشه باید همان نتیجه اول را بدهد.

      

بیشتر فیزیکدانان می‌گویند: «اگر می‌خواهی برو و آن آزمایش را انجام بده – من می‌دانم که چگونه خواهد شد». آنها می گویند که آیا شما به صفحه نمایش نگاه می کنید یا نه (در اندازه گیری دوم) تاثیری در نتایج اندازه گیری سوم ندارد. آنها می گویند که دستگاه قبلاً اندازه گیری را انجام داده است، چه کسی به صفحه ساعت نگاه کند یا نه. معمولاً آزمایش احتمال موفقیت کمی دارد.

بیایید به آن یک فرصت شبح مانند بدهیم. هنگامی که آزمایشگر به چرخش اندازه گیری محور y نگاه می کند، به او اجازه دهید تا در نتیجه اقدامی در دنیای واقعی انجام دهد. خلاف جهت عقربه های ساعت یعنی من برای صبحانه بیکن و تخم مرغ می خورم. در جهت عقربه های ساعت گرانولای ترد خواهم داشت. یا در خلاف جهت عقربه های ساعت امروز صبح با دوچرخه می روم سر کار، در جهت عقربه های ساعت سوار مترو می شوم. هر جفت جایگزینی از اقدامات دنیای واقعی برای این هدف کافی است، فقط با توجه به اینکه آنها پیش از زمان انتخاب شده اند و آزمایشگر از قبل متعهد می شود که با قضاوت اندازه گیری محور y مطابقت داشته باشد.

به نظر من ارزش انجام دادن را دارد. من شرط می بندم تفاوت آماری بین دو نتیجه وجود خواهد داشت، جایی که نتیجه واقعی اندازه گیری محور y در برابر شماره گیری وجود دارد که متوجه آن نمی شود. شاید، زمانی که شماره گیری مشاهده نمی شود، نتیجه در اندازه گیری محور x بعدی 60/40 باشد، در حالی که اندازه گیری کاملاً مشاهده شده 50/50 باشد.

امیدوارم کسی این چالش را بپذیرد و در واقع آزمایش را انجام دهد.