Appendiks 5: Mere om tolkningen af kvantemekanik

Transkript

1 Appendiks 5: Mere om tolkningen af kvantemekanik Selv om man er amatør har man naturligvis lov til at forsøge at tilfredsstille sin egen forskertrang. Jeg synes for eksempel, at det er meget spændende at filosofere over kvantemekanikkens sandsynlighedsbegreb og den problematik, jeg var inde på i slutningen af kapitel 9: hvad betyder det helt konkret, at der er sandsynligheden P = x for at finde en partikel her og sandsynligheden P = y for at finde den dér? Og hvilken af de tre fortolkninger af kvantemekanikken Københavner- (F Kbh ), mangeverdens- (F mv ) og mangebevidstheds- (F mb ) er den mest korrekte? Jeg vil forsøge at besvare det sidste spørgsmål først. Dels er det det enkleste, dels er det en forudsætning for besvarelsen af det første. Mange vandreture i Småland og nattespekulationer på Amager har efterhånden fået mig til skønt indfødt københavner at forkaste F Kbh til fordel for F mb. Københavnerfortolkningen er strengt taget ikke nogen fortolkning, men mere et skilt med påskriften Ingen adgang!. Den bygger på et postuleret fænomen, bølgefunktionens kollaps, der hverken er funderet i observation eller teori. F Kbh s fortjeneste er, at den har gjort det muligt at holde kvantemekanikkens sti ren, ved at fungere som skjold mod angrebene fra de konservative fysikere med deres skjulte variabler, indtil dekoherens og mangeverdensfortolkning kunne tilbyde et mere velunderbygget alternativ. På mig som på mange andre virker F mv imidlertid alt for ekstravagant. Den fungerer fint, så længe vi har at gøre med få, skarpt adskilte udfald, men hvad nu når udfaldsrummet nærmer sig et kontinuum? Det er let at forholde sig til dobbeltspalteeksperimentet, når vi blot ser på, om en elektron passerer gennem højre eller venstre spalte. Vel opstår der to instanser af universet, men det er til at forholde sig til. Helt anderledes bliver det, hvis vi begynder at interesserer os for, hvor på detektorskærmen elektronen sætter sin prik. Elektronens endestation er jo også givet ved en kvantemekanisk sandsynlig, det er netop to bølgefunktioners sandsynlighedsfordelinger, der giver anledning til dannelsen af et interferensmønster. Nu er antallet af udfald ikke længere 2, men et eller andet helt uhyrligt tal. Vil vi virkelig påstå, at der opstår en forgrening af hele universet for hvert af disse ubeskriveligt mange udfald, sådan som F mv hævder? Det er i situationer som denne, at det noget tågede begreb, fysisk intuition, vågner til dåd og får os til at trække i håndbremsen. Og den gør det på basis af et andet lige så tåget begreb, nemlig æstetik 1. En ting, vi har lært igennem mange års observation af universet, er, at dets opbygning i vid udstrækning er præget af en elegant sparsommelighed. Kvantemekanikken er et af de smukkeste eksempler på dette. Skal en elektron passere gennem den ene eller den anden spalte? Skal en foton vekselvirke med omgivelserne her eller der? Der ofte et væld af muligheder, men ingen objektiv ingen matematisk begrundelse for, at én mulighed skal udvælges og ophøjes til virkelighed. Ergo sker der ikke nogen udvælgelse! Det fysiske system i sin yderste konsekvens hele universet forbliver i en overlejring af alle de fysisk mulige tilstande, således at alle tilstandene på det dybeste niveau realiseres. Det er denne økonomiske elegance, der spoleres af mangeverdensfortolkningen, og erstattes af en grænseløs ødselhed. F mv hænger sammen matematisk set, men den er uæstetisk. Sådan er det ikke med mangebevidsthedsfortolkningen. Her består elegancen, universet forbliver i en overlejring af tilstande, vi forbliver i en overlejring af tilstande, vores hjerner forbliver i en overlejring af tilstande. Det er kun den subjektive, bevidste oplevelse, der forgrenes. Dette er meget lettere at håndtere, som vi skal se i det følgende, hvor jeg vil forsøge at analysere 1 I virkeligheden er det selvfølgelig vores højre hjernehalvdel, der har set nogle strukturer og sammenhænge, som den venstre hjernehalvdel ikke rigtig har øje for, jfr. diskussionen i kapitel 14 i relation til corpus callosotomi og Giuseppe Archimboldos malerier. 316

2 det kvantemekaniske sandsynlighedsbegreb ud fra F mb og sætte det i relation til observation og bevidsthed. Men husk, at alt dette er mere filosofi end fysik og mere leg end forskning. Analysen opsplittes i fire dele: 1. Uendelige udfaldsrum. 2. Skæve udfaldsrum. 3. Synkronisering mellem bevidste observatører. 4. Bevidsthed og kvantemekanisk overlejring. Forsøgsopstillingen, som vi skal benytte, er det efterhånden klassiske dobbeltspalteeksperiment: min kollega, Ane, og jeg selv har et katodestrålerør, fra hvilket der sendes elektroner i retning af en skærm med to spalter. Om nødvendigt kan vi tænde for detektorer i spalterne og derved registrere, hvilken af spalterne en given elektron passerer. På den anden side af spalteskærmen er der en detektorskærm, der med en lille lysprik viser, hvor hver enkelt elektron træffer den. Resultatet af forsøget kender vi efterhånden så godt, at vi kan recitere det i søvne: uanset om vi sender elektronerne af sted i en tæt strøm eller enkeltvist, vil der på detektorskærmen opbygges et interferensmønster, hvis detektorerne i spalterne er slukkede. Når spaltedetektorerne tændes, forsvinder interferensmønstret. Analyse, del 1: Uendelige udfaldsrum. Ane og jeg står og betragter interferensmønstret på detektorskærmen (fig. 1). Ane: Har du tænkt på, at interferensmønstret også viser sandsynlighedsfordelingen for hver enkelt elektrons kollision med skærmen? Jeg: Selvfølgelig. Det er jo det, der har givet mig alle mine grå hår! Hver enkelt elektron kunne have ramt skærmen trillioner af forskellige steder. Det betyder, at der må være trillioner af trillioner af instanser af os to, der står og ser på skærmen, for hver position af elektronen må give anledning til en bevidst oplevelse. Ane (med et lille smil): Så slemt behøver det ikke være. Det er rigtigt, at udfaldsrummet for hver elektron er næsten uendeligt, men det behøver ikke betyde, at din bevidsthed multipliceres ad infinitum. Jeg: Hvad mener du?! Det er da netop det, der er essensen i mangebevidsthedsfortolkningen! Fig. 1. Interferensmønster opbygget af elektroner, der passerer en dobbeltspalte. Fig. 2. Udpegning af tre forskellige træfpunkter for en elektron. Ane: Nej, ikke helt. Hun peger med en brun finger tre steder på skærmen (fig. 2). Hvis vi nu forestiller os, at den første elektron kunne ramme skærmen her, her eller her, så ville der måske nok i observationsøjeblikket opstå en bevidsthedsinstans for hver mulighed. Men husk, at det kun er din subjektive opfattelse, der splittes. Din hjerne befinder sig stadig i en overlejring af tilstande, sådan som den altid gør selv om du er en mand og derfor ikke kan multitaske. Og læg mærke til dette: de tre bevidsthedstilstande kan ikke skelnes fra hinanden! Med mindre du på forhånd har besluttet, at du vil handle forskelligt afhængigt af, hvilket af de tre punkter elektronen rammer, vil dine tre bevidsthedsinstanser lynhurtigt klappe sammen og blive til én igen. 317

3 Jeg: Jeg forstår hvad du mener! De tre bevidsthedsinstanser har samme fremtid; efter det korte split i observationsøjeblikket vil de igen være ens. Ane: Netop! Jeg (mens jeg tænksomt klør mine grå hår): Men så kan der jo alligevel opstå myriader af instanser. Jeg kan jo have forberedt en liste med forskellige handlinger for hver af elektronens mulige ankomstpositioner. Der er jo ikke kun tre, men trillioner. Ane (med et lettere overbærende udtryk): Ja, men du forestiller dig vel ikke, at du kunne forberede så mange forskellige handlinger? Ti måske, eller hundrede, men da ikke trillioner! Det er jo det smukke ved mangebevidsthedsfortolkningen. Opsplitningen i instanser kræver en bevidst observation, og i praksis er det meget begrænset, hvor mange bevidste observationer, der kan forekomme. Jeg: Du har som sædvanlig ret Ane: Selvfølgelig! Jeg: Man skal hele tiden huske på, at den kvantemekaniske overlejring vedrører de neurale aktivitetsmønstre, der giver ophav til qualia (kapitel 14) og dermed bevidstheden. Elektronposition A afspejles måske i en tilstandsoverlejring, vi kan kalde T A, og elektronposition B i en overlejring, T B, men T A og T B overlever ikke som selvstændige tilstande, fordi de ikke giver anledning til nogen forskelle i de efterfølgende aktivitetsmønstre. Vel kan der forekomme forskellige efterfølgere, men ikke nær så mange som i mangeverdensfortolkningen. Ane: Var det ikke lige det, jeg sagde? Analyse, del 2: Skæve udfaldsrum. Jeg: Men når nu du er så klog, kan du så også redegøre for, hvordan vi skal forholde os til de situationer, hvor hændelser har forskellige sandsynligheder? Ane: Du tænker på sådan noget med, at der er 70 % chance for at finde en elektron her, men kun 30 % chance for at finde den der? Jeg: Lige netop. Hvordan kan det afspejles i bevidsthedsinstanserne? Der vil jo være en instans for hvert udfald. Selv hvis der er et udfald, der kun har en sandsynlighed på en trilliontedel procent, vil der være en bevidsthedsinstans, der oplever det. Hvori består så forskellen i sandsynlighed? Ane (struttende af selvsikkerhed): Det tror jeg godt, jeg kan forklare, men så skal jeg lige låne din mønstergenerator. Jeg rækker Ane en lille tingest, jeg for nyligt har lavet. Den er meget simpel, består bare af en skærm med 9 gange 7 kvadratiske felter (fig. 3). Når man trykker på knappen oven på den, bliver hvert felt blåt med en sandsynlighed på 50 %. Fig. 3. Min mønstergenerator før aktivering. Ane tager generatoren, trykker på knappen og viser mig resultatet (fig. 4). Fig. 4. Anes første billede på mønstergeneratoren. Jeg: Hvordan gjorde du det?! Du har pillet ved min mønstergenerator! Det er fuldstændig umuligt, at det mønster skulle opstå tilfældigt! 318

4 Ane (med et glimt i øjet): Det er overhovedet ikke umuligt, sandsynligheden er bare meget lille sådan nærmere betegnet 1 til Jeg: Ja, og 2 63 er Det kan ikke lade sig gøre. Du har pillet, din drillepind. Ane (mens hun leende skraber et stykke tape af bagsiden af mønstergeneratoren): OK, jeg fandt en mikrochip, der kan påvirke tilfældighedskredsløbet i din mønsterdims. Nu virker den, som den skal. Ane trykker på knappen nogle gange og viser mig mønstergeneratorens billeder (fig. 5). Ane: Er du mere tilfreds nu? Jeg: Meget! Ane: Hvorfor egentlig? Hvad er sandsynligheden for hvert af de nye mønstre, jeg har vist dig? Jeg: Den er øhhh 1 til 2 63 Fig. 5. Seks ægte billeder fra mønstergeneratoren. Ane: Netop! Hvorfor brokker du dig så ikke over dem? Jeg: Hmmm. Fordi de i modsætning til 42 ikke giver nogen mening og derfor er lettere at acceptere som tilfældige. Ane: Ja, og det er netop ét aspekt af sandsynlig kontra usandsynlig. Du placerer uvilkårligt alle de meningsløse mønstre i en fælles pulje, fordi du ikke rigtig kan skelne dem fra hinanden. Der er millionvis af meningsløse mønstre for hver gang, der er ét, der giver mening. Jeg: Så det, du siger, er, at vores opfattelse af sandsynligheder og specielt dem, der er overordentlig små på en måde afhænger af vores forventninger? Ane: Præcis. Og netop i mangebevidsthedsfortolkningen giver denne kobling mening. Det skæve udfaldsrum giver sig til kende i, at der er enormt mange instanser, der i objektiv forstand er forskellige, men som ikke kan forblive adskilte, fordi de, som du selv sagde før, ikke har forskellige fremtider. Jeg: Men der vil stadig være en instans af os to, der ser 42 eller et andet meningsfyldt mønster, når du trykker på knappen. Ane: Selvfølgelig. Men der også mennesker, der vinder den store gevinst i lotterier eller bliver ramt af meteoritter. Jeg (eftertænksomt nikkende): Joh, det kan jeg godt se. Men det, jeg har svært ved at forlige mig med, er, at der også vil være instanser, der oplever det helt ekstremt usandsynlige. Ane: Som for eksempel? Jeg: Ja, for eksempel at den næste elektron, der udsendes fra vores katode, ikke rammer detektorskærmen, men dukker op i Andromedagalaksen. Bølgefunktionen, der beskriver elek- 319

5 tronens bevægelse, dækker jo faktisk hele universet. Det er ikke umuligt, at elektronen et sekund efter, at vi har sendt den af sted, bliver registreret af fysikeren Yx et eller andet sted i Andromeda. Ane: Næh, og hvad så? Jeg (lettere irriteret): Ja, så er der instanser af os og af Yx, der oplever noget, der er så usandsynligt, at det stadig ville forekomme mirakuløst, selv efter at vi havde udsendt millioner af elektroner hvert eneste sekund i milliarder af år! Ane (en anelse overbærende): Hvordan skulle vi dog kunne opleve det?! Du og jeg kan da umuligt vide, om en af vores elektroner dukker op i Andromedagalaksen! Alt, hvad vi ville se i den situation, er blot, at der er en elektron, der ikke rammer detektoren. Og din hr. Yx ville heller ikke have nogen som helst mulighed for at vide, at en elektron, han registrerer, kommer fra os. Jeg (efter nogle sekunders skamfuld tøven): Du har ret igen. Mangebevidsthedsfortolkningen sorterer alle disse mirakler fra, for selv om de i princippet er fysisk mulige og derfor må indtræffe, lader de sig ikke observere. Og observerbarhed er netop kernen i F mb. Ane: Jep. Du begynder så småt at forstå kvantemekanikken. Jeg (med et lidt udfordrende tonefald): Men du har stadig ikke rigtig forklaret, hvad det i kvantemekanisk sammenhæng betyder, at der er en sandsynlighed på P = x, for at en eller anden hændelse indtræffer. For eksempel at en elektron rammer et bestemt område af skærmen, eller at et radioaktivt atom henfalder. Ane: Jo, skat, det har jeg. Du skal tænke i F mb -baner. Hvis der for eksempel er en sandsynlighed på 0,2 for, at et eller andet radioaktivt atom henfalder inden for et sekund, betyder det, at en bevidst observatør vil forvente at se ca. 20 atomer henfalde på et sekund, hvis han har 100 atomer. Man kan sige, at hver observatør trækker et kausalt spor igennem universets overlejring af tilstande, og det er i disse kausale spor, at sandsynlighederne giver mening. Jeg (lidt skeptisk): Hm. Jeg er ikke sikker på, at det står lige så lysende klart for mig som for dig skat. Og hvordan vil du egentlig sikre, at flere observatører, der observerer den samme hændelse, altid befinder sig på samme kausale spor? Når du og jeg står og ser på de detektorer, der viser, hvilken spalte en elektron har passeret, er vi altid enige om, hvilken af dem der lyser og siger bip. Selv om der må være en instans af os begge for hver spalte. Der er en Ane, der siger Højre spalte, og en der siger Venstre spalte. Og der er en mig, der siger Højre spalte, og en der siger Venstre spalte. Hvad er det, der synkroniserer vores observationer? Analyse, del 3: Synkronisering mellem bevidste observatører. Ane: Tænk på forsøgene med sammenfiltrede elektroner, der udsendes i modsatte retninger fra samme kilde. De kan begge enten have spin-op eller spin-ned, men uanset hvad vil deres spin altid være modsatrettet. Det er lidt på samme måde med elektronen, der passerer gennem begge spalter i vores dobbeltspalteeksperiment. Den kan vekselvirke med en detektor i højre spalte og en detektor i venstre spalte, men i et givet spor i den universelle overlejring af tilstande finder vekselvirkningen altid sted enten i den ene spalte eller i den anden aldrig i dem begge. Elektronens vekselvirkninger med omgivelserne er korrelerede ligesom de to spinretninger. Elektron og detektor bliver en del af samme fysiske system, og via detektoren bliver du og jeg også en del af dette fysiske system. Vi bliver så at sige alle låst fast i samme overlejringsspor. 320

6 Jeg: Hm, det lyder besnærende, men jeg er ikke 100 % overbevist om, at dine argumenter holder hele vejen igennem. Og hvordan er det i det hele taget, at der ud fra de kvantemekaniske overlejringer, der jo ifølge mangebevidsthedsfortolkningen er det eneste, der virkelig eksisterer, kan opstå specifikke bevidsthedsoplevelser? Vi arbejder jo ud fra en materialistisk opfattelse af bevidsthed som rent fysisk. Burde vi så ikke opleve selve overlejringerne? Analyse, del 4: Bevidsthed og kvantemekanisk overlejring. Ane (med næsten himmelvendte øjne): Nej, kære, ved du nu hvad! Det er jo nærmest selvindlysende. Se nu her. Ane tager en planche op af en skuffe og rækker mig den (fig. 6). Ane: Hvad siger den filosofi, du kalder materialisme om bevidsthedens fysiske basis? Jeg: At bevidsthed er den subjektive oplevelse af qualia. Ane: Nemlig. Her på planchen ser vi et dobbeltspalteeksperiment. Den fysiske opstilling er vist på A. Den eksisterer som en overlejring af to tilstande: én, hvor elektronen passerer venstre spalte, og venstre lampe lyser op, og én, hvor elektronen passerer højre spalte, og højre lampe lyser op. Jeg: Selvfølgelig. Set fra universets synspunkt passerer elektronen begge spalter, og eftersom vi er tilhængere af mangebevidsthedsfortolkningen, er der ikke nogen kollaps af bølgefunktionen. Den fysiske virkelighed består kun af overlejringen. Ane: Ja, og derfor findes CP-cellernes aktivitetsmønster i dine nethinder også kun som en overlejring af to tilstande: én svarende til, at du ser venstre lampe lyse, og én svarende til, at du ser højre lampe lyse. Det er vist på B. Fig. 6. Fra overlejret fysisk virkelighed til specifik bevidst oplevelse. Jeg: Og C er så overlejringen af de resulterende aktivitetsmønstre i min visuelle cortex, og D er overlejringen af de mikromønstre, vi forestiller os er den fysiske basis for qualia. Ane: Ser du det så stadig ikke? Hvert quale giver jo anledning til en bevidst oplevelse. I eksemplet her er der to qualia, som nærmest pr. definition derfor må give anledning til to bevidste oplevelser. I virkeligheden er det ikke spor mere underligt, at de overlejrede qualia skaber hver sin bevidste oplevelse, end at du og jeg har hver vores bevidsthed. Jeg: Hmmm. Jeg tror, jeg så småt begynder at ane, hvordan tingene hænger sammen. Ane: Ha, ha. 321