Światło, które wie, gdzie ma iść

Wstęp: Klasyczny świat vs. kwantowy absurd

Wyobraź sobie, że rzucasz piłkę tenisową w ścianę. Odbija się pod dokładnie tym samym kątem, pod którym ją rzuciłeś. To zdroworozsądkowe, newtonowskie zachowanie. Światło, jak się wydaje, robi to samo. Skieruj laser na lustro, a odbije się pod kątem kąt padania = kąt odbicia. To prawo odbicia znali już starożytni Grecy. Przez stulecia wydawało się to oczywiste i niezmienne.

Ale co, jeśli powiemy Ci, że to tylko iluzja? Że w mikroskopijnej, kwantowej rzeczywistości każdy foton (cząstka światła) tak naprawdę podąża wszystkimi możliwymi drogami naraz? Że to, co widzimy, to tylko efekt końcowy nieprawdopodobnie złożonego „głosowania” pomiędzy tymi wszystkimi ścieżkami, z których większość anuluje się nawzajem? I że niedawny, genialny w swojej prostocie eksperyment pokazał to w sposób, który może zaprowadzić nas do pytania: czy nasz wszechświat jest symulacją?

Eksperyment Veritasium: Gdy blokujesz oczywistość

W głośnym odcinku kanału Veritasium na YouTube, zatytułowanym „Something Strange Happens When You Trust Quantum Mechanics”, przeprowadzono pozornie prostą demonstrację.

1. Setup: Mamy laser, lustro i kamerę rejestrującą odbite światło. Światło zgodnie z prawem odbicia trafia z punktu A (laser) przez punkt P na lustrze do punktu B (kamera).
2. Zakłócenie: Punkt P na lustrze zakrywamy małą, czarną folią, która całkowicie blokuje światło. Zgodnie z klasycznym myśleniem, światło nie powinno już dotrzeć do kamery. Ścieżka jest zablokowana.
3. Niespodzianka: Kamera wciąż rejestruje światło! Jak to możliwe?
4. Rozwiązanie zagadki: Poniżej punktu P na lustrze znajduje się specjalna folia z tysiącami mikroskopijnych szczelin na milimetr (siatka dyfrakcyjna). Gdy główna, „klasyczna” ścieżka jest zablokowana, fotony „wykorzystują” inne, alternatywne ścieżki. Przechodzą przez obszary folii obok punktu P, uginają się na szczelinach i interferują ze sobą, by finalnie… mimo wszystko dotrzeć do detektora.

To nie jest magia. To mechanika kwantowa w czystej postaci.

Genialna intuicja Richarda Feynmana: Wszystkie możliwe ścieżki

Klucz do zrozumienia tego zjawiska dał nam noblista Richard Feynman i jego formalizm całek po trajektoriach.

Feynman zasugerował, że aby przewidzieć, gdzie trafi foton (lub jakakolwiek inna cząstka kwantowa), musimy wziąć pod uwagę wszystkie możliwe ścieżki prowadzące od źródła do detektora. I to dosłownie wszystkie: nawet te absurdalne, które lecą najpierw na Księżyc, zataczają pętlę wokół twojej głowy i dopiero potem docierają do celu.

• Każdej z tych nieskończonych ścieżek przypisuje się amplitudę prawdopodobieństwa (obiekt matematyczny zawierający informację o fazie).
• Te amplitudy interferują ze sobą. Dla ogromnej większości ścieżek interferencja jest destruktywna – nawzajem się znoszą, prowadząc do zera.
• Tylko dla wąskiego zestawu ścieżek bardzo podobnych do ścieżki klasycznej (tej z prawa odbicia) interferencja jest konstruktywna – amplitudy się wzmacniają.

To, co widzimy gołym okiem, to właśnie ten końcowy, wzmocniony efekt. Reszta „obliczeń” natury pozostaje dla nas niewidoczna. Eksperyment Veritasium pokazuje, że gdy usuniemy tę „optymalną” ścieżkę, natura natychmiast znajduje inne zestawy ścieżek, których interferencja staje się konstruktywna, pozwalając światłu znaleźć nową, alternatywną drogę.

Spekulacje: Czy to dowód na Symulację?

I tutaj wkraczamy na grząski grunt filozofii i spekulacji. Czy takie zachowanie świata kwantów może sugerować, że żyjemy w symulacji komputerowej?

Argumenty ZA (Dlaczego to pasuje do hipotezy symulacji):

1. Optymalizacja Mocy Obliczeniowej: Pomysł Feynmana wygląda genialnie z punktu widzenia programisty. Zamiast renderować każdą cząstkę w każdym detalu (co wymagałoby niewyobrażalnej mocy obliczeniowej), „symulator” pozwala cząstkom „próbować” wszystkich ścieżek, a następnie wybiera tylko efekt końcowy – tę jedną ścieżkę, którą ostatecznie obserwujemy. Reszta „obliczeń” (destruktywna interferencja) się anuluje i nie musi być „renderowana” w makroskali. To bardzo ekonomiczny i elegancki „algorytm”.
2. Kwantowa Nieokreśloność jako „Leniwe Renderowanie”: W hipotezie symulacji własności cząstek kwantowych nie są określone do momentu pomiaru (kolaps funkcji falowej). Można to porównać do techniki w grach komputerowych, gdzie szczegóły lasu renderują się dopiero wtedy, gdy gracz na nie spojrzy. Przed tym są tylko „potencjalne stany”, oszczędzające moc obliczeniową.
3. Dyskretność: Fizyka kwantowa pokazuje, że wiele właściwości wszechświata jest skwantowanych, czyli dyskretnych (energia, ładunek, moment pędu). Świat wydaje się być cyfrowy, a nie analogowy, co jest łatwiejsze do zasymulowania na komputerze.

Argumenty PRZECIW (Dlaczego to NIE jest dowód):

• Model to nie Rzeczywistość: Formalizm Feynmana to przede wszystkim model matematyczny, który niezwykle skutecznie opisuje obserwacje. Fakt, że coś da się opisać za pomocą obliczeń, nie oznacza, że te obliczenia są fundamentem rzeczywistości. To tylko nasz, ludzki, sposób na jej opisanie. Mapa to nie teren.
• Inne Wyjaśnienia: Równie intrygujące jest spojrzenie, że zasada działania (lub całki po trajektoriach) jest po prostu fundamentalną, inherentną cechą rzeczywistości, a nie koniecznie kodem napisanym przez programistę. To po prostu „sposób, w jaki Wszechświat działa”.

Podsumowanie: Piękno tajemnicy

Eksperyment zaprezentowany przez Veritasium nie dowodzi, że żyjemy w symulacji. Ale stanowi dla tej hipotezy jeden z najpiękniejszych i najbardziej intuicyjnych argumentów. Pokazuje, że świat w swojej najmniejszej skali zachowuje się tak, jakby był obliczany na bieżąco.

Niezależnie od tego, czy jest to dowód na symulację, czy po prostu objaw głębokiej, niepojętej dla nas natury rzeczywistości, jedno jest pewne: świat jest o wiele dziwniejszy, bardziej magiczny i cudownie absurdalny, niż moglibyśmy to kiedykolwiek podejrzewać, patrząc na odbijającą się piłkę tenisową.

Być może ostateczną odpowiedź poznamy, gdy nasz własny poziom zaawansowania technologicznego pozwoli nam… stworzyć taką symulację samemu. A wtedy to my będziemy bogami dla cyfrowych istot, które będą się zastanawiać, dlaczego ich światło zachowuje się tak, a nie inaczej.