Ефектът на наблюдателя: котката на Шрьодингер и експериментът с двата процепа в квантовата физика и в обичайния живот

За да наблюдаваме даден електрон, ние сме принудени да го „осветим“, т.е. да изпратим към него поток от фотони, тоест частици светлина. Това е най-малкото въздействие, което можем да окажем върху електрона. Фотоните взаимодействат с него и неизбежно променят неговите характеристики. Освен това, тази промяна ще бъде толкова по-голяма, колкото по-точно е нашето измерване, т.е. колкото по-силно е нашето въздействие. Ето защо след наблюдение електроните започват да се държат по различен начин.

Въпросът как един електрон “разбира”, че е наблюдаван и защо променя “поведението” си, изглежда е един от най-трудните за разбиране в квантовата механика.

Експериментът с двата процепа

Ефектът на наблюдателя в квантовата физика

Ефектът на наблюдателя в лингвистиката

Ефектът на наблюдателя в психологията

Ефектът на наблюдателя в социологията

Ефектът на наблюдателя при работа с данни

Знаейки че са наблюдавани, хората започват да се държат по-различно, отколкото обикновено. Същото се случва и с електроните.

Критика към ефекта на наблюдателя

Мисловният експеримент с котката на Шрьодингер

В квантовата механика “наблюдателят” е измервателно устройство, което фиксира дадено явление. Най-известните примери за “ефекта на наблюдателя” във физиката са мисловният експеримент с котката на Шрьодингер и експериментът с двата процепа на Томас Йънг.

В социолингвистиката терминът „парадокс на наблюдателя“ (observer’s paradox) е въведен от лингвиста Уилям Лабов (William Labov). Той е забелязал, че носителите на роден език, общувайки с лингвисти и знаейки, че тяхната реч ще бъде използвана в изследвания, несъзнателно я изкривяват: те започват да говорят официално и неестествено. А именно естествената неизкривена реч е нужна на изследователите. По този начин, наблюдателят влияе върху получените данни: ако той не присъства, ораторът би използвал обичайния си народен език.

Влиянието на наблюдателя върху резултатите от експериментите все още е спорно. Учените критикуват както самия термин “наблюдател” (в края на краищата, ние не винаги говорим за човек наблюдател, често “наблюдателят” е инструмент или устройство), така и концепцията за “въздействие”, под което понякога се разбира почти телепатично влияние. Освен това съществуват известни съмнения в доказателствата за съществуването на ефекта на наблюдателя, например при експериментът с двата процепа.

Дори когато условията на труд са били трудни и непознати, работниците във фабриката са поддържали своята производителност, а в някои случаи дори ставали по-ефективни. Изследователите са стигнали до заключението, че поведението на работниците се е повлияло положително от присъствието на наблюдателите и разбирането, че участват във важен експеримент. С други думи, хората са променили поведението си, защото са били наблюдавани. Този феномен по-късно е бил наречен „ефектът на Хоторн“ (Hawthorne effect).

Друго интересно проявление на този феномен е така наречения вторичен ефект на наблюдателя.

Експериментът с двата процепа е извършен от английския учен Томас Йънг за първи път през 1803 г. Той го демонстрира като потвърждение, че светлината е вълна, а не поток от частици (корпускули). Впоследствие експериментът на Йънг е повторен от други учени с различни обекти: електрони, отделни фотони и молекули.

Ефектът от влиянието на експериментатора върху изследваното явление (например върху човешкото поведение на работното място) се потвърждава от събраните научни данни. Но изследванията все още са недостатъчни, за да се направят точни заключения за причините и степента на това влияние. Напълно е възможно, както при плацебото и ноцебото, ефектът на наблюдателя да не е хомогенен феномен, а да представлява няколко взаимосвързани явления.

За една от най-ранните прояви на ефекта на наблюдателя в социалната психология се смята експериментът във фабрика на Western Electric в Съединените щати. Група учени, водени от психолога Джордж Елтън Мейо (George Elton Mayo), са променяли условията на работа във фабриката, опитвайки се да разберат кои от тях имат най-голямо влияние върху производителността. Експериментът се е провел на няколко етапа и е продължил 8 години.

И в двата случая сработва ефектът на наблюдателя. Този ефект е добре познат в квантовата механика: в зависимост от присъствието или отсъствието на наблюдател, електроните се държат по два начина – или като частици или като вълни.

Изследователите все още нямат консенсус по дадения въпрос и досега си задават въпроси от рода при какви условия той възниква и до какви мащаби може да достигне. През 2013 г. учени са прегледали 19 изследвания с данни за този феномен. Те посочват, че въпреки че действително се наблюдават прояви на ефекта на Хоторн, събраният материал не е достатъчен, за да се направят еднозначни заключения.

Именно за да сведат до минимум изкривяванията и да заобиколят „парадокса на наблюдателя“, учените използват специални трикове: например наблюдават тайно или дават фалшиви изследователски цели на носителите на езика.

Как работи “ефектът на наблюдателя” в експеримента на Йънг: ако няма наблюдател, тогава електроните, преминаващи през два процепа, се държат като вълни. Когато се появи наблюдател и се опитва да определи през кой от процепите са прелетели електроните, те започват да се държат като частици.

Когато различни изследователи избират и обработват данни, всеки от тях използва свои собствени методи. Но дори относително безобидни различия на етапа на подбор могат да доведат до различни резултати от анализа на едни и същи данни. Този ефект пряко или косвено се създава от самите изследователи. Например ако в масив от данни информацията за един период е била погрешно включена в друг и публикувана в публичното пространство, то изследователят може да не обърне внимание на това или да не провери повторно информацията на база други източници. По същия начин различни програми, които използват един и същ метод за анализ, могат да доведат до малки, но значителни отклонения.

Мисловният експеримент с котката е предложен през 1935 г. от австрийския физик-теоретик Ервин Шрьодингер. Много опростено, той звучи така: котка е заключена в стоманена кутия – заедно със смъртоносен механизъм, който се активира при разпада на радиоактивен атом в нея. Ако атомът се разпадне в рамките на един час, механизмът ще сработи и котката ще умре. Но има 50% вероятност, че за един час атомът да не се разпадне и тогава котката ще остане жива.

Много по-неприятна проява на ефекта на наблюдателя е така наречения „паноптикум“ или, в съвременната му интерпретация, „общество под наблюдение“. (surveillance society).

Ние можем да разберем дали котката е жива, или мъртва само когато отворим кутията. До този момент котката, подобно на радиоактивния атом, съществува и в двете състояния едновременно: тя е жива и мъртва едновременно. От битова гледна точка това звучи доста парадоксално, но в квантовата механика това е често срещано явление, когато една физическа система се намира едновременно в няколко квантови състояния.

Но той може да се открие и в други области като социологията, психологията, лингвистиката и компютърните науки. Гледайки всеки обект в света около нас, ние сме убедени, че този обект остава същият – независимо къде, кога и как го гледаме. Твърдението, че времето и начинът, по който го гледаме, променят външния му вид или свойствата му, звучи абсурдно в ежедневието. Но не и в науката.

Но фабричният експеримент е помогнал на психолога Майо да формулира своята доктрина за човешките отношения. Един от основните й принципи е важността на сътрудничеството между ръководството и служителите. Мейо е вярвал, че междуличностните отношения пряко влияят върху производствения процес и производителността. Сега вече доктрината за човешките отношения се преподава в качеството на академична дисциплина в училищата за бизнес и мениджмънт.

Някои от технологичните компоненти на „обществото под наблюдение”: програми за лоялност в търговията на дребно, „бисквитките“ на уебсайтовете, националните системи за идентификация, плановите медицински прегледи и др., не предизвикват остра негативна реакция в мнозинството. Но от друга страна ефектът им върху поведението на хората не е добре изучен, за да говори за положителен ефект, в който е вярвал Бентъм.

Обичайното обяснение е, че квантовите частици (електрони, атоми или молекули) са толкова малки, че всякакви измервателни уреди неизбежно оказват влияние върху тях. И това не е технически проблем, а фундаментален – природата е устроена така, че ние по никакъв начин не можем да отстраним това влияние. Със самия факт на измерване ние променяме състоянието на квантовия обект.

Освен това преди да се опитваме да въведем наблюдателя и да обявим, че той по определен начин влияе върху резултатите от експериментите, е наложително да се посочи как той упражнява това влияние. Ако наблюдателят седи в съседната стая и просто си мисли „през кой процеп е прелетяла частицата?“, мислено представяйки си полета на тази частица или даже медитирайки върху нея, то това по никакъв начин няма да повлияе на поведението на частицата. Но ако нашият наблюдател се опита да измери състоянието и с помощта на някакво устройство, тоест ако има малко, но реално физическо въздействие върху нея, тогава частицата определено ще се държи по различен начин.

Понякога ефектът на наблюдателя е просто следствие от неправилното използване на измервателните уреди или грешките на изследователя. Той изчезва, ако използвате по-ефективни инструменти или промените методите на наблюдение, пише futurist.bg.

През 18-ти век английският философ Джеръми Бентъм предлага утопична структура „паноптикум“ (от гръцки – „всевиждащ“), предназначена да коригира нарушителите – в своята всъщност проект за идеален затвор. Според неговия план затворниците е трябвало да се намират в кръгла сграда с напълно прозрачни килии. Те обаче не трябвало да виждат охраната и да знаят дали ги наблюдават или не. Според Бентъм усещането за постоянен контрол се създава от пълната откритост и кулата на надзирателя, разположена точно в центъра на кръга. Той бил сигурен, че ако човек мисли, че е постоянно наблюдаван, той променя поведението си към по-добро.

При събиране и анализиране на данни учените предлагат този ефект задължително да се взема предвид, тъй като дори при малки отклонения в резултатите, последствията могат да бъдат значителни.

Съвременните изследвания не потвърждават напълно идеята на Бентъм: така например компаниите, които са инсталирали устройства за наблюдение на служителите на работното им място, са забелязали след това рязко увеличение на текучеството на служителите, но не и подобряване на работния климат. Също така изследване е показало, че ако студенти са били уверени, че техните публикации и чатове се следят от служителите на учебните заведения, те променяли стила си на писане и обхвата от теми, обсъждани при общуване в социалните мрежи.

Така например австрийски физици са провели експеримента с двата процепа с молекулярното съединение фулерен. Те установили, че молекулата на фулерена има същата двойна природа както електрона, но за да се прояви тя, фулеренът не се нуждаел от присъствието на „наблюдател“. Първоначално фулереновите молекули се държали като вълни, показвайки само една от характеристиките си. След това те започнали постепенно да се нагряват и да се държат като частици. Това се случвало, тъй като нагретите молекули започвали да излъчват инфрачервено лъчение, по което по принцип се оказало възможно да се определи през кой конкретен процеп е прелетяла тази или онази молекула. Оказало се, че преходът от вълнови свойства към корпускулярни не изисквало присъствие на наблюдател.

Тези състояния се наричат суперпозиции: при отсъствие на наблюдател, котката, която седи в кутията, е в суперпозиция на състояние „жива“ и състояние „мъртва“, точно както електронът от експеримента с двата процепа, описан по-горе, може да премине през тях едновременно. Но ако наблюдателят се намеси, т.е. физически въздейства на системата, тогава котката и електронът ще преминат в едно определено състояние. Така на микро ниво самият факт на измерване “принуждава” обекта да избере конкретното състояние.

Учените от Израелския научния институт Вайцман (Weizmann Institute of Science), повтаряйки експеримента, са открили, че ако променят параметрите на устройството за наблюдение, карайки го да „вижда“ повече или по-малко електрони, то и поведението на тези електрони също се променя. В микрокосмоса всеки опит за наблюдение или измерване променя цялата квантова система.