May the universe in some strange sense be brought into
being by the participation of those who
The vital act is the act of participation Participator is
the incontrovertible new concept given by quantum me-
chanics It strikes down the term observer of classical
theory, the man who stands safely behind the thick glass
wall and watches what goes on without taking part It
can t be done, quantum mechanics says
The languages of eastern mystics and western physicists are
becoming very similar
Newtonian physics and quantum mechanics are partners in
a double irony Newtonian phvsics is based upon the idea of
laws which govern phenomena and the power inherent in
understanding them but it leads to impotence in the face of a
Great Machine which is the universe Quantum mechanics is
based upon the idea of minimal knowledge of future phenomena
(we are limited to knowing probabilities) but it leads to the
possibility that our reahtv is what we choose to make it
There is another fundamental difference between the old
physics and the new physics The old phvsics assumes that
there is an external world which exists apart from us It fur-
ther assumes that we can observe measure and speculate
about the external world without changing it According to
the old physics the external world is indifferent to us and to
our needs
Galileo s historical stature stems from his tireless (and
successful) efforts to quantify (measure) the phenomena of the
external world There is great power inherent in the process
of quantification For example once a relationship is discovered
like the rate of acceleration of a falling object it matters not
who drops the object what object is dropped or where the
dropping takes place The results are always the same An
experimenter in Italv gets the same results as a Russian
experimenter who repeats the experiment a centurv later
The results are the same whether the experiment is done bv a
skeptic, a believer, or a curious
Facts like these convinced philosophers that the physical
universe goes unheedmglv on its way doing what it must,
without regard for its inhabitants For example, if we simulta-
neously drop two people from the same height, it is a verifiable
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30 / WU
(repeatable) fact that they both will hit the ground at the same
time, regardless of their weights We can measure their fall,
acceleration, and impact the same way that we measure the
fall, acceleration and impact of stones In fact, the results will
be the same as if they
"But there is a difference between people and stones'' you
might say 'Stones have no opinions or emotions People have
both One of these dropped people, for example,
frightened by his experience and the other might be angry
Don't their feelings have any importance in this
No The feelings of our subjects matter not in the least
When we take them up the tower again (struggling this time)
and drop them off again, thev fall with the same acceleration
and duration that thev did the first time, even though now, of
course, they are both fighting mad The Great Machine is
impersonal In fact, it was precisely this impersonality that
inspired scientists to strive for 'absolute objectivity "
The concept of scientific objectivity rests upon the assumption
of an external world which is "out there" as opposed to an "I"
which is ' in here " (This way of perceiving, which puts other
people ' out there, ' makes it very lonely "in here ") According
to this view, Nature, in all her diversity, is ' out there " The
task of the scientist is to observe the 'out there" as objectively
as possible To observe something objectively means to see it
as it would appear to an observer who has no prejudices about
what he observes
The problem that went unnoticed for three centuries is that
a person who carries such an attitude certainly is prejudiced
His prejudice is to be "objective," that is, to be without a
preformed opinion In fact, it is impossible to be without an
opinion An opinion is a point of view The point of view that
we can be without a point of view is a point of view The
decision itself to study one segment of reality instead of an-
other is a subjective expression of the
who makes
it It affects his perceptions of reality, if nothing else Since
reality is what we are studying, the matter gets very sticky
The new physics, quantum mechanics, tells us clearly that
it is not possible to observe reality without changing it If we
observe a certain particle collision experiment, not only do we
have no way of proving that the result would have been the
same if we had not been watching it, all that we know indi-
cates that it would not have been the same, because the result
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that we got was affected by the fatt that we were looking for
Some experiments show that light is wave like Other
experiments show equally well that light is particle-like If we
want to demonstrate that light is a particle-like phenomenon
or that light is a wave-like phenomenon, we only need to
select the appropriate
According to quantum mechanics there is no such thing as
objecti\ itv We cannot eliminate ourselves from the picture
We are a part of nature, and when we studv nature there is
no wa) around the fact that nature is studving itself Physics
has become a branch of
or perhaps the other way
Carl Jung the Swiss psychologist, wiote
The ps\chological rule says that when an inner situation
is not made conscious, it happens outside, as fate That is
to sav, when the individual remains undivided and does
not become conscious of his inner contradictions, the world
must perforce act out the conflict and be torn into oppo-
site halves
Jung s friend, the Nobel Prize-winning phvsicist, Wolfgang
Pauh, put it this way
From an inner center the
seems to move out-
ward, in the sense of an
into the physical
If these me n are correct then phvsics is the studv of the
structure of consciousness
The descent downward from the macroscopic level to the
microscopic level, which we have been calling the realm of
the very small is a two step piocess The first step dowmvaid
is to the atomic level The second step downward is to the
subatomic level
The smallest object that we can see, even under a micro-
scope, contains millions of atoms To see the atoms in a base-
ball, we would have to make the baseball the size of the
eaith If a baseball were the si/e of the earth its atoms would
be about the si/e of grapes If vou can picture the earth as a
huge glass ball filled with giapes, that is approximate!) how a
baseball full of atoms would look
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32 / WU
The step downward from the atomic level takes us to the
subatomic level Here we find the particles that make up
atoms The difference between the atomic level and the
subatomic level is as great as the difference between the atomic
level and the world of sticks and rocks It would be impossible
to see the nucleus of an atom the size of a grape In fact, it
would bt impossible to see the nucleus of an atom the size of
a room To see the nucleus of an atom the atom would have
to be as high as a fourteen-storv building' The nucleus of an
atom as high as a fourteen-story building would be about the size
of a gram of salt Since a nuclear particle has about 2,000 times
more mass than an electron the electrons revolving around
this nucleus would be about as massive as dust particles'
The dome of Saint Peter s basilica in the Vatican has a
diameter of about fourteen stories Imagine a
of salt in
the middle of the dome of Saint Peter s with a few dust parti-
cles revolving around it at the outer edges of the dome This
gives us the scale of subatomic particles It is in this realm,
the subatomic realm that Newtonian physics has proven in-
adequate, and that quantum mechanics is required to explain
particle behavior
A subatomic particle is not a particle like a dust particle
There is more than a difference in size between a dust parti-
cle and a subatomic particle A dust particle is a thing, an
object A subatomic particle cannot be pictured as a thing
Therefore we must abandon the idea of a subatomic particle
as an object
Quantum mechanics vie\vs subatomic particles as tendencies
to exist or tendencies to happen How strong these
tendencies are is expressed in terms of probabilities A
subatomic particle is a quantum, which means a quantity of
something What that something is however, is a matter of
speculation Manv physicists feel that it is not meaningful
even to pose the question It mav be that the search for the
ultimate stuff of the universe is a crusade for an illusion At
the subatomic level, mass and energy change unceasingly into
each other Particle physicists are so familiar with the phe-
nomena of mass becoming energy and
becoming mass
that they routinely measure the mass of particles in energy
units * Since the tendencies of subatomic phenomena to be-
* Strictly
mass according to Emstcm s special theorv of relativity
energy and energy is mass Where there is one there v, the other
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come manifest under certain conditions are probabilities, this
brings  to the matter (no pun) of statistics
Because there are millions of millions of subatomic particles
in the smallest space that we can see, it is convenient to deal
with them statistically Statistical descriptions are pictures of
crowd behavior Statistics cannot tell us how one individual in
a crowd will behave, but they can give us a fairK accurate
description, based on repeated observations, of how a group
as a whole behaves
For example a statistical studv of population growth may
tell us how many children were lx>rn in each of several vears
and how many are predicted to be born in years to come
However, the statistics cannot tell us which families will have
the new children and which ones will not If we want to know
the behavior of traffic at an intersection, we can install devices
thei e to gather data The statistics that these devices provide
may tell us how many cars, for instance, turn left during
certain hours, but not which cars
Statistics is used in Newtonian physics It is used, for
example, to explain the relationship between gas volume and
pressure This relation is named Boyle's Law after its discoverer,
Robert Bovle, who lived in Newton's time It could as easily
be known as the Bicycle Pump Law as we shall see Boyle's
Law says that if the volume of a container holding a given
amount of gas at a constant temperature is reduced by one
half the pressure exerted by the gas in the container doubles
Imagine a person with a bicycle pump He has pulled the
plunger fully upward, and is about readv to push it down The
hose of the pump is connected to a pressure gauge instead of to
a bicvcle tire, so that we can see how much pressure is in the
pump Since there is no pressure on the plunger, there is no
pressure in the pump cylinder and the gauge reads zero
However, the pressure inside the pump is not actually zero
c at the bottom of an ocean of air (our atmosphere)
The weight of the several miles of air above us exerts a pressure
at sea level of 14 7 pounds on every square inch of our bodies
Our bodies do not collapse because they are exerting 14 7
pounds per square inch outward This is the state that we
usually read as /ero on a bicycle pressure gauge To be accu-
rate suppose that we set our gauge to read 14 7 pounds per
square inch before we push down on the pump handle-
Now we push the piston down halfwav The interior volume
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34 ' WU LP
of the pump cylinder is now one half of its original
no air has been allowed to escape, because the hose is
connected to a pressure gauge The gauge now reads 29 4
pounds per square inch or twice the original pressure Next
we push the plunger two thirds of the way down The interior
volume of the pump cylinder is now one third of its original
size, and the pressure gauge reads three tunes the original
pressure (44 1 pounds per square inch) This is Boyle s Law
At a constant temperature the pressure of a quantity of gas is
inversely proportional to its volume If the volume is reduced
to one half, the pressure doubles if the volume is reduced to
one third, the pressure triple > etc To explain why this is so,
we come to classical statistics
The air (a gas) in our pump is composed of millions of
molecules (molecules are made of atoms) These molecules
are in constant motion and at any given time, millions of
them are banging into the pump walls Although we do not
detect each single collision the macroscopic effect of these
millions of impacts on a square inch of the pump wall produces
the phenomenon of pressure on it If we reduce the volume
of the pump
by one half we crowd the gas molecules
into a space twice as small as the original one thereby causing
twice as many impacts on the same square inch of pump wall
The macroscopic effect of this is a doubling of the pressure
By crowding the molecules into one third of the original space,
we cause three tunes as many molecules to bang into the
same square inch of pump wall, and the pressure on it
triples This is the kinetic theory of gases
In other words, pressure results from the group behavior
of a large number of molecules in motion It is a collection of
individual events Each individual event can be
cause, according to Newtonian physics, each individual event
is theoretically subject to deterministic laws In principle, we
can calculate the path of each molecule in the pump chamber
This is how statistics is used in the old physics
Quantum mechanics also uses statistics, but there is a very
big difference between quantum mechanics and Newtonian
physics In quantum mechanics, there is no way to predict
individual events This is the startling lesson that experiments
in the subatomic realm have taught us
Therefore, quantum mechanics concerns itself only with
group behavior It intentionally leaves vague the relation be-
tween group behavior and individual events because individ-
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ual subatomic events cannot be determined accurately (the
uncertainty principle) and, as we shall see in high-energy
particles, they constantly are changing Quantum physics
abandons the laws which govern individual events and states
directly the statistical laws which govern collections of events
Quantum mechanics can tell us how a group of particles will
beha\ e, but the onlv thing that it can sav about an individual
particle is how it piobably will behave Probability is one of
the major characteristics of quantum mechanics
This makes quantum mechanics an ideal tool for dealing
with subatomic phenomena For example, take the phenome-
non of common radioactive decay (luminous watch dials)
Radioactive decav is a phenomenon of predictable overall be-
havior consisting of unpredictable individual events
Suppose that we put one gram of radium in a time vault
and leave it there for sixteen hundred vears When we return,
do we find one gram of
No' We find only half a gram
This is because radium atoms naturally disintegrate at a rate
such that every sixteen hundred years half of them are gone
Therefore, physicists say that radium has a ' half life ' of sixteen
hundred years If we put the radium back in the vault for
another sixteen hundred years, only one fourth of the original
gram would remain when we opened the vault again Every
sixteen hundred years one half of all the radium atoms in the
world disappear How do we know which radium atoms are
going to disintegrate and which radium atoms are not going to
We don t We can predict how many atoms in a piece of
radium are going to disintegrate in the next hour but we
have no way of determining
ones are going to disinte-
grate There is no
law that we know of which governs
this selection Which atoms decav is purely a matter of chance
Nonetheless radium continues to decay, on schedule as it
were, with a precise and unvarying half life of sixteen hundred
years Quantum theory dispenses with the laws governing the
disintegration of individual radium atoms and proceeds directly
to the statistical laws governing the disintegration of radium
atoms as a group This is how statistics is used in the new
Another good example of predictable overall (statistical)
behavior consisting of unpredictable individual events is the
constant variation of
among spectral lines Remem-
ber that, according to Bohrs theory, the electrons of an atom
36 / WU LP
are located only in shells which are specific distances from the
nucleus (page 12) Normally, the single electron of a hydrogen
atom remains in the shell closest to the nucleus (the ground
state) If we excite it (add energy to it) we cause it to jump to
a shell farther out The more energy we give it, the farther
out it jumps If we stop exciting it, the electron jumps inward
to a shell closer to the nucleus, eventually returning all the
wav to the innermost shell With each jump from an oufer
shell to an inner shell, the electron emits an energy amount
equal to the energy amount that it absorbed when we caused
it to jump outward These emitted energy packets (photons)
constitute the light which, when dispersed through a prism,
forms the spectrum of one hundred or so colored lines that is
peculiar to hydrogen Each colored line in the hydrogen
spectrum is made from the light emitted from hydrogen
electrons as they jump from a particulai outer shell to a par-
ticular inner shell
What we did not mention earlier is that some of the lines in
the hydrogen spectrum are more pronounced than others
The lines that are more pronounced are always more pro-
nounced and the lines that are faint are always faint The
intensity of the lines in the hydrogen spectrum vanes because
hydrogen electrons returning to the ground state do not al-
ways take the same route
Shell five, for example may be a more popular stopover
than shell three In that case the spectrum produced by
millions of excited hydrogen atoms will show a more pro-
nounced spectral line corresponding to electron jumps from
shell five to shell one and a less pronounced spectral line
corresponding to electron jumps from, say, shell three to shell
one That is because, in this example, more electrons stop
over at shell five before jumping to shell one than stop over at
shell three before jumping to shell one
In other words, the probability is very high, in this example,
that the electrons of excited hydrogen atoms will stop at shell
five on their way back to shell one and the
lower that they will stop at shell three Said another way, we
know that a certain number of electrons probably will stop at
shell five and that a certain lesser number of electrons probably
will stop at shell three Still we have no wav of knowing
which electrons will stop where As before, we can describe
precisely an overall behavior without being able to predict a
single one of the individual events which comprise it
This brings us to the central philosophical issue of quantum
mechanics, namely, ' What is it that quantum mechanics de-
' Put another way, quantum mechanics statistically
describes the overall behavior and/or predicts the probabilities
of the individual behavior of
In the autumn of 1927, physicists working with the new
physics met in Brussels Belgium, to ask themselves this ques-
tion, among others What they decided there became known
as the Copenhagen Interpretation of Quantum Mechanics *
Other interpretations developed later, but the Copenhagen
Interpretation marks the emergence of the new
as a
consistent way of viewing the world It is still the most prevalent
interpretation of the mathematical formalism of quantum me-
chanics The upheaval in physics following the discovery of
the inadequacies of Newtonian physics was all but complete
The question among the physicists at Brussels was not whether
Newtonian mechanics could be adapted to subatomic phe-
nomena (it was clear that it could not be), but rather, what
was to replace it
The Copenhagen Interpretation was the first consistent for-
mulation of quantum mechanics Einstein opposed it in 1927
and he argued against it until his death, although he, like all
physicists, was forced to acknowledge its advantages in
explaining subatomic phenomena
The Copenhagen Interpretation says, in effect, that it does
not matter what quantum mechanics is
The important
thing is that it works in all possible experimental situations
This is one of the most important statements in the history of
science The Copenhagen Interpretation of Quantum Mechan-
ics began a monumental reunion which was all but unnoticed
at the time The rational part of our psyche, typified by science,
began to merge again with that other part of us which we had
ignored since the 1700s our irrational side
The scientific idea of truth traditionally had been anchored
in an absolute truth somewhere out there"—that is, an abso-
lute truth with an independent existence The closer that we
came in our approximations to the absolute truth, the truer
* This was the 5th Solvay Congress at which Bohr and Einstein conducted their
now famous debates The term Copenhagen Interpretation reflects the dominant
influence of Niels Bohr (from Copenhagen) and his school of thought
t The Copenhagen Interpretation says that quantum theory is about correlations in
our experiences It is about what will be observed under specified conditions
38 / WU LP
our theories were said to be Although we might never be
able to perceive the absolute truth directly—or to open the
watch, as Einstein put it—still we tried to construct theories
suth that for every facet of absolute truth, there was a
corresponding element in our theories
The Copenhagen Interpretation does
with this idea of
a one-to-one correspondence between reality and theory This
is another way of saying what we have said before Quantum
mechanics discards the laws governing individual events and
states directly the laws governing aggregations It is very
The philosophy of pragmatism goes something like this
The mind is such that it deals only with ideas It is not possible
for the mind to relate to am thing other than ideas Therefore,
it is not correct to think that the mind actually can ponder
reality All that the mind can ponder is its ideas about reality
(Whether or not that is the way reality actually is, is a meta-
physical issue) Therefore, whether or not something is true is
not a matter of how closely it corresponds to the absolute
truth but of how consistent it is with our experience *
The extraordinary importance of the Copenhagen Interpre-
tation lies in the fact that for the first time, scientists attempting
to formulate a consistent physics were forced by their own
findings to acknowledge that a complete understanding of reality
lies beyond the capabilities of rational thought It was this
that Einstein could not accept The most incomprehensible
thing about the world he wrote, 'is that it is comprehensi-
But the deed was done The new physics was based
not upon absolute truth but upon us
Henry Pierce Stapp a physicist at the Lawrence Berkeley
Laboratory expressed this eloquently
* The philosophy of pragmatism was cicated by the Amencan
William James Recently the pragmatic aspects of the Copenhagen
tion of Quantum Mechanics have been emphasized b\ Henrv Picice Stapp a
theoretical physicist at the Lawrence Bcikeley Laboratory in Berkeley C ahfoi
ma The Copenhagen Interpretation in addition to the pragmatic part
claim that quantum theory is in some sense complete that no
explain subatomic phenomena in any more det ul
An essential feature of the Copenhagen Intel pi etation is Bohi s ptmciple of
complementarity (to be discussed later) Some historians practically equate the
Copenhagen Interpretation and complementarity Complementarity is sub
sumed in a geneial way in Stapp s pragmatic mtei pi etation ol quantum me
but the special emphasis on complementarity is characteristic of the
Copenhagen Interpretation
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