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LIVING? / 61
was illuminated \vith alternating bands of light and darkness'
The center band was the brightest On both sides ot the
center band of light were bands of darkness then bands of
light but less intense than the tenter band then bands of
darknt ss etc as b( low
How could this
The simplicity of the answer is what makes this experiment
a great one The alternating light and dark bands are a well-
known phenomenon of wave mechanics called interference
Interference results when the waves of light diffracting from
the two slits interfere with each other In some places these
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waves overlap and reinforce one another In othei places they
cancel each other
In areas where one wave crest overlaps another wave crest,
the result is an intensification of light (the light bands) In
areas where a crest meets a trough, they cancel each other
and no light reaches the wall (the dark bands)
It is just as if we dropped two stones into a pond simulta-
neouslv and watched the waves spreading from their points of
entry The waves that the stones make interfere with each
other In places where the crests of the waves caused by one
stone meet the crests of the waves caused by the other stone,
large waves result In places where the troughs of the waves
caused by one stone meet the crests of the waves caused by
the other stone, the water is calm
In short Young's double-slit experiment showed that light
must be wave-like because only waves can create interference
patterns The situation, then, was as follows Einstein, using
the photoelectric effect, "proved" that light is particle-like
and Young, using the phenomenon of interference, "proved"
that light is wave-like But a wave cannot be a particle and a
particle cannot be a wave
That is just the beginning' Since Einstein "proved" that light
is composed of
let us go back to Young's double-slit
experiment and run it with photons * (This has been done)
Suppose that we have a light gun which can fire, in effect, one
photon at a tune The experiment is set up as before, except
that only one slit is open Now we fire the photon, it goes
through the open slit, and we mark where it hits the wall
'using a photographic plate)
we have done this
experiment before, \ve notice that the photon has landed in
an area that would be dark if the second slit were open That
is, if the second slit were open, no photons would be recorded
in this area
To make siue, we do the experiment again, but this time
we leave both of the slits open Just as we thought, there ire
no photons recorded now in the area where the photon hit in
oui fust experiment When both slits are open and interfer-
ence is present, this area is in the middle of a dark band
The question is, Hou. did the photon in the first evpenment
know that the
Think about it If
* If we assume a jjaiticle aspect in the
slit expemnent we will
the uncertainty relation unless we also assume nou locality
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LIVING? / 63
both slits are open, there are always alternating hands of
illuminated and dark areas This means that there are always
areas where the photons never go (otherwise theie would not
be any dark areas) If one of the slits is closed, there is no
interference and the dark bands disappeai, the whole wall
becomes illuminated, including those areas which previously
were dark when both slits were open
When we fired our photon and it went through the first slit,
how did it "know" that it could go to an area that must be
dark if the other slit were
In other words, how did the
photon know that the other slit was closed
"The central
of quantum theory, wrote Henry
Stapp, is 'How does information get around so
How does the particle know that there are two
does the information about what is happening
else get collected to determine what is likely to happen
There is no definitive answer to this question Some physi-
cists, like E H Walker, speculate that photons may be con-
Consciousness may be associated \vith all quantum me-
chanical processes 
since everything that occurs is
ultimately the result of one or more quantum mechanical
events, the universe is "inhabited ' by an almost unlimited
number of rather discrete conscious, usually nonthinking
entities that are responsible for the detailed working of
Whether Walker is correct or not, it appears that if there
really are photons (and the photoeleeti ic effect "proves" that
there are), then it also appears that the photons in the double-
slit experiment somehow "know" whether or not both slits are
open and that they act accordingly *
This brings us back to where we started Something is or-
ganic" if it has the abihtv to process information and to act
We have little choice but to acknowledge that
photons, which are
do appear to process information
and to act accordingly, and that therefore, strange as it inav
* An explanation other than knowing might be
Jnngs acansal
connecting principle
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sound they seem to be organic Since we are also organic,
there is a
that by studying photons (and other energy
quanta) we mav learn something about us
The wave-particle duality was the end of the line for classi-
According to that way of thinking, if we know
certain initial conditions, we can predict the future of events
because we know the laws that govern them In double-slit
experiments we know all that we can know about initial condi-
tions and we still can t predict correctl) what happens to single
In experiment one, for example (only one slit open) we
know the origin of the photon (the lamp) its velocity (186 000
miles per second) and its direction just prior to passing through
the open slit Using Newton s laws of motion we can predict
where the photon will land on the photographic plate Let us
suppose that we make these calculations
Now let us consider experiment two (both slits open) Again
we know the origin of the photon its velocity and its direc-
tion just prior to passing through the open slit The initial
conditions of the photon in experiment one are the same as
thost of the photon in experiment two They both start from
the same place, travel at the same speed, go to the same
plaee and therefore are moving in the same direction just
prior to passing through slit number one The onlv difference
is that in the second experiment the second slit also is open
Again using Newton s laws of motion, let us calculate where
the photon will land on the photographic plate
Since we used the same iigures and the same formulas in
both eases, we get identical answers indicating that the photon
in experiment one will impact in exactly the same place as the
photon in experiment two That is the problem The photon
in experiment two will not impact in the same area as the
photon in experiment one because the photon in experiment
one landed in an area that is a dark band in experiment two
In other words the two photons do not go to the same place
even though the initial conditions pertaining to both of them
are identical and known to us
We cannot determine the paths of individual photons We
can determine what the wave pattern on the wall will be, but
in this case we are interested in a single photon, not waves of
them In other words, we know the pattern that large groups
of photons will make, and their distribution in the pattern,
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but we have no way of knowing which photons will go where
All that we can say about a single photon is the probability of
finding it in a given plate
The wave-particle duality was (is) one of the thorniest prob-
lems in quantum mechanics Physicists like to have tidy theories
which explain
and if they are not able to do that,
thev like to have tidy theories about why thev can't The
wave-particle duality is not a tidy situation In fact, its untidi-
ness has forced physicists into radical new ways of perceiv ing
reality These new perceptual frames are consider-
more compatible with the nature of personal experience
than were the old
For most of us, life is seldom black and white The wave-
particle duality marked the end of the "Either-Or" way of looking
at the world Physicists no longer could accept the pioposition
that light is either a particle or a wave because they had
"proved to themselves that it was both, depending on how
thev looked at it
Of course, Einstein was aware of the fact that his photon
theorv contradicted Young s wave theory without disproving
it He speculated that photons were guided bv ghost waves "
Ghost waves were mathematical entities which had no actual
existence The photons seemed to follow paths which had all
the mathematical characteristics of waves, but which in reality
did not exist Some physicists still view the wave-particle par-
adox this way, but for most physicists, this explanation seems
too contrived It is an answer which appears to make sense,
but somehow doesn t explain anything
The wave-particle duality prompted the first real step in
understanding the newly unfolding quantum theory In 1924,
Bohr and two of his colleagues, H A Kramers and John
Slater, suggested that the waves in question were probability
Probability waves were mathematical entities by which
physicists could predict the probability of certain e\ ents oc-
curring or not occurring Their mathematics did not prove
correct but their idea, which was unlike anything that had
been proposed before, was sound Later, with a different
formalism (mathematical structure), the idea of probability waves
developed into one of the distinguishing characteristics of
quantum mechanics
Probability waves, as Bohi, Kramers, and Slater thought of
them, was an
new idea Probability itself was not
new, but this type of
was It referred to what
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somehow already was happening, but had not yet been
actualized. It referred to a tendency to happen, a tendency
that in an undefined way existed of itself, even if it never
became an event. Probability waves were mathematical cata-
logues of these tendencies.
This was something quite different from classical probability.
If we throw a die in a casino, we know, using classical
that the chances of getting the number that we
want is one in six. The probability wave of Bohr, Kramers,
and Slater meant much more than that.
According to Heisenberg:
It meant a tendency for something. It was a quantitative
version of the old concept of "potentia" in Aristotelian
philosophy. It introduced something standing in the mid-
dle between the idea of an event and the actual event, a
strange kind of physical reality just in the middle be-
tween possibility and reality.
By 1924, Planck's discovery of the quantum was producing
seismic effects in physics. It enabled Einstein to discover the
photon, which caused the wave-particle duality, which led to
probability waves. The physics of Newton was a thing of the
Physicists found themselves dealing with energy that some-
how processed information (which made it organic), and
unaccountably presented itself in patterns (waves). In short,
physicists found themselves dealing with Wu Li—patterns of
organic energy.
What Happens
Quantum mechanics is a procedure. It is a specific way of
looking at a specific part of reality. The only people who use it
are physicists. The advantage of following the procedure of
quantum mechanics is that it allows us to predict the proba-
bilities of certain results provided our experiment is performed
in a certain way. The purpose of quantum mechanics is not to
predict what actually will happen, but only to predict the
probabilities of various possible results. Physicists would like
to be able to predict subatomic events more accurately, but,
at present, quantum mechanics is the only workable theory of
subatomic phenomena that they have been able to construct.
Probabilities follow deterministic laws in the same way that
macroscopic events follow deterministic laws. There is a di-
rect parallel. If we know enough about the initial conditions of
an experiment, we can calculate, using rigid laws of develop-
ment, exactly what the probability is for a certain result to
For example, there is no way that we can calculate where a
single photon in a double-slit experiment will strike the pho-
tographic plate (page 64). However, we can calculate with
precision the probability that it will strike it at a certain place,
provided that the experiment has been prepared properly and
that the results are measured properly.
Suppose that we calculate a 60 percent probability for the
photon to land in area A. Does that mean that it can land
somewhere else? Yes. In fact, there is a 40 percent probability
that it will.
In that case (asking the question for Jim de Wit), what
determines where the photon will
The answer given
by quantum theory pure chance
This pure-chance aspect was another
that Einstein
had about quantum mechanics It is one of the reasons that
he never accepted it as the fundamental physical theory
'Quantum mechanics is very impressive," he wrote in a letter
to Max Born, " 
but I am convinced that God does not play
Two generations later, J S Bell, a
physicist, proved
that he may have been right, but that is another story, which
we will come to later
The first step in the procedure of quantum mechanics is to
prepare a physical system (the experimental apparatus) accord-
ing to certain specifications, in an area called the region of
The second step in the procedure of quantum mechanics is
to prepare another physical system to measure the results of
the experiment This measuring system is located in an area
called the region of measurement Ideally, the region of meas-
urement is far away from the region of preparation Of course,
to a subatomic particle, even a small macroscopic distance is a
long way
Now let us perform the double-slit experiment using this
procedure First, we set a light source on a table, and then, a
short distance away, we place a screen with two vertical slits
in it The area where these apparatuses are located is the
region of preparation Next we fix an unexposed photographic
plate on the opposite side of the screen from the light source
This area is the region of measurement
The third step in the procedure of quantum mechanics is to
translate what we know about the apparatus in the region of
preparation (the light and the screen) into mathematical terms
which represent it, and to do likewise for the apparatus that is
located in the region of measurement (the photographic plate)
To do this we need to know the specifications of the appara-
tus In practice, this means that we give the technician who
sets up the equipment precise instructions We tell him, for
example, the exact distance to place the double-slit screen
from the light source, the frequency and intensity of the light
that we will use, the dimensions of the two slits and their
position relative to each other and to the light source, etc We
also give him equally explicit instructions concerning the meas-
tiring apparatus, such as where to put it, the type of photo-
graphic film that we will use, how to develop it, etc
After we translate these specifications of the experimental
arrangement into the mathematical language of quantum theory,
we feed these mathematical quantities into an equation that
expresses the form of natural causal development Notice that
this last sentence doesn t sav anything about what is develop-
ing That is because nobod> knows The Copenhagen Inter-
pretation of Quantum Mechanics (page 37) says that quantum
theory is a complete theory because it works (correlates
experience) in everv possible experimental situation not be-
cause it explains in detail what is going on * (Einstein s com-
plaint was that quantum theorv doesn t fullv explain things
because it deals with group behavior and not with individual
However, when it comes to predicting group behavior,
quantum theory works as advertised In a double-slit experi-
ment, for example it can predict exactly the probabilities of a
photon being recorded in region A, in region B, in region
C, and so forth
Of course, the last step in the procedure of quantum me
chanics is actually to do the experiment and get a result
To apply quantum theory, the physical world must be divided
into two parts These parts are the observed svstem and the
observing system The observed svstem and the observing
system are not the same as the region of preparation and the
region of measurement ' Region of preparation and "region
of measurement' are terms which describe the physical or-
ganization of the experimental apparatus ' Observed system"
and ' observing system' are terms which pertain to the way
that physicists analyze the experiment (The 'observed ' svstem,
by the way, cannot be observed until it interacts with the
observing system, and even then all that we can observe are
its effects on a measuring device)
The observed system in the double-slit experiment is a
photon It is pictured as traveling between the region of
preparation and the region of measurement The observing
svstem in all quantum mechanical experiments is the environ-
* According to the complementai itv aigument which is at the heart of the
Copenhagen Interpretation the latitude is the choice of possible wave
exactly corresponds to (or at least includes) the latitude in the set of possible
expelimental airangements so that every possible expeiimental situation or
arrangement is covered b\ quantum theory
ment which surrounds the observed system—including the
physicists who are
the experiment While the ob-
served system is traveling undisturbed ( propagating in isola-
tion ), it develops according to a natural causal law This law
of causal development is called the Schrodmger wave equation
The information that we put into the Schiodmger wave equation
is the data about the experimental apparatuses that we have
transcribed into the mathematical language of quantum theory
Each set of these experimental specifications that we
transcribed into the mathematical language of quantum theory
corresponds to what physicists call an observable Observ-
ables are the features of the experiment and nature that are
considered to be fixed or determined, when and if the
experimental specifications that we have transcribed actually
are met We mav have transcribed into mathematical language
several experimental specifications for the region of measure-
ment each one corresponding to a different possible result
(the possibility that the photon will land in region A, the
possibility that the photon will land in legion B the possibility
that the photon will land in region C etc )
In the world of mathematics the experimental specifications
of each of these possible situations in the region of measure-
ment and in the region of preparation corresponds to an ob-
servable * In the world of experience an observable is the
possible occurrence (coming into our experience) of one of
these sets of specifications
In other words, what happens to the observed
between the region of preparation and the region of meas-
urement is expressed
as a correlation between
two observables (production and detection) Yet we know that
the observed system is a particle—a photon Said another
way the photon is a relationship between two observables
This is a long, long way from the buildmg-bnck concept of
elementary particles For centuries scientists have tried to
reduce reality to indivisble entities Imagine how surprising
and frustrating it is for them to come so close (a photon is verv
"elementary ), only to discover that elementary particles don't
have an existence of their own'
*Each set of expenmental specifications A or B tint
be transcribed into a
corresponding tlieoietical description _/A 01
conesponds to an observ
able In the m itheniatical theory the obser\ able is
in the world of
our experience the observable is the possible occurrence (coming into our
experience) of the
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