Новый квантовый парадокс ставит под сомнение основы наблюдаемой реальности
Если дерево падает в лесу и его никто не слышит, издает ли оно звук? А может, и нет, говорят некоторые.
А если кто-то услышит? Если вы думаете, что это означает, что оно издало звук, то вам придется пересмотреть свое мнение.
Мы обнаружили новый парадокс в квантовой механике-одной из двух наших самых фундаментальных научных теорий, наряду с теорией относительности Эйнштейна, — которая ставит под сомнение некоторые здравые идеи о физической реальности.
Квантовая механика против здравого смысла
Взгляните на эти три утверждения:
Когда кто-то наблюдает за происходящим событием, оно действительно происходит.
Можно сделать свободный выбор или, по крайней мере, статистически случайный выбор.
Выбор, сделанный в одном месте, не может мгновенно повлиять на отдаленное событие. (Физики называют это "локальностью".)
Все это интуитивные идеи, и в них верят даже физики. Но исследования, опубликованные в Nature Physics, показывают, что все они не могут быть истинными — или сама квантовая механика должна сломаться на каком-то уровне.
Это самый сильный результат в длинной серии открытий в квантовой механике, которые перевернули наши представления о реальности. Чтобы понять, почему это так важно, давайте посмотрим на эту историю.
Битва за реальность
Квантовая механика чрезвычайно хорошо работает для описания поведения крошечных объектов, таких как атомы или частицы света (фотоны).
Во многих случаях квантовая теория не дает однозначных ответов на такие вопросы ,как " где сейчас находится эта частица?- Вместо этого она дает только вероятности того, где частица может быть найдена, когда за ней наблюдают.
Для Нильса Бора, одного из основателей этой теории столетие назад, это не потому, что нам не хватает информации, а потому, что физические свойства, такие как "положение", фактически не существуют, пока они не измерены.
И более того, поскольку некоторые свойства частицы не могут быть полностью наблюдаемы одновременно — такие как положение и скорость — они не могут быть реальными одновременно.
Альберт Эйнштейн счел эту идею несостоятельной. В статье 1935 года, опубликованной совместно с коллегами-теоретиками Борисом Подольским и Натаном Розеном, он утверждал, что реальность должна быть больше, чем то, что может описать квантовая механика.
В статье рассматривалась пара удаленных частиц в особом состоянии, известном теперь как " запутанное " состояние. Когда одно и то же свойство (скажем, положение или скорость) измеряется на обеих запутанных частицах, результат будет случайным — но будет корреляция между результатами от каждой частицы.
Например, наблюдатель, измеряющий положение первой частицы, мог бы точно предсказать результат измерения положения удаленной частицы, даже не касаясь ее. Или же наблюдатель мог бы вместо этого предсказать скорость. Это имело естественное объяснение, утверждали они, если оба свойства существовали до того, как были измерены, вопреки интерпретации Бора.
Однако в 1964 году североирландский физик Джон Белл обнаружил, что аргумент Эйнштейна рушится, если провести более сложную комбинацию различных измерений на двух частицах.
Белл показал, что если два наблюдателя произвольно и независимо выбирают между измерением того или иного свойства своих частиц, например положения или скорости, то средние результаты не могут быть объяснены ни в одной теории, где и положение, и скорость были бы уже существующими локальными свойствами.
Это звучит невероятно, но эксперименты убедительно показали, что корреляции Белла действительно имеют место. Для многих физиков это является доказательством того, что Бор был прав: физические свойства не существуют, пока они не измерены.
Но это поднимает ключевой вопрос: что такого особенного в "измерении"?
Наблюдатель, наблюдаемый
В 1961 году венгерско-американский физик-теоретик Юджин Вигнер разработал мысленный эксперимент, чтобы показать, что такого сложного в идее измерения.
Он рассматривал ситуацию, в которой его друг входит в плотно закрытую лабораторию и выполняет измерение квантовой частицы — ее положения, скажем.
Однако Вигнер заметил, что если бы он применил уравнения квантовой механики для описания этой ситуации извне, то результат был бы совсем другим. Вместо того чтобы измерение друга делало положение частицы реальным, с точки зрения Вигнера, друг запутывается в частице и заражается неопределенностью, которая ее окружает.
Это похоже на знаменитый " кот " Шредингера, мысленный эксперимент, в котором судьба кошки в коробке запутывается со случайным квантовым событием.
Для Вигнера это был абсурдный вывод. Вместо этого он полагал, что как только сознание наблюдателя становится вовлеченным, запутанность "разрушается", чтобы сделать наблюдение друга определенным.
Но что, если Вигнер ошибается?
В новом исследовании опирались на расширенную версию парадокса друга Вигнера, впервые предложенную Чаславом Брукнером из Венского университета. В этом сценарии есть два физика-назовем их Алиса и Боб — каждый со своими друзьями (Чарли и Дебби) в двух отдаленных лабораториях.
Есть еще один поворот: Чарли и Дебби теперь измеряют пару запутанных частиц, как в экспериментах Белла.
Как и в аргументации Вигнера, уравнения квантовой механики говорят нам, что Чарли и Дебби должны запутаться со своими наблюдаемыми частицами. Но поскольку эти частицы уже были связаны друг с другом, Чарли и Дебби сами должны были запутаться.
Но что это означает экспериментально?
Эксперимент проходит так: друзья входят в свои лаборатории и измеряют свои частицы. Некоторое время спустя Алиса и Боб подбрасывают по монетке. Если это головы, они открывают дверь и спрашивают своего друга, что они видели. Если решка, они выполняют другое измерение.
Это различное измерение всегда дает положительный результат для Алисы, если Чарли запутывается со своей наблюдаемой частицей способом, вычисленным Вигнером. То же самое касается Боба и Дебби.
Однако при любом осуществлении этого измерения любая запись наблюдений их друга внутри лаборатории блокируется от попадания во внешний мир. Чарли или Дебби не помнят, что видели что-то внутри лаборатории, словно очнувшись от полной анестезии.
Но было ли это на самом деле, даже если они этого не помнят?
Если три интуитивные идеи, изложенные в начале этой статьи, верны, то каждый друг видел реальный и уникальный результат для своих измерений в лаборатории, независимо от того, решили ли Алиса или боб позже открыть свою дверь. Кроме того, то, что видят Алиса и Чарли, не должно зависеть от того, как приземлится далекая монета Боба, и наоборот.
Если бы это было так, то были бы пределы корреляций, которые Алиса и Боб могли бы ожидать увидеть между своими результатами. Они также показали, что квантовая механика предсказывает, что Алиса и Боб увидят корреляции, выходящие за эти пределы.
Затем провели эксперимент, чтобы подтвердить квантово-механические предсказания, используя пары запутанных фотонов. Роль измерения каждого друга играл один из двух путей, которые каждый фотон может принять в установке, в зависимости от свойства фотона, называемого "поляризацией". То есть путь "измеряет" поляризацию.
Эксперимент на самом деле является лишь доказательством принципа, так как "друзья" очень малы и просты. Но это открывает вопрос о том, будут ли те же результаты справедливы и для более сложных наблюдателей.
Возможно, мы никогда не сможем провести этот эксперимент с настоящими людьми. Но однажды удастся создать убедительную демонстрацию, если "другом" будет искусственный интеллект человеческого уровня, работающий в квантовом компьютере.
Что все это значит?
Хотя до окончательной проверки могут пройти десятилетия, если квантово — механические предсказания останутся верными, это имеет серьезные последствия для нашего понимания реальности-даже больше, чем корреляции Белла. Во-первых, обнаруженные корреляции не могут быть объяснены простым утверждением, что физические свойства не существуют, пока они не измерены.
Теперь под сомнение ставится абсолютная реальность самих результатов измерений.
Результаты заставляют физиков вплотную заняться проблемой измерения: либо эксперимент не расширяется, и квантовая механика уступает место так называемой "объективной теории коллапса", либо одно из трех наших предположений здравого смысла должно быть отвергнуто.
Существуют теории, такие как Бройль-Бом, которые постулируют "действие на расстоянии", в котором действия могут иметь мгновенные эффекты в других частях Вселенной. Однако это находится в прямом противоречии с теорией относительности Эйнштейна.
Некоторые ищут теорию, которая отвергает свободу выбора, но они либо требуют обратной причинности, либо кажущейся заговорщической формы фатализма, называемой "сверхдетерминизмом".
Другой способ разрешить этот конфликт - сделать теорию Эйнштейна еще более относительной. Для Эйнштейна разные наблюдатели могли расходиться во мнениях относительно того, когда или где что — то происходит, но то, что происходит, было абсолютным фактом.
Однако в некоторых интерпретациях, таких как реляционная квантовая механика , QBism или многомировая интерпретация , сами события могут происходить только относительно одного или нескольких наблюдателей. Упавшее дерево, которое наблюдал один, может не быть фактом для всех остальных.
Все это не означает, что вы можете выбирать свою собственную реальность. Во-первых, вы можете выбирать, какие вопросы задавать, но ответы дает мир. И даже в реляционном мире, когда два наблюдателя общаются, их реальности переплетаются. Таким образом может возникнуть общая реальность.
Это означает, что если мы оба видим, как падает одно и то же дерево, и вы говорите, что не слышите его, вам может потребоваться слуховой аппарат.
Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation. Издание опубликовало статью для журнала Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
