Новый квантовый парадокс ставит под сомнение основы наблюдаемой реальности

Опубликованно 09.09.2020 18:27

Когда дерево падает в лесу и никто его не слышит, издает ли оно звук? Некоторые говорят, что, возможно, нет. А если кто-нибудь это услышит? Если вы думаете, что это означает, что оно действительно звучало, возможно, вам придется пересмотреть это мнение.

Физики обнаружили новый парадокс в квантовой механике - одной из двух наших самых фундаментальных научных теорий вместе с теорией относительности Эйнштейна - который ставит под сомнение некоторые здравые представления о физической реальности.

Когда кто-то наблюдает за происходящим событием, оно действительно произошло. Можно делать свободный выбор или, по крайней мере, статистически случайный выбор.

Выбор, сделанный в одном месте, не может мгновенно повлиять на отдаленное событие. (Физики называют это “местностью“.) Все это интуитивные идеи, и они широко распространены даже среди физиков. Но исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, показывает, что все они не могут быть правдой - иначе квантовая механика должна сломаться на каком-то уровне.

Это самый сильный результат из длинной серии открытий в квантовой механике, перевернувших наши представления о реальности. Чтобы понять, почему это так важно, давайте посмотрим на эту историю.

Квантовая механика очень хорошо работает для описания поведения крошечных объектов, таких как атомы или частицы света (фотоны). Но такое поведение… очень странное.

Во многих случаях квантовая теория не дает однозначных ответов на такие вопросы, как “где сейчас эта частица?“ Вместо этого он дает только вероятности того, где частица может быть найдена при наблюдении.

Нильс Бор, один из основателей теории, считал, что это не потому, что нам не хватает информации, а потому, что физические свойства, такие как “положение“, на самом деле не существуют, пока они не измерены. Более того, поскольку некоторые свойства частицы нельзя полностью наблюдать одновременно, такие как положение и скорость, они не могут быть реальными одновременно.

Альберт Эйнштейн посчитал эту идею несостоятельной. В статье 1935 года с коллегами-теоретиками Борисом Подольским и Натаном Розеном он утверждал, что в реальности должно быть нечто большее, чем может описать квантовая механика.

В статье рассматривалась пара далеких частиц в особом состоянии, теперь известном 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 для каждой частицы.

Например, наблюдатель, измеряющий положение первой частицы, может идеально предсказать результат измерения положения далекой частицы, даже не касаясь ее. Или же наблюдатель может вместо этого предсказать скорость. Они утверждали, что это имело естественное объяснение, если оба свойства существовали до измерения, вопреки интерпретации Бора.

Однако в 1964 году физик из Северной Ирландии Джон Белл обнаружил, что аргумент Эйнштейна не работает, если провести более сложную комбинацию различных измерений этих двух частиц.

Белл показал, что если два наблюдателя случайным образом и независимо выбирают между измерением того или иного свойства своих частиц, таких как положение или скорость, усредненные результаты не могут быть объяснены ни в какой теории, где и положение, и скорость были ранее существовавшими локальными свойствами.

Звучит невероятно, но эксперименты убедительно продемонстрировали, что корреляции Белла действительно имеют место. Для многих физиков это свидетельство того, что Бор был прав: физические свойства не существуют, пока они не измерены.

Но возникает важный вопрос: что такого особенного в “измерении“?

В 1961 году венгерско-американский физик-теоретик Юджин Вигнер разработал мысленный эксперимент, чтобы показать, что такого сложного в идее измерения. Он рассмотрел ситуацию, в которой его друг входит в герметично закрытую лабораторию и выполняет измерение квантовой частицы - скажем, ее положения.

Однако Вигнер заметил, что если бы он применил уравнения квантовой механики для описания этой ситуации извне, результат был бы совсем другим. Вместо измерения друга, делающего положение частицы реальным, с точки зрения Вигнера, друг запутывается с частицей и заражается неопределенностью, которая его окружает.

Это похоже на знаменитого кота Шредингера, мысленный эксперимент, в котором судьба кошки в коробке оказывается связанной со случайным квантовым событием.

Для Вигнера это был абсурдный вывод. Вместо этого он считал, что как только сознание наблюдателя будет вовлечено, запутанность “схлопнется“, чтобы сделать наблюдение друга определенным.

Но что, если Вигнер ошибался?

В новом исследовании физики основывались на расширенной версии парадокса друга Вигнера, впервые предложенной Чаславом Брукнером из Венского университета. В этом сценарии есть два физика - назовите их Алиса и Боб - каждый со своими друзьями (Чарли и Дебби) в двух удаленных лабораториях.

Есть еще один поворот: Чарли и Дебби сейчас измеряют пару запутанных частиц, как в экспериментах Белла.

Как и в аргументе Вигнера, уравнения квантовой механики говорят нам, что Чарли и Дебби должны запутаться в наблюдаемых ими частицах. Но поскольку эти частицы уже были сцеплены друг с другом, Чарли и Дебби сами должны были запутаться - теоретически.

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 монете. Если это орлы, они открывают дверь и спрашивают друга, что они видели. Если это решка, они проводят другое измерение.

Это различное измерение всегда дает положительный результат для Алисы, если Чарли запутан со своей наблюдаемой частицей способом, рассчитанным Вигнером. То же самое с Бобом и Дебби.

Однако при любой реализации этого измерения любая запись о наблюдении их друга внутри лаборатории не может попасть во внешний мир. Чарли или Дебби не будут помнить, что видели что-либо в лаборатории, как если бы они просыпались от полной анестезии.

Но случилось ли это на самом деле, даже если они этого не помнят?

Если три интуитивных идеи, приведенные в начале этой статьи, верны, каждый друг увидел реальный и уникальный результат 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 приземляется далекая монета Боба, и наоборот.

Физики показали, что если бы это было так, то были бы пределы корреляции, которую Алиса и Боб могли бы ожидать между своими результатами. Ученые также показали, что квантовая механика предсказывает, что Алиса и Боб увидят корреляции, выходящие за эти пределы.

Затем физики провели эксперимент, чтобы подтвердить квантово-механические предсказания, используя пары запутанных фотонов. Роль измерения каждого друга выполнялась одним из двух путей, по которым каждый фотон может пройти в установке, в зависимости от свойства фотона, называемого “поляризацией“. То есть путь “измеряет“ поляризацию.

Эксперимент на самом деле является лишь доказательством принципа, поскольку “друзья“ очень маленькие и простые. Но это открывает вопрос, будут ли те же результаты справедливыми для более сложных наблюдателей.

Возможно, мы никогда не сможем провести этот эксперимент с настоящими людьми. Но мы утверждаем, что однажды, возможно, удастся создать убедительную демонстрацию того, является ли “друг“ искусственным интеллектом человеческого уровня, работающим в огромном квантовом компьютере .

Что все это значит? Хотя до окончательной проверки могут потребоваться десятилетия, если квантово-механические предсказания останутся верными, это будет иметь серьезные последствия для нашего понимания реальности - даже в большей степени, чем корреляции Белла. Во-первых, обнаруженные нами корреляции нельзя объяснить, просто сказав, что физических свойств не существует, пока они не будут измерены.

Теперь ставится под сомнение абсолютная реальность самих результатов измерений.

Наши результаты вынуждают физиков вплотную заняться проблемой измерения: либо наш эксперимент не масштабируется, и квантовая механика уступает место так называемой “объективной теории коллапса“, либо одно из трех предположений здравого смысла должно быть отвергнуто. .

Есть теории, такие как де Бройль-Бома, которые постулируют “действие на расстоянии“, в котором действия могут иметь мгновенный эффект в любом месте Вселенной. Однако это прямо противоречит теории относительности Эйнштейна.

Некоторые ищут теорию, которая отвергает свободу выбора, но они требуют либо обратной причинности, либо, казалось бы, конспиративной формы фатализма, называемой “супердетерминизмом“ .

Другой способ разрешить конфликт - сделать теорию Эйнштейна еще более относительной. По мнению Эйнштейна, разные наблюдатели могут расходиться во мнениях относительно того, когда и 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, возможно, вам просто понадобится слуховой аппарат.

Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation.

Напомним, ранее сообщалось, что ученые опровергли существование объективной реальности.

Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.

Категория: Наука