Квантовые физики заявляют: Эксперименты показывают, что объективной реальности не существует

17 November 2019
6,1k full reads
4 min.
17k story viewsUnique page visitors
6,1k read the story to the endThat's 35% of the total page views
4 minutes — average reading time
Может ли быть множество миров? (Иллюстрация: Nikk/Flickr, CC BY-SA)
Может ли быть множество миров? (Иллюстрация: Nikk/Flickr, CC BY-SA)
Может ли быть множество миров? (Иллюстрация: Nikk/Flickr, CC BY-SA)

Альтернативные факты распространяются как вирус по всему обществу. Теперь кажется, что они даже заразили науку - по крайней мере, квантовую сферу. Это может показаться нелогичным. В конце концов, научный метод основан на надежных понятиях наблюдения, измерения и повторяемости. Факт, установленный измерением, должен быть объективным, чтобы все наблюдатели могли с ним согласиться.

Но в статье, недавно опубликованной в журнале Science Advances, показано, что в микромире атомов и частиц, который управляется странными правилами квантовой механики, два разных наблюдателя имеют право на свои собственные факты. Другими словами, согласно самой передовой теории о строении природы, факты на самом деле могут быть субъективными.

Наблюдатели - значимые игроки в квантовом мире. Согласно теории, частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно - это называется суперпозицией. Но, как ни странно, это работает только в том случае, если они не подвергаются наблюдению. В тот момент, когда вы наблюдаете квантовую систему, она выбирает определенное место или состояние - нарушая суперпозицию.

В 1961 году физик Юджин Вигнер (Eugene Wigner) предложил провокационный мысленный эксперимент (см. иллюстрацию ниже). Он спросил, что произойдет, если применить квантовую механику к наблюдателю, который сам находится под наблюдением. Представьте, что друг Вигнера бросает квантовую монету, которая находится в суперпозиции «орлов» и «решек», в закрытой лаборатории. Каждый раз, когда друг бросает монету, он наблюдает определенный результат. Можно сказать, что друг Вигнера устанавливает факт: результат броска монеты - это орел или решка.

Вигнер не имеет доступа к этому факту извне и, согласно квантовой механике, должен описать друга и монету, чтобы быть в суперпозиции всех возможных результатов эксперимента. Это потому, что они «запутаны» - ужасно связаны, так что если вы манипулируете одним, вы также манипулируете другим. Теперь Вигнер в принципе может проверить эту суперпозицию, используя так называемый «эксперимент с интерференцией» - тип квантового измерения, который позволяет вам распутывать суперпозицию всей системы, подтверждая, что два объекта запутаны.

Когда Вигнер и друг будут сравнивать записи позже, друг будет настаивать на том, что он видел определенные результаты для каждого броска монеты. Вигнер, однако, не соглашается всякий раз, когда он видит друга и монету в суперпозиции.

Это представляет собой загадку. Реальность, воспринимаемая другом, не может быть согласована с реальностью снаружи. Первоначально Вигнер не считал это большим парадоксом, он утверждал, что было бы нелепо описывать сознательного наблюдателя как квантовый объект. Однако позже он отошел от этой точки зрения, и согласно формальным учебникам по квантовой механике, это описание совершенно справедливо.

Эксперимент

Сценарий долгое время оставался интересным мысленным экспериментом. Но отражает ли это реальность? С научной точки зрения, в этом отношении до недавнего времени был достигнут незначительный прогресс, когда Часлав Брукнер (Časlav Brukner) из Венского университета показал, что при определенных предположениях идею Вигнера можно использовать для формального доказательства того, что измерения в квантовой механике субъективны для наблюдателей.

Брукнер предложил способ проверить это понятие, переведя сценарий друзей Вигнера в структуру, впервые созданную физиком Джоном Беллом (John Bell) в 1964 году. Брукнер рассмотрел две пары Вигнеров и его друзей в двух отдельных коробках, проводя измерения общего состояния - внутри и вне каждой соответствующей коробки. Результаты можно суммировать, чтобы в конечном итоге использовать для оценки так называемого «неравенства Белла». Если это неравенство нарушается, наблюдатели могут иметь альтернативные факты.

Исследователи из Херриот-Ватт за экспериментом. (Фото: Gearoid Hayes/Flickr, CC BY-SA)
Исследователи из Херриот-Ватт за экспериментом. (Фото: Gearoid Hayes/Flickr, CC BY-SA)
Исследователи из Херриот-Ватт за экспериментом. (Фото: Gearoid Hayes/Flickr, CC BY-SA)

И теперь впервые этот тест экспериментально был проведен в университете Хериот-Ватт в Эдинбурге на небольшом квантовом компьютере, состоящем из трех пар запутанных фотонов (см. иллюстрацию ниже). Первая пара фотонов представляет монеты, а две другие используются для выполнения броска монеты - измерения поляризации фотонов - внутри соответствующей коробки. За пределами двух коробки с каждой стороны остаются два фотона, которые также могут быть измерены.

Несмотря на использование современной квантовой технологии, потребовались недели, чтобы собрать достаточно данных всего из шести фотонов, чтобы получить достаточно статистики. Но в итоге ученым удалось показать, что квантовая механика действительно может быть несовместима с предположением об объективных фактах – они нарушили неравенство.

Теория, однако, основана на нескольких предположениях. К ним относится то, что на результаты измерений не влияют сигналы, распространяющиеся со скоростью выше скорости света, и что наблюдатели могут сами выбирать, какие измерения проводить. Это может иметь или не иметь место.

Другой важный вопрос - можно ли считать одиночные фотоны наблюдателями. В теоретическом предложении Брукнера наблюдатели не должны быть сознательными, они должны просто быть в состоянии установить факты в форме результатов измерения. Поэтому неодушевленный детектор был бы действительным наблюдателем. И учебники квантовой механики не дают нам никаких оснований полагать, что детектор, который может быть сделан размером всего в несколько атомов, не может описываться как квантовый объект такой, как фотон. Также возможно, что стандартная квантовая механика не применяется в больших масштабах, но тестирование это отдельная проблема.

Таким образом, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере, для локальных моделей квантовой механики нам необходимо переосмыслить наше понятие объективности. Факты, которые мы наблюдаем в нашем макроскопическом мире, по-видимому, пока остаются в безопасности, но возникает серьезный вопрос о том, как существующие интерпретации квантовой механики могут учитывать субъективные факты.

Некоторые физики рассматривают эти новые разработки как поддержку интерпретаций, позволяющих получить более одного результата для наблюдения, например, существование параллельных вселенных, в которых происходит любой возможный результат. Другие видят в этом убедительные доказательства для теорий, в сущности зависящих от наблюдателя, таких как квантовое байесианство, в которых действия и опыт агента являются центральными вопросами теории. Но все же большинство считает это серьезным свидетельством того, что, вероятно, квантовая механика работает только до определенных масштабов сложности.

Очевидно, что все это глубоко философские вопросы о фундаментальной природе реальности. Каким бы ни был ответ, интересное будущее нас ждет.

"Эксперимент с другом Вигнера": (A) Квантовая система в равной суперпозиции двух возможных состояний измеряется другом Вигнера (внутри коробки). Согласно квантовой теории, в каждом прогоне она случайным образом получает один из двух возможных результатов измерения. Это можно проверить, посмотрев прямо в ее лабораторию и прочитав, какой результат она записала. (B) Однако из-за пределов закрытой лаборатории Вигнер должен описать своего друга и его квантовую систему как объединенное запутанное состояние. Вигнер также может проверить это назначение состояния с помощью эксперимента с помехами, заключив, что его друг не мог увидеть определенный результат в первую очередь. (C) Мы рассматриваем расширенную версию этого эксперимента, где запутанное состояние отправляется в две разные лаборатории, в каждой из которых участвует экспериментатор и его друг. (Иллюстрация: Science Advances)