Kvantfysik:Vores undersøgelse tyder på, at objektiv virkelighed ikke eksisterer

Alternative fakta breder sig som en virus på tværs af samfundet. Nu ser det ud til, at de endda har inficeret videnskaben - i hvert fald kvanteområdet. Dette kan virke kontraintuitivt. Den videnskabelige metode er trods alt baseret på de pålidelige forestillinger om observation, måling og repeterbarhed. Et faktum, som fastlagt ved en måling, skal være objektiv, sådan, at alle observatører kan være enige i det.

Men i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Videnskab fremskridt , vi viser, at i mikroverdenen for atomer og partikler, der styres af kvantemekanikkens mærkelige regler, to forskellige observatører har ret til deres egne fakta. Med andre ord, ifølge vores bedste teori om selve byggestenene i naturen, fakta kan faktisk være subjektiv.

Observatører er stærke spillere i kvanteverdenen. Ifølge teorien, partikler kan være flere steder eller tilstande på én gang - dette kaldes en superposition. Men mærkeligt nok, dette er kun tilfældet, når de ikke observeres. I det andet du observerer et kvantesystem, det vælger en bestemt placering eller tilstand - bryder superpositionen. Det faktum, at naturen opfører sig på denne måde, er blevet bevist flere gange i laboratoriet - f.eks. i det berømte dobbeltspalteeksperiment (se video).

I 1961, fysiker Eugene Wigner foreslog et provokerende tankeeksperiment. Han satte spørgsmålstegn ved, hvad der ville ske, når kvantemekanik blev anvendt på en observatør, der selv observeres. Forestil dig, at en ven af ​​Wigner smider en kvantemønt - som er i en superposition af både hoveder og haler - inde i et lukket laboratorium. Hver gang vennen smider mønten, de observerer et bestemt resultat. Vi kan sige, at Wigners ven fastslår en kendsgerning:resultatet af møntkastet er bestemt hoved eller hale.

Wigner har ikke adgang til denne kendsgerning udefra, og ifølge kvantemekanik, skal beskrive vennen og mønten for at være i en superposition af alle mulige resultater af forsøget. Det er fordi de er "sammenfiltrede" - uhyggeligt forbundet, så hvis du manipulerer det ene, manipulerer du også det andet. Wigner kan nu i princippet verificere denne superposition ved hjælp af et såkaldt "interferenseksperiment"-en type kvantemåling, der giver dig mulighed for at opklare superpositionen af ​​et helt system, bekræfter, at to objekter er sammenfiltrede.

Når Wigner og vennen senere sammenligner noter, vennen vil insistere på, at de så bestemte resultater for hvert møntkast. Wigner, imidlertid, vil være uenig, når han observerede ven og mønt i en superposition.

Dette giver en gåde. Virkeligheden opfattet af vennen kan ikke forenes med virkeligheden på ydersiden. Wigner betragtede oprindeligt ikke så meget som et paradoks, han hævdede, at det ville være absurd at beskrive en bevidst observatør som et kvanteobjekt. Imidlertid, han forlod senere denne opfattelse, og ifølge formelle lærebøger om kvantemekanik, beskrivelsen er fuldstændig gyldig.

Eksperimentet

Scenariet har længe været et interessant tankeeksperiment. Men afspejler det virkeligheden? Videnskabeligt, der har været lidt fremskridt med dette indtil for nylig, da Časlav Brukner ved universitetet i Wien viste, at under visse forudsætninger, Wigners idé kan bruges til formelt at bevise, at målinger i kvantemekanik er subjektive for observatører.

Brukner foreslog en måde at teste denne forestilling på ved at oversætte Wigners vennescenario til en ramme, der først blev etableret af fysikeren John Bell i 1964. Brukner betragtede to par Wigners og venner, i to separate kasser, foretage målinger på en delt tilstand - inden for og uden for deres respektive kasse. Resultaterne kan opsummeres til i sidste ende at blive brugt til at evaluere en såkaldt "Bell ulighed". Hvis denne ulighed krænkes, observatører kunne have alternative fakta.

Vi har nu for første gang udført denne test eksperimentelt ved Heriot-Watt University i Edinburgh på en kvantecomputer i lille skala, der består af tre par sammenfiltrede fotoner. Det første fotonpar repræsenterer mønterne, og de to andre bruges til at udføre møntkast - måling af fotonenes polarisering - inde i deres respektive kasse. Uden for de to kasser, to fotoner tilbage på hver side, der også kan måles.

På trods af brug af topmoderne kvanteteknologi, det tog uger at indsamle tilstrækkelige data fra kun seks fotoner til at generere nok statistik. Men til sidst, det lykkedes os at vise, at kvantemekanik virkelig kan være uforenelig med antagelsen om objektive fakta - vi krænkede uligheden!

Teorien, imidlertid, er baseret på et par antagelser. Disse inkluderer, at måleresultaterne ikke påvirkes af signaler, der rejser over lyshastighed, og at observatører frit kan vælge, hvilke målinger der skal foretages. Det kan være tilfældet eller ikke.

Et andet vigtigt spørgsmål er, om enkelte fotoner kan betragtes som observatører. I Brukners teoriforslag, observatører behøver ikke at være ved bevidsthed, de skal blot være i stand til at fastslå fakta i form af et måleresultat. En livløs detektor ville derfor være en gyldig observatør. Og lærebogens kvantemekanik giver os ingen grund til at tro, at en detektor, som kan laves så lille som et par atomer, bør ikke beskrives som et kvanteobjekt ligesom en foton. Det kan også være muligt, at standard kvantemekanik ikke finder anvendelse på store længder, men at teste det er et separat problem.

Dette eksperiment viser derfor, at i det mindste for lokale modeller for kvantemekanik, vi er nødt til at genoverveje vores opfattelse af objektivitet. De fakta, vi oplever i vores makroskopiske verden, ser ud til at forblive sikre, men et stort spørgsmål opstår om, hvordan eksisterende fortolkninger af kvantemekanik kan rumme subjektive fakta.

Nogle fysikere ser disse nye udviklinger som styrkende fortolkninger, der tillader mere end ét resultat at ske for en observation, for eksempel eksistensen af ​​parallelle universer, hvor hvert resultat sker. Andre ser det som overbevisende beviser for iboende observatørafhængige teorier såsom Quantum Bayesianism, hvor en agents handlinger og oplevelser er centrale bekymringer for teorien. Men endnu andre tager dette som en stærk fingerpeg om, at kvantemekanik måske vil bryde ned over visse kompleksitetsskalaer.

Dette er klart alle dybt filosofiske spørgsmål om virkelighedens grundlæggende natur. Uanset svaret, venter en interessant fremtid.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.