Et nyt kvanteparadoks sætter spørgsmålstegn ved grundlaget for den observerede virkelighed

Hvis et træ falder i en skov, og ingen er der for at høre det, laver det en lyd? Måske ikke, nogle siger.

Og hvis nogen er der for at høre det? Hvis du tror, ​​det betyder det selvfølgelig gjorde lave en lyd, du skal muligvis revidere den opfattelse.

Vi har fundet et nyt paradoks i kvantemekanikken - en af ​​vores to mest grundlæggende videnskabelige teorier, sammen med Einsteins relativitetsteori-der kaster tvivl om nogle fornuftige ideer om fysisk virkelighed.

Kvantemekanik vs sund fornuft

Tag et kig på disse tre udsagn:

1. Når nogen observerer en begivenhed, der sker, det virkelig skete.
2. Det er muligt at træffe frie valg, eller i det mindste, statistisk tilfældige valg.
3. Et valg foretaget ét sted kan ikke øjeblikkeligt påvirke en fjern begivenhed. (Fysikere kalder dette "lokalitet.")

Det er alle intuitive ideer, og bredt troet selv af fysikere. Men vores forskning, udgivet i Naturfysik , viser, at de ikke alle kan være sande - eller selve kvantemekanikken skal bryde sammen på et eller andet niveau.

Dette er det stærkeste resultat nogensinde i en lang række opdagelser inden for kvantemekanik, der har forstærket vores ideer om virkeligheden. For at forstå, hvorfor det er så vigtigt, lad os se på denne historie.

Kampen om virkeligheden

Kvantemekanik fungerer ekstremt godt til at beskrive små objekters adfærd, såsom atomer eller lyspartikler (fotoner). Men den opførsel er ... meget mærkelig.

I mange tilfælde, kvanteteori giver ikke deciderede svar på spørgsmål som "hvor er denne partikel lige nu?" I stedet, det giver kun sandsynligheder for, hvor partiklen kan findes, når den observeres.

For Niels Bohr, en af ​​grundlæggerne af teorien for et århundrede siden, det er ikke fordi vi mangler oplysninger, men fordi fysiske egenskaber som "position" faktisk ikke eksisterer, før de måles.

Og hvad mere er, fordi nogle egenskaber ved en partikel ikke kan observeres perfekt samtidigt - såsom position og hastighed - kan de ikke være det ægte samtidigt.

Ikke mindre et tal end Albert Einstein fandt denne idé uholdbar. I en artikel fra 1935 med andre teoretikere Boris Podolsky og Nathan Rosen, han hævdede, at der må være mere til virkeligheden, end hvad kvantemekanikken kunne beskrive.

Artiklen betragtede et par fjerne partikler i en særlig tilstand nu kendt som en "sammenfiltret" tilstand. Når den samme ejendom (sig f.eks. position eller hastighed) måles på begge sammenfiltrede partikler, resultatet vil være tilfældigt - men der vil være en sammenhæng mellem resultaterne fra hver partikel.

For eksempel, en observatør, der måler positionen af ​​den første partikel, kunne perfekt forudsige resultatet af måling af positionen for den fjerne, uden selv at røre ved det. Eller observatøren kunne vælge at forudsige hastigheden i stedet. Dette havde en naturlig forklaring, de argumenterede, hvis begge egenskaber eksisterede før måling, i strid med Bohrs fortolkning.

Imidlertid, i 1964 fandt den nordirske fysiker John Bell, Einsteins argument brød sammen, hvis du gennemførte en mere kompliceret kombination af forskellige målinger på de to partikler.

Bell viste, at hvis de to observatører tilfældigt og uafhængigt vælger mellem at måle den ene eller anden egenskab af deres partikler, som position eller hastighed, de gennemsnitlige resultater kan ikke forklares i nogen teori, hvor både position og hastighed var eksisterende lokale egenskaber.

Det lyder utroligt, men eksperimenter har nu endegyldigt vist, at Bells korrelationer forekommer. For mange fysikere, dette er bevis på, at Bohr havde ret:fysiske egenskaber eksisterer ikke, før de er målt.

Men det rejser det afgørende spørgsmål:hvad er så specielt ved en "måling"?

Observatøren, observeret

I 1961, den ungarsk-amerikanske teoretiske fysiker Eugene Wigner udtænkte et tankeeksperiment for at vise, hvad der er så vanskeligt ved målingstanken.

Han overvejede en situation, hvor hans ven går ind i et tæt lukket laboratorium og udfører en måling på en kvantepartikel - dens position, sige.

Imidlertid, Wigner bemærkede, at hvis han anvendte kvantemekanikkens ligninger til at beskrive denne situation udefra, resultatet var ganske anderledes. I stedet for at venens måling gør partikelens position reel, fra Wigners perspektiv bliver vennen viklet ind i partiklen og inficeret med den usikkerhed, der omgiver den.

Dette ligner Schrödingers berømte kat, et tankeeksperiment, hvor en kats skæbne i en kasse bliver viklet ind i en tilfældig kvantehændelse.

For Wigner, dette var en absurd konklusion. I stedet, han mente, at når en observatørs bevidsthed bliver involveret, forviklingen ville "kollapse" for at gøre venens observation bestemt.

Men hvad nu hvis Wigner tog fejl?

Vores eksperiment

I vores forskning, vi byggede på en udvidet version af Wigners venparadoks, først foreslået af Časlav Brukner fra Wien Universitet. I dette scenario, der er to fysikere - kald dem Alice og Bob - hver med deres egne venner (Charlie og Debbie) i to fjerne laboratorier.

Der er et andet twist:Charlie og Debbie måler nu et par sammenfiltrede partikler, som i Bell -eksperimenterne.

Som i Wigners argument, kvantemekanikkens ligninger fortæller os, at Charlie og Debbie skulle vikle sig ind i deres observerede partikler. Men fordi disse partikler allerede var viklet ind i hinanden, Charlie og Debbie skulle selv blive viklet ind - i teorien.

Men hvad indebærer det eksperimentelt?

Vores eksperiment går sådan her:vennerne kommer ind i deres laboratorier og måler deres partikler. Noget tid senere, Alice og Bob vender hver en mønt. Hvis det er hoveder, de åbner døren og spørger deres ven, hvad de så. Hvis det er haler, de udfører en anden måling.

Denne forskellige måling giver altid et positivt resultat for Alice, hvis Charlie bliver viklet ind i sin observerede partikel på den måde, som Wigner har beregnet. På samme måde for Bob og Debbie.

I enhver realisering af denne måling, imidlertid, enhver registrering af deres vens observation inde i laboratoriet blokeres fra at nå den ydre verden. Charlie eller Debbie kan ikke huske at have set noget inde i laboratoriet, som om at vågne op fra totalbedøvelse.

Men skete det virkelig, selvom de ikke husker det?

Hvis de tre intuitive ideer i begyndelsen af ​​denne artikel er korrekte, hver ven så et reelt og unikt resultat for deres måling inde i laboratoriet, uafhængigt af, om Alice eller Bob senere besluttede at åbne deres dør. Også, hvad Alice og Charlie ser, bør ikke afhænge af, hvordan Bobs fjerne mønt lander, og omvendt.

Vi viste, at hvis dette var tilfældet, der ville være grænser for de sammenhænge, ​​Alice og Bob kunne forvente at se mellem deres resultater. Vi viste også, at kvantemekanikken forudsiger, at Alice og Bob vil se sammenhænge, ​​der går ud over disse grænser.

Næste, vi lavede et eksperiment for at bekræfte de kvantemekaniske forudsigelser ved hjælp af par af sammenfiltrede fotoner. Rollen som hver vens måling blev spillet af en af ​​to veje, hver foton kan indtage i opsætningen, afhængig af en egenskab ved fotonet kaldet "polarisering". Det er, stien "måler" polarisationen.

Vores eksperiment er kun et principbevis, da "vennerne" er meget små og enkle. Men det åbner spørgsmålet, om de samme resultater ville gælde for mere komplekse observatører.

Vi kan muligvis aldrig lave dette eksperiment med rigtige mennesker. Men vi argumenterer for, at det en dag kan være muligt at skabe en afgørende demonstration, hvis "vennen" er en kunstig intelligens på menneskeligt niveau, der kører i en massiv kvantecomputer.

Hvad betyder det hele?

Selvom en afgørende test kan være årtier væk, hvis de kvantemekaniske forudsigelser fortsat holder, dette har stærke konsekvenser for vores forståelse af virkeligheden - endnu mere end Bell -korrelationerne. For en, de korrelationer, vi opdagede, kan ikke forklares bare ved at sige, at fysiske egenskaber ikke eksisterer, før de er målt.

Nu er den absolutte virkelighed af selve måleresultaterne sat i tvivl.

Vores resultater tvinger fysikere til at håndtere måleproblemet på hovedet:enten bliver vores eksperiment ikke større, og kvantemekanikken giver plads til en såkaldt "objektiv kollaps-teori, "eller en af ​​vores tre fornuftsforudsætninger må afvises.

Der er teorier, ligesom de Broglie-Bohm, der postulerer "handling på afstand, "hvor handlinger kan have øjeblikkelige virkninger andre steder i universet. Men dette er i direkte konflikt med Einsteins relativitetsteori.

Nogle søger en teori, der afviser valgfrihed, men de kræver enten baglæns kausalitet, eller en tilsyneladende konspiratorisk form for fatalisme kaldet "superdeterminisme".

En anden måde at løse konflikten på kan være at gøre Einsteins teori endnu mere relativ. For Einstein, forskellige observatører kunne være uenige om hvornår eller hvor der sker noget - men hvad sker var en absolut kendsgerning.

Imidlertid, i nogle fortolkninger, såsom relationel kvantemekanik, QBism, eller fortolkningen af ​​mange verdener, begivenhederne selv kan kun forekomme i forhold til en eller flere observatører. Et faldet træ observeret af en er muligvis ikke et faktum for alle andre.

Alt dette betyder ikke, at du kan vælge din egen virkelighed. For det første, du kan vælge, hvilke spørgsmål du stiller, men svarene er givet af verden. Og selv i en relationel verden, når to observatører kommunikerer, deres virkeligheder er viklet ind. På den måde kan en fælles virkelighed dukke op.

Hvilket betyder, at hvis vi begge er vidne til det samme træ, der falder, og du siger, at du ikke kan høre det, du har måske bare brug for et høreapparat.

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