Hvordan filosofi blev til fysik, og virkeligheden blev til information

Nobelprisen i fysik i år er blevet tildelt "for eksperimenter med sammenfiltrede fotoner, der fastslår krænkelsen af ​​Bell-uligheder og banebrydende kvanteinformationsvidenskab."

For at forstå, hvad dette betyder, og hvorfor dette arbejde er vigtigt, er vi nødt til at forstå, hvordan disse eksperimenter afgjorde en langvarig debat blandt fysikere. Og en nøglespiller i den debat var en irsk fysiker ved navn John Bell.

I 1960'erne fandt Bell ud af, hvordan man oversætter et filosofisk spørgsmål om virkelighedens natur til et fysisk spørgsmål, der kunne besvares af videnskaben – og undervejs nedbrød sondringen mellem det vi ved om verden, og hvordan verden virkelig er .

Kvantesammenfiltring

Vi ved, at kvanteobjekter har egenskaber, som vi normalt ikke tilskriver objekterne i vores almindelige liv. Nogle gange er lys en bølge, nogle gange er det en partikel. Vores køleskab gør det aldrig.

Når vi forsøger at forklare denne form for usædvanlig adfærd, er der to brede typer forklaringer, vi kan forestille os. En mulighed er, at vi opfatter kvanteverdenen klart, ligesom den er, og det er tilfældigvis usædvanligt. En anden mulighed er, at kvanteverdenen er ligesom den almindelige verden, vi kender og elsker, men vores syn på den er forvrænget, så vi kan ikke se kvantevirkeligheden klart, som den er.

I de tidlige årtier af det 20. århundrede var fysikerne uenige om, hvilken forklaring der var rigtig. Blandt dem, der mente, at kvanteverdenen bare er usædvanlig, var figurer som Werner Heisenberg og Niels Bohr. Blandt dem, der mente, at kvanteverdenen måtte være ligesom den almindelige verden, og vores syn på den er simpelthen tåget, var Albert Einstein og Erwin Schrödinger.

Kernen i denne opdeling er en usædvanlig forudsigelse af kvanteteori. Ifølge teorien forbliver egenskaberne af visse kvantesystemer, der interagerer, afhængige af hinanden - selv når systemerne er blevet flyttet et stort stykke fra hinanden.

I 1935, samme år som han udtænkte sit berømte tankeeksperiment, der involverede en kat fanget i en kasse, opfandt Schrödinger udtrykket "sammenfiltring" for dette fænomen. Han argumenterede for, at det er absurd at tro, at verden fungerer på denne måde.

Problemet med sammenfiltring

Hvis sammenfiltrede kvantesystemer virkelig forbliver forbundet, selv når de er adskilt af store afstande, ser det ud til, at de på en eller anden måde kommunikerer med hinanden øjeblikkeligt. Men denne form for forbindelse er ikke tilladt ifølge Einsteins relativitetsteori. Einstein kaldte denne idé "uhyggelig handling på afstand."

Igen i 1935 udtænkte Einstein sammen med to kolleger et tankeeksperiment, der viste, at kvantemekanik ikke kan give os hele historien om sammenfiltring. De troede, at der måtte være noget mere i verden, som vi endnu ikke kan se.

Men som tiden gik, blev spørgsmålet om, hvordan man fortolker kvanteteorien en akademisk fodnote. Spørgsmålet virkede for filosofisk, og i 1940'erne havde mange af kvantefysikkens dygtigste hjerner travlt med at bruge teorien til et meget praktisk projekt:at bygge atombomben.

Det var først i 1960'erne, da den irske fysiker John Bell vendte sig mod problemet med sammenfiltring, at det videnskabelige samfund indså, at dette tilsyneladende filosofiske spørgsmål kunne have et håndgribeligt svar.

Klokkens sætning

Ved hjælp af et simpelt sammenfiltret system udvidede Bell Einsteins tankeeksperiment fra 1935. Han viste, at kvantebeskrivelsen ikke kunne være ufuldstændig, mens han forbød "uhyggelig handling på afstand" og stadig matchede kvanteteoriens forudsigelser.

Det ser ikke ud til at være nogen gode nyheder for Einstein. Men dette var ikke en øjeblikkelig sejr for hans modstandere.

Dette skyldes, at det ikke var tydeligt i 1960'erne, om kvanteteoriens forudsigelser faktisk var korrekte. For virkelig at bevise Bells pointe, var nogen nødt til at sætte dette filosofiske argument om virkeligheden, transformeret til et rigtigt fysisk system, på en eksperimentel prøve.

Og det er selvfølgelig her, to af årets nobelpristagere kommer ind i historien. Først John Clauser, og derefter Alain Aspect, udførte eksperimenterne på Bells foreslåede system, der i sidste ende viste, at forudsigelserne fra kvantemekanikken var nøjagtige. Som et resultat, medmindre vi accepterer "uhyggelig handling på afstand", er der ingen yderligere beskrivelse af sammenfiltrede kvantesystemer, der kan beskrive den observerede kvanteverden.

Så, Einstein tog fejl?

Det er måske en overraskelse, men disse fremskridt inden for kvanteteori ser ud til at have vist, at Einstein tager fejl på dette punkt. Det vil sige, det ser ud til, at vi ikke har et tåget syn på en kvanteverden, der er ligesom vores almindelige verden.

Men ideen om, at vi klart opfatter en iboende usædvanlig kvanteverden, er ligeledes for forsimplet. Og dette giver en af ​​de vigtigste filosofiske lektioner i denne episode i kvantefysik.

Det er ikke længere klart, at vi med rimelighed kan tale om kvanteverdenen ud over vores videnskabelige beskrivelse af den - det vil sige ud over informationen vi har om det.

Som årets tredje nobelpristager, Anton Zeilinger, udtrykte det:"Skelningen mellem virkeligheden og vores viden om virkeligheden, mellem virkelighed og information, kan ikke laves. Der er ingen måde at referere til virkeligheden uden at bruge den information, vi har om den. "

Denne sondring, som vi almindeligvis antager for at understøtte vores almindelige billede af verden, er nu uigenkaldeligt sløret. Og vi har John Bell at takke.

Lad os dog høre det for John Bell. Jeg mener virkelig Kristus. Det var takket være ham, at kvantefundamenter blev til eksperimentel fysik og ikke filosofi. (Intet imod filosofi, men det er godt at få svar nogle gange.)

— Philip Ball (@philipcball) 4. oktober 2022