Квантовый эксперимент утверждает, что объективной реальности не существует

Альтернативные факты распространяются в обществе на манер вируса. И, судя по всему, они уже заразили науку – по крайней мере, квантовые исследования. Это может показаться контринтуитивным. Ведь научный метод основан на надёжных методах наблюдений, измерений и повторяемости. Факт, подтверждённый измерениями, обязан быть объективным – таким, с которым согласились бы все наблюдатели.

Однако недавно мы опубликовали в журнале Science Advances работу, где показываем, что в микромире атомов и частиц, управляемом странными правилами квантовой механики, два разных наблюдателя могут столкнуться с разными фактами. Иначе говоря, согласно нашей лучшей теории о строительных кирпичиках природы, факты бывают субъективными.

Наблюдатели играют заметную роль в квантовом мире. Согласно теории, частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно – это называется суперпозицией. Однако, как ни странно, такое бывает только, когда их не наблюдают. Как только вы начинаете наблюдать квантовую систему, она выбирает определённое местоположение или состояние, нарушая суперпозицию. То, что природа ведёт себя таким образом, было множество раз доказано в лаборатории – к примеру, в знаменитом двухщелевом эксперименте.

В 1961 году физик Юджин Вигнер предложил провокационный мысленный эксперимент. Он спросил, что произойдёт, если мы применим квантовую механику к наблюдателю, за которым тоже наблюдают. Представьте, что друг Вигнера подбрасывает квантовую монетку – находящуюся в суперпозиции орла и решки – в закрытой лаборатории. Каждый раз, когда его друг подбрасывает монетку, он наблюдает определённый результат. Мы можем сказать, что друг Вигнера устанавливает факт: результатом подбрасывания монетки определённо будет выпадение орла или решки.

У Вигнера нет доступа к этому факту снаружи, и, согласно квантовой механике, он обязан считать, что его друга и монетка находятся в суперпозиции всех возможных вариантов эксперимента. Причиной этому служит их “запутанность” – пугающая связь, позволяющая манипулировать одним из них, манипулируя другим. Теперь Вигнер в принципе может подтвердить эту суперпозицию при помощи “интерференционного эксперимента” –квантового измерения, позволяющего раскрыть суперпозицию всей системы, подтверждая запутанность обоих объектов.

Когда после этого Вигнер сравнит записи с другом, последний будет настаивать, что видел определённые результаты каждого подбрасывания монетки. Однако Вигнер не будет соглашаться с ним всякий раз, когда наблюдал суперпозицию друга и монетки.

Возникает парадокс. Реальность, воспринимаемую другом, нельзя помирить с реальностью, имеющейся снаружи. Изначально Вигнер не считал это парадоксом, поскольку считал абсурдной идею непрерывного наблюдателя за квантовым объектом. Однако позднее он отошёл от этих взглядов, и, согласно формальным учебникам по квантовой механике, это описание имеет право на жизнь.

Эксперимент

Такой сценарий долгое время оставался интересным мысленным экспериментом. Но отражает ли он реальность? С научной точки зрения в этой области не наблюдалось прогресса до недавнего времени, когда Каслав Брукнер из Венского университета показал, что при определённых предположениях идею Вигнера можно использовать для формального доказательства субъективности квантовых измерений для наблюдателей.

Брукнер предложил способ проверить эту идею, переведя сценарий с другом Вигнера на платформу, впервые описанную физиком Джоном Беллом в 1964. Брукнер рассмотрел две пары Вигнеров с другом, находящиеся в двух разных помещениях, и проводящие измерения общего состояния – внутри и снаружи каждого из помещений. Результаты можно просуммировать и использовать для вычисления т.н. “неравенства Белла“. Если это неравенство нарушается, у наблюдателей могут оказаться разные факты.

Мы впервые провели этот тест экспериментально в Университете Гериота-Ватта в Эдинбурге на квантовом компьютере небольшого масштаба, состоящем из трёх пар запутанных фотонов. Первая пара фотонов играла роль монет, а две другие использовались для их подбрасывания – измерения поляризации фотонов – внутри их соответствующих коробок. Снаружи обеих коробок оставалось два фотона, которые тоже можно было измерить.

Grabr: Доставка товаров из других стран дешевле, чем почтой; получить $10 на счёт при регистрации.

Оплатите подписку, и реклама отключится

Несмотря на использование передовых квантовой технологий, у нас ушло несколько недель на сбор нужного количества данных всего с шести фотонов для того, чтобы получить достаточно хорошую статистику. Но в итоге мы смогли показать, что квантовая механика может действительно быть несовместимой с предположением об объективных фактах – мы нарушили неравенство.

Однако, теория основана на нескольких предположениях. Среди них – отсутствие влияния на результаты измерений сигналов, перемещающихся быстрее света, и свобода воли наблюдателей в выборе измерений. Они могут быть верными, или неверными.

Ещё один важный вопрос – можно ли считать отдельные фотоны наблюдателями. В теоретическом предложении Брукнера наблюдатели не должны быть сознательными, они просто должны уметь устанавливать факты в виде результатов измерений. Неживой детектор тоже считается наблюдателем. А стандартная квантовая механика не даёт причин считать, что детектор, который можно сделать произвольно малого размера, даже величиной с несколько атомов, нельзя описывать, как квантовый объект, такой же, как фотон. Также возможно, что стандартная квантовая механика неприменима на больших масштабах, но проверка этого – это отдельная задача.

Следовательно, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере, для локальных моделей квантовой механики, нам нужно пересмотреть наше понятие объективности. Факты, воспринимаемые нами в нашем макроскопическом мире, судя по всему, в безопасности, но возникает вопрос по поводу того, как существующие интерпретации квантовой механики смогут принять в себя субъективные факты.

Некоторые физики считают эту информацию подтверждением интерпретаций квантовой физики, разрешающих каждому наблюдению иметь несколько исходов – к примеру, в результате существования параллельных вселенных, в каждой из которых реализуется один из них. Другие видят в этом подтверждение теорий, зависящих от наблюдателя, таких, как квантовое байесианство, в котором действия агента и его восприятие занимают центральную часть. Иные же считают это указанием на то, что квантовая механика нарушается при выходе за определённые пределы сложности.

Очевидно, это очень глубокие философские вопросы, касающиеся фундаментальной природы реальности. И каков бы ни был ответ, нас ждёт интересное будущее.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 3,419 total views,  7 views today