Либо квантовая реальность гораздо страннее, чем мы думаем, либо она схлопывается

Статьи выходят раз в неделю. Самая новая статья доступна только платным пользователям на этом сайте и на проектах с удобной подпиской: Boosty / Patreon / Sponsr

* * *

Либо квантовые состояния должны схлопываться на макроскопическом уровне, либо реальность нереальна

Квантовая механика при ближайшем рассмотрении ставит перед нами несколько глубоких вопросов, касающихся природы самой реальности. Часто они принимают вид мысленных экспериментов, за которыми позже (часто гораздо позже) следуют реальные. Один из самых глубоких и сложных примеров – мысленный эксперимент, предложенный в 1960-х Юджином Вигнером, под названием “парадокс друга Вигнера” (не советуем вам дружить с Вигнером). И теперь, гораздо позже, Вигнера и его друга формализовали и расширили. Результат приводит нас к противоречию: либо наша реальность куда как более странная и менее реальная на квантовом уровне, либо квантовые состояния на крупных масштабах существовать не могут.

Не дружите с Вигнером

Чтобы понять, почему у Вигнера не должно быть друзей, сначала нам нужно углубиться в некоторые детали квантовой механики. Представьте, что мы измеряем спин одного электрона. У него есть ориентация в пространстве, но измерить её невозможно. Нам придётся выбрать ориентацию и измерить спин вдоль неё. То есть, мы можем спросить электрон, вращается ли он по вертикали вверх или вниз. При прочих равных, ответ будет вверх или вниз с 50% вероятностью.

Допустим, мы измерили спин, и выяснили, что он направлен вверх. Все последующие измерения подтвердят его направленность. Измерение определило вертикальную компоненту спина (этот процесс часто называют коллапсом волновой функции). Однако оно ничего не говорит нам о горизонтальной компоненте спина – она останется суперпозицией левого и правого спинов. Это значит, что если мы повернём наш прибор так, чтобы измерить спин в направлении справа налево, результат получится случайным – спин электрона будет направлен влево или вправо с 50% вероятностью.

Такой эксперимент относительно легко провести, поэтому Вигнер берёт своего друга, Алису, и оставляет её в запертой лаборатории. Алиса измеряет спин потока электронов, находящихся в состоянии суперпозиции. Вигнер находится вне лаборатории, и измеряет всю лабораторию. Алиса, до того, как упасть в обморок, определяет, что спин электрона направлен вверх. Но Вигнер ещё не провёл измерение, поэтому с его точки зрения Алиса находится в суперпозиции двух результатов измерения, со спином, направленным вверх и вниз. Когда Вигнер проводит измерение, гипотетически, может возникнуть ситуация, при которой Алиса выяснила, что спин направлен вверх, а он увидел, что спин направлен вниз.

Два “факта” противоречат друг другу, но оба они основаны на реальности. Вигнер решал эту проблему, утверждая, что квантовое состояние на уровне наблюдателя не существует: состояние суперпозиции должно схлопнуться до этого.

Расширяя Вигнера

Недавно опубликованная расширенная версия эксперимента комбинирует парадокс Вигнера с мысленным экспериментом Джона Белла (эксперимент Белла уже настолько старый, что его рутинно проверяют в экспериментальной физике). Эксперимент Белла чуть посложнее, чем у Вигнера, и комбинирует идеи суперпозиции и запутанности. Представим, что у меня есть два запутанных электрона. Это значит, что их квантовое состояние комбинированное, и определяется обоими электронами. К примеру, запутанность может привести к тому, что суммарный спин электронов будет нулевым.

Это означает, что они находятся в суперпозиции состояний направленности сверху вниз и снизу вверх. Если я измерю спин одного из электронов, и он окажется направленным вверх, то спин второго автоматически окажется направленным вниз. При правильном проведении эксперимента Белла видно, что спины электронов не были определены заранее. Они должны находиться в суперпозиции, и при измерении случайным образом выбирать ориентацию.

Эксперимент Белла проводили, разделяя измеряемыми частицы (обычно это были фотоны) большими расстояниями, из-за чего информация не могла передаваться между ними, не превышая скорость света. В последние двадцать лет мы наблюдаем систематическое закрытие различных вероятных лазеек в эксперименте Белла.

В расширенном эксперименте с другом Вигнера два друга проводят эксперимент Белла с запутанной парой частиц в разных запечатанных лабораториях. Два Вигнера (иначе говоря, супернаблюдателя) измеряют лаборатории и сравнивают результаты. Результаты измерений выдают корреляцию между запутанной парой, прошедшую через коллапс волновой функции двух наблюдателей.

Так что же такое реальность?

Приходится обдумать то, что Вигнер и Белл говорят нам о реальности. Физики обычно описывают реальность набором математически определённых условий. К примеру, причинно-следственная связь говорит нам о том, что причина должна предшествовать следствию по времени. Локальность говорит о том, что причинность распространяется со скоростью света: если фотон не может пройти от места причины до места следствия до того, как оно наступит, то это нарушает локальность (и, потенциально, причинно-следственную связь).

Яндекс.Еда: скидка 25% при первом заказе на сумму от 700 рублей, промокод AGHGYY

Оплатите подписку, и реклама отключится

А ещё нам необходимо рассмотреть такие вещи, как измерения. Исследователи определяют безусловность наблюдаемых событий – то есть, то, что я наблюдаю, реально, и ни от чего другого не зависит. Также они предполагают отсутствие супердетерминизма (свободу выбора) и истинность локальности. Три этих предположения исследователи называют локальной дружественностью.

Исследователи использовали математические определения этих предположений для подсчёта ограничений локальной дружественности. Они показали, что в подходящих условиях в расширенном эксперименте Вигнера можно будет наблюдать корреляции, нарушающие эти ограничения. Их лабораторные эксперименты подтвердили, что эти нарушения и вправду наблюдаются. Оказывается, во Вселенной локальной дружественности не соблюдается.

Но если отвергнуть локальную дружественность, тогда нам придётся принять какое-то решение. Придётся смириться с чем-то из следующего: измерения наблюдателя не обязательно реальны; реальность нелокальна; супердетерминизм существует: квантовая механика перестаёт работать в какой-то момент при переходе к макроскопическим наблюдателям.

Что-что?..

В качестве друга Вигнера исследователи использовали не макроскопического наблюдателя, а фотон – квантовый объект по своей сути. Возможно, что мысленный эксперимент с макроскопическими наблюдателями запрещён каким-то неизвестным законом физики. С другой стороны, нельзя полностью исключать возможность того, что искусственный интеллект на основе квантового компьютера можно будет считать макроскопическим наблюдателем, находящимся в квантовом состоянии – то есть, что в будущем мы сможем расширить эти испытания.

Главное, однако, в том, что реальность может зависеть от того, что квантовые эффекты постепенно исчезают, пока не станут слишком большими. Альтернативой может быть отсутствие у нас такого свободного выбора, какой нам представляется, что может показаться неприятным. А может быть, нам придётся отказаться от локальности, и, возможно, причинности, что для физиков может оказаться ещё больнее.

Источник

* * *

Статьи выходят раз в неделю. Самая новая статья доступна только платным пользователям на этом сайте и на проектах с удобной подпиской: Boosty / Patreon / Sponsr

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

 987 total views,  4 views today