Jaký je to pocit být jak živí, tak mrtví?
tato otázka rozzlobila a inspirovala maďarsko-amerického fyzika Eugena Wignera v šedesátých letech., Byl frustrován paradoxy vyplývajícími z rozmarů kvantové mechaniky—teorie řídící mikroskopickou říši, která mimo jiné naznačuje, že dokud není pozorován kvantový systém, nemusí mít nutně určité vlastnosti. Vezměte slavný myšlenkový experiment svého kolegy fyzika Erwina Schrödingera, ve kterém je kočka uvězněna v krabici s jedem, který bude uvolněn, pokud se radioaktivní atom rozpadne., Radioaktivita je kvantový proces, takže než box je otevřen, příběh se odehrává, atom má oba chátral a ne chátral, takže nešťastné kočka v limbu—tzv. superpozice mezi životem a smrtí. Ale má kočka zkušenost, že je v superpozici?
Wigner nabroušené paradox tím, že si představoval (lidské) jeho přítel zavřel v laboratoři, měření kvantového systému. Tvrdil, že je absurdní říkat, že jeho přítel existuje v superpozici, že viděl a neviděl úpadek, pokud a dokud Wigner neotevře dveře laboratoře., „Wignerův přítel‘ myšlenkový experiment ukazuje, že věci mohou stát velmi divné, když pozorovatel je také pozorován,“ říká Nora Tischler, kvantový fyzik na Griffith University v Brisbane, Austrálie.
nyní Tischler a její kolegové provedli verzi wignerova testu přátel. Tím, že kombinuje klasický myšlenkový experiment s jinou kvantové head-škrabadlo názvem zapletení—jev, který spojuje částice přes obrovské vzdálenosti—mají také odvozen nová věta, která tvrdí, že staví nejsilnější omezení ještě na základní povaze reality., Jejich studie, která se objevila v Nature Physics 17. srpna, má důsledky pro roli, že vědomí může hrát v kvantové fyzice—a dokonce, zda kvantová teorie musí být nahrazena.
nová práce je „důležitý krok vpřed v oblasti experimentální metafyziky,“ říká kvantový fyzik Efraimovy Steinberg z University of Toronto, který nebyl zapojen do studie. „Je to začátek toho, co očekávám, bude obrovský program výzkumu.,“
Otázkou Vkusu
Do kvantové fyziky přišel v roce 1920, fyziků očekává, že jejich teorie být deterministický, generování předpovědi pro výsledek experimentů s jistotou. Kvantová teorie se však zdá být ze své podstaty pravděpodobnostní. Učebnicová verze-někdy nazývaná Kodaňská interpretace-říká, že dokud nebudou měřeny vlastnosti systému, mohou zahrnovat nesčetné hodnoty. Tato superpozice se zhroutí pouze do jediného stavu, když je systém pozorován, a fyzici nikdy nemohou přesně předpovědět, jaký bude tento stav., Wigner zastával tehdy populární názor, že vědomí nějak vyvolává superpozici ke kolapsu. Jeho hypotetický přítel by tedy rozpoznal určitý výsledek, když provedla měření—a Wigner by ji nikdy neviděl v superpozici.
tento pohled od té doby vypadl z laskavosti. „Lidé v základech kvantové mechaniky rychle zamítl Wigner je zobrazit, jak strašidelné a špatně definovaná, protože to dělá pozorovatelů zvláštní,“ říká David Chalmers, filozof a kognitivní vědec na Univerzitě v New Yorku., Dnes většina fyziků souhlasí s tím, že neživé objekty mohou vyřadit kvantové systémy ze superpozice procesem známým jako dekoherence. Jistě, vědci se snaží manipulovat složitých kvantových superpositions v laboratoři může najít své tvrdé práce zničen rychlé vzduchové částice se srazí s jejich systémy. Takže provádějí své testy při ultracoldových teplotách a snaží se izolovat své přístroje od vibrací.,
Několik konkurenčních kvantové interpretace se objevily v průběhu desetiletí, které zaměstnávají méně mystické mechanismy, jako dekoherence, vysvětlit, jak superpositions rozebrat bez vyvolání vědomí. Jiné interpretace zastávají ještě radikálnější postoj, že vůbec nedochází ke kolapsu. Každý má svůj vlastní divný a nádherný pohled na wignerův test. Nejexotičtější je „mnoha světů“ pohled, který říká, že pokaždé, když provedete kvantové měření, reality zlomeniny, vytvoření paralelních vesmírů, aby ubytovat všechny možné výsledky., Tak, wignerův přítel se rozdělí do dvou kopií a „dost dobrý supertechnology,“ on by mohl skutečně opatření, které osoba, která má být v superpozici mimo laboratoř, říká kvantový fyzik a mnoho-světy ventilátor Lev Vaidman z Tel Aviv University.
alternativní „Bohmská“ teorie (pojmenovaná pro fyzika Davida Bohma) říká, že na základní úrovni mají kvantové systémy určité vlastnosti; o těchto systémech prostě nevíme dost, abychom přesně předpověděli jejich chování., V takovém případě má přítel jednu zkušenost, ale Wigner může stále měřit, že jednotlivec je v superpozici kvůli své vlastní nevědomosti. V kontrastu, relativní nováček na bloku tzv. QBism výklad zahrnuje pravděpodobnostní prvek kvantové teorie bezvýhradně (QBism, vyslovuje se „kubismus“, je ve skutečnosti zkratka pro kvantové Bayesianism, odkaz na 18. století, matematik Thomas Bayes práce na pravděpodobnost.,) QBists tvrdí, že člověk může použít pouze kvantovou mechaniku k výpočtu, jak kalibrovat své přesvědčení o tom, co bude měřit v experimentu. „Výsledky měření, musí být považovány za osobní agent, který dělá měření,“ říká Ruedigera Schack z Royal Holloway, University of London, který je jedním z QBism zakladatelů. Podle QBism je principy kvantové teorie nemůže říct nic o hlubších stavu reality, ani Wigner používat to, aby spekulovat o jeho přítele zkušenosti.,
Další zajímavá interpretace, nazývaná retrokausalita, umožňuje událostem v budoucnu ovlivňovat minulost. „V retrocausal účet, wignerův přítel dělá naprosto zažít něco,“ říká Ken Wharton, fyzik na San Jose State University, který je zastáncem pro tento čas-kroucení pohled. Ale to „něco“ přítel zážitky v místě měření může záviset na Wigner výběr, jak pozorovat, že osoba později.,
potíž je v tom, že každá interpretace je stejně dobrá—nebo špatná—při předpovídání výsledku kvantových testů, takže výběr mezi nimi závisí na chuti. „Nikdo neví, jaké je řešení,“ říká Steinberg. „Ani nevíme, zda je seznam potenciálních řešení, která máme, vyčerpávající.“
jiné modely, nazývané teorie kolapsu, dělají testovatelné předpovědi. Tyto modely připínají mechanismus, který nutí kvantový systém ke zhroucení, když je příliš velký—vysvětluje, proč kočky, lidé a jiné makroskopické objekty nemohou být v superpozici., Probíhají pokusy o hledání podpisů takových kolapsů, ale zatím nic nenašli. Kvantoví fyzici také umisťují stále větší objekty do superpozice: minulý rok to oznámil tým ve Vídni s molekulou 2 000 atomů. Většina kvantové výklady říkají, že není žádný důvod, proč tyto snahy porce superpositions by neměla pokračovat vzhůru navždy za předpokladu, že výzkumní pracovníci mohou navrhnout správné experimenty v nedotčené laboratorní podmínky tak, že dekoherence lze vyhnout., Teorie kolapsu však předpokládají, že jednoho dne bude dosaženo limitu, bez ohledu na to, jak pečlivě jsou připraveny experimenty. „Pokud se budete snažit a manipulovat s klasickou pozorovatel—lidské, řekněme—a zacházet s ní jako kvantový systém, to by okamžitě zhroutí,“ říká Angelo Bassi, kvantový fyzik a zastánce kolaps teorie na University of Trieste v Itálii.
Způsob, jak Sledovat wignerův Přítel
Tischler a její kolegové věří, že analýza a provedení wignerův přítel experiment by mohl vrhnout světlo na limity kvantové teorie., Byly inspirovány novou vlnu teoretické a experimentální dokumenty, které zkoumaly roli pozorovatele v kvantové teorii tím, že zapletení do Wigner klasické nastavení. Řekněme, že vezmete dvě částice světla nebo fotony, které jsou polarizované, takže mohou vibrovat vodorovně nebo svisle. Fotony mohou být také umístěny v superpozici vibrující horizontálně i vertikálně současně, stejně jako Schrödingerova paradoxní kočka může být živá i mrtvá dříve, než je pozorována.,
takové páry fotonů lze připravit společně-zapletené – tak, aby jejich polarizace byla při pozorování vždy v opačném směru. To se nemusí zdát divné-pokud si nepamatujete, že tyto vlastnosti nejsou fixovány, dokud nejsou měřeny., I když jednoho fotonu je dána fyzik jménem Alice v Austrálii, zatímco druhá je transportován do její kolega Bob v laboratoři ve Vídni, zapletení zajišťuje, že jakmile Alice dodržuje ji photon a, například, najde své polarizace být horizontální polarizace Bob foton okamžitě synchronizuje vibrační vertikálně. Protože dva fotony objeví komunikovat rychleji než rychlostí světla—něco zakázáno podle jeho teorie relativity—tento jev hluboce ustaraný Albert Einstein, který nazval „strašidelné působení na dálku.,“
Tyto obavy zůstal teoretické až do roku 1960, kdy fyzik John Bell vynalezl způsob, jak otestovat, zda je realita opravdu strašidelné—nebo jestli tam může být prozaičtější vysvětlení za korelace mezi zapletený partnery. Bell si představoval obyčejnou teorii, která byla místní-To je ta, ve které vlivy nemohly okamžitě cestovat mezi částicemi. Byl také deterministický spíše než ze své podstaty pravděpodobnostní, takže experimentální výsledky mohly být v zásadě předvídány s jistotou, pokud pouze fyzici pochopili více o skrytých vlastnostech systému., A bylo to realistické, což pro kvantového teoretika znamená, že systémy by měly tyto určité vlastnosti, i když se na ně nikdo nedíval. Pak Bell vypočítal maximální úroveň korelací mezi řadou zapletených částic, které by taková lokální, deterministická a realistická teorie mohla podporovat. Pokud byl tento práh v experimentu porušen, musí být jeden z předpokladů teorie falešný.
takové „Bell testy“ byly od té doby provedeny, s řadou vodotěsných verzí provedených v roce 2015, a potvrdily strašidelnost reality., „Quantum foundations je pole, které bylo Bellem skutečně experimentálně zahájeno-nyní starší 50 let. A strávili jsme spoustu času reimplementováním těchto experimentů a diskutováním o tom, co znamenají,“ říká Steinberg. „Je velmi vzácné, že lidé jsou schopni přijít s novým testem, který se pohybuje mimo Bell.“
cílem týmu Brisbane bylo odvodit a otestovat novou větu, která by to udělala, a poskytnout ještě přísnější omezení—hranice“místní přívětivosti“—o povaze reality. Stejně jako Bellova teorie je imaginární výzkumník místní., Výslovně také zakazují „superdeterminismus“ – to znamená, že trvají na tom, že experimentátoři si mohou svobodně vybrat, co měřit, aniž by byli ovlivňováni událostmi v budoucnosti nebo vzdálené minulosti. (Bell implicitně předpokládal, že experimentátoři mohou také svobodně rozhodovat.) Nakonec tým předepisuje, že když pozorovatel provede měření, výsledek je skutečná, jediná událost na světě—není příbuzná nikomu nebo něčemu.,
Testování místní přívětivost vyžaduje mazaný nastavení zahrnující dva „superobservers,“ Alice a Bob (kdo hrát roli Wigner), sledovat své přátele a Debbie. Alice a Bob mají každý svůj vlastní interferometr-přístroj používaný k manipulaci s paprsky fotonů. Před měřením jsou polarizace fotonů v superpozici horizontální i vertikální. Páry zapletených fotonů jsou připraveny tak, že pokud je polarizace jednoho měřena tak, aby byla vodorovná, polarizace jeho partnera by se měla okamžitě otočit tak, aby byla svislá., Jeden foton z každého zapleteného páru je odeslán do interferometru Alice a jeho partner je poslán Bobovi. Charlie a Debbie nejsou v tomto testu ve skutečnosti lidskými přáteli. Spíše jsou to posunovače paprsků na přední straně každého interferometru. Když Alicin foton zasáhne posunovač, jeho polarizace se účinně měří a otáčí se doleva nebo doprava, v závislosti na směru polarizace, do které zapadne. Tato akce hraje roli Alice přítele Charlieho „měření“ polarizace. (Debbie podobně sídlí v Bobově interferometru.,)
Alice se pak musí rozhodnout: může okamžitě změřit novou odchýlenou cestu fotonu, což by bylo ekvivalentem otevření laboratorních dveří a zeptat se Charlieho, co viděl. Nebo ona může povolit photon, aby pokračoval na své cestě prochází druhý paprsek displacer, že znovu kombinuje na levé a pravé cesty—odpovídá vedení laboratoře, dveře se zavřely. Alice pak může přímo měřit polarizaci svého fotonu, když vystupuje z interferometru., V průběhu experimentu, Alice a Bob nezávisle vybrat, které volby měření, aby se a pak porovnat poznámky pro výpočet korelace vidět v celé řadě zapletených párů.
Tischler a její kolegové provedli 90 000 pokusů. Jak se očekávalo, korelace porušily Bellovy původní hranice-a zásadně také porušily nový práh místní přívětivosti., Tým může také změnit nastavení zpět na stupeň provázání mezi fotony zasláním jeden z dvojice na objížďku před tím, než vstoupil do svého interferometr, jemně rušivé dokonalé harmonii mezi partnery. Když vědci spustili experiment s tímto mírně nižší úroveň zapletení, našli místo, kde korelace stále porušována Bell je vázán, ale ne místní přívětivost. Tento výsledek ukázal, že obě sady mezí nejsou rovnocenné a že nová omezení místní přívětivosti jsou silnější, říká Tischler., „Pokud je porušíte, dozvíte se více o realitě,“ dodává. Tedy, pokud se vaše teorie tvrdí, že „přátelé“ mohou být léčeny jako kvantové systémy, pak musíte buď vzdát lokalitě, přijmout, že měření nemají jediný výsledek, že pozorovatel se musí dohodnout na, nebo umožňují superdeterminism. Každá z těchto možností má hluboké—a, pro některé fyziky, zřetelně odporné-důsledky.,
Přehodnocení Reality
„Ten papír je důležitý filozofický obor,“ říká Michele Reilly, spoluzakladatel Turing, quantum computing společnost se sídlem v New Yorku, který nebyl zapojen do práce. Poznamenává, že fyzici studující kvantové základy se často snažili přijít s proveditelným testem, který by podpořil jejich velké myšlenky. „Jsem nadšený, že vidím experiment za filozofickými studiemi,“ říká Reilly. Steinberg nazývá experiment „extrémně elegantním“ a chválí tým za řešení tajemství role pozorovatele v měření head-on.,
i když to není žádné překvapení, že kvantová mechanika nás nutí vzdát se rozumu předpoklad—fyzici věděli, že od Zvonu—“předem je, že jsme zúžení na tom, který z těchto předpokladů je,“ říká Wharton, který byl také není součástí studie. Přesto poznamenává, že zastánci většiny kvantových interpretací neztratí žádný spánek. Fanoušci retrocausality, jako je sám, již smířil s superdeterminism: podle jejich názoru, to není šokující, že budoucí měření ovlivňují minulé výsledky., Mezitím QBists a mnoho-světy přívrženci dávno vyhodil požadavek, že kvantová mechanika předepisuje jediný výsledek, že každý pozorovatel musí souhlasit.
a oba Bohmské mechaniky a modely spontánního kolapsu již šťastně vykopaly lokalitu v reakci na Bell. Modely kolapsu navíc říkají, že skutečný makroskopický přítel nemůže být v první řadě manipulován jako kvantový systém.
Vaidman, který se také do nové práce nezapojil, je však méně nadšený a kritizuje identifikaci Wignerova přítele s fotonem., Metody používané v novinách „jsou směšné, přítel musí být makroskopický,“ říká. Filozof fyziky Tim Maudlin z New York University, který nebyl součástí studie, souhlasí. „Nikdo si nemyslí, že foton je pozorovatel, pokud nejste panpsychik,“ říká. Protože žádný fyzik nezpochybňuje, zda lze foton umístit do superpozice, Maudlin cítí, že experiment postrádá kousnutí. „Vylučuje to něco-jen něco, co nikdo nikdy nenavrhoval,“ říká.
Tischler kritiku přijímá. „Nechceme přemáhat to, co jsme udělali,“ říká., Klíčové pro budoucí experimenty bude rozšiřovat velikost „přítel,“ dodává člen týmu Howard Wiseman, fyzik na Griffith University. Nejdramatičtějším výsledkem by podle něj bylo použití umělé inteligence, ztělesněné na kvantovém počítači, jako přítele. Někteří filozofové se domnívají, že takový stroj by mohl mít lidskou zkušeností, postoj, známý jako silný AI hypotéza, Wiseman poznámky, i když nikdo zatím neví, zda ten nápad se ukáže být pravda. Ale pokud hypotéza platí, tato kvantově založená umělá obecná inteligence (AGI) by byla mikroskopická., Takže z hlediska modelů spontánního kolapsu by to nezpůsobilo kolaps kvůli jeho velikosti. Pokud by takový test proběhl a nebyla porušena místní přívětivost, znamenalo by to, že vědomí AGI nemůže být vloženo do superpozice. Na druhé straně by tento závěr naznačoval, že Wigner měl pravdu, že vědomí způsobuje kolaps. „Nemyslím si, že se dožiju takového experimentu,“ říká Wiseman. „Ale to by bylo revoluční.,“
Reilly, však varuje, že fyzici doufají, že budoucnost AGI jim pomůže na základní popis reality je uvedení vůz před koně. „Není pro mě nepředstavitelné, že kvantové počítače budou posunem paradigmatu, aby se k nám dostaly do AGI,“ říká. „Nakonec potřebujeme teorii všeho, abychom mohli postavit AGI na kvantovém počítači, období, úplné zastavení.“
tento požadavek může vyloučit grandióznější plány. Tým však také navrhuje skromnější průběžné testy zahrnující systémy strojového učení jako přátele, což apeluje na Steinberga., Tento přístup je podle něj“ zajímavý a provokativní“. „Je možné si představit, že větší a větší výpočetní zařízení by mohla být ve skutečnosti měřena kvantovým způsobem.“
Renato Renner, kvantové fyziky na Švýcarském Federálním technologickém Institutu v Curychu (ETH Curych), dělá ještě silnější tvrzení: bez ohledu na to, zda budoucí experimenty mohou být prováděny, říká, že nová věta nám říká, že kvantová mechanika je potřeba vyměnit., V roce 2018 Renner a jeho kolegyně Daniela Frauchiger, pak na ETH Curych, publikoval experiment na základě wignerův přítel a používá k odvození nové paradox. Jejich nastavení se liší od nastavení týmu Brisbane, ale také zahrnuje čtyři pozorovatele, jejichž měření se může zaplést. Renner a Frauchiger vypočítali, že pokud pozorovatelé použijí kvantové zákony jeden na druhého, mohou ve stejném experimentu vyvodit různé výsledky.
„nový dokument je dalším potvrzením, že máme problém se současnou kvantovou teorií,“ říká Renner, který se práce nezúčastnil., Tvrdí, že nikdo z dnešní kvantové interpretace mohou červ jejich cestu ven z tzv. Frauchiger-Renner paradox bez zastánci toho, že jsou jedno, zda kvantová teorie dává konzistentní výsledky. Qbisté nabízejí nejpříjemnější způsob útěku, protože Od počátku říkají, že kvantová teorie nemůže být použita k odvození toho, co ostatní pozorovatelé změří, říká Renner. „Stále mě to znepokojuje: pokud je pro mě všechno jen osobní, jak vám mohu říci něco důležitého?“dodává., Renner nyní pracuje na nové teorii, která poskytuje soubor matematických pravidel, která by umožnila jednomu pozorovateli zjistit, co by měl jiný vidět v kvantovém experimentu.
přesto ti, kteří pevně věří, že jejich oblíbená interpretace je správná, vidí v Tischlerově studii malou hodnotu. „Pokud si myslíte, že kvantová mechanika je nezdravá a potřebuje ji nahradit, pak je to užitečné, protože vám říká nová omezení,“ říká Vaidman. „Ale nesouhlasím s tím, že tomu tak je—mnoho světů vysvětluje všechno.,“
prozatím budou muset fyzici nadále souhlasit s tím, aby nesouhlasili s tím, která interpretace je nejlepší nebo zda je zapotřebí zcela nová teorie. „Tam jsme skončili na začátku 20. století—jsme z toho opravdu zmateni,“ říká Reilly. „Ale tyto studie jsou přesně tou správnou věcí, kterou je třeba udělat, aby si to promysleli.“
Disclaimer: autor často píše pro Foundational Questions Institute, který sponzoruje výzkum ve fyzice a kosmologii a částečně financoval studii Brisbane týmu.