Hvad betyder det føles at være både levende og døde?
dette spørgsmål irriterede og inspirerede ungarsk-amerikansk fysiker Eugene .igner i 1960 ‘ erne., Han var frustreret over de paradokser som følge af luner kvantemekanik-teorien om den mikroskopiske rige, der tyder på, blandt mange andre counterintuitive ting, at indtil en quantumuantum system er observeret, det ikke nødvendigvis har konkrete egenskaber. Tage hans kolleger fysiker Erwin Schrödingers berømte tankeeksperiment, hvor en kat er fanget i en kasse med gift, som vil blive frigivet, hvis et radioaktivt atom henfalder., Radioaktivitet er en kvanteproces, så før boksen åbnes, går historien, atomet er både forfaldne og ikke forfaldne, hvilket efterlader den uheldige kat i limbo—en såkaldt superposition mellem liv og død. Men oplever katten at være i superposition?gner skærpede Paradokset ved at forestille sig en (menneskelig) ven af hans lukket i et laboratorium, der måler et kvantesystem. Han hævdede, at det var absurd at sige, at hans ven eksisterer i en superposition for at have set og ikke set et forfald, medmindre og indtil .igner åbner laboratoriedøren., “Tankeeksperimentet’ thoughtigner ‘s friend’ viser, at tingene kan blive meget underlige, hvis observatøren også observeres,” siger Nora Tischler, en kvantefysiker ved Griffith University i Brisbane, Australien.
nu har Tischler og hendes kolleger udført en version af testigner ‘ s friend-testen. Ved at kombinere det klassiske tankeeksperiment med en anden kvantehovedskraber kaldet sammenfiltring-et fænomen, der forbinder partikler over store afstande—har de også afledt en ny sætning, som de hævder sætter de stærkeste begrænsninger endnu på virkelighedens grundlæggende natur., Deres undersøgelse, der optrådte i Nature Physics den 17.August, har konsekvenser for den rolle, som bevidstheden kan spille i kvantefysik—og endda om kvanteteori skal udskiftes.
det nye arbejde er et “vigtigt skridt fremad inden for eksperimentel metafysik,” siger kvantefysiker Aephraim Steinberg fra University of Toronto, som ikke var involveret i undersøgelsen. “Det er begyndelsen på, hvad jeg forventer vil være et stort program for forskning.,”
et spørgsmål om smag
indtil kvantefysik kom sammen i 1920 ‘ erne, forventede fysikere, at deres teorier var deterministiske, hvilket genererede forudsigelser for resultatet af eksperimenter med sikkerhed. Men kvanteteori ser ud til at være iboende probabilistisk. Lærebogsversionen-også kaldet Københavns fortolkning-siger, at indtil et systems egenskaber måles, kan de omfatte utallige værdier. Denne superposition kollapser kun i en enkelt tilstand, når systemet observeres, og fysikere kan aldrig præcist forudsige, hvad denne tilstand vil være., Wigigner holdt den daværende populære opfattelse, at bevidstheden på en eller anden måde udløser en superposition til at kollapse. Dermed, hans hypotetiske ven ville skelne et bestemt resultat, når hun eller han foretog en måling—og andigner ville aldrig se hende eller ham i superposition.
denne opfattelse er siden faldet Uden for fordel. “Folk i grundlaget for kvantemekanik afviser hurtigt .igners opfattelse som uhyggelig og dårligt defineret, fordi det gør observatører specielle,” siger David Chalmers, en filosof og kognitiv videnskabsmand ved ne.York University., I dag er de fleste fysikere enige om, at livløse objekter kan slå kvantesystemer ud af superposition gennem en proces kendt som decoherence. Sikkert, forskere, der forsøger at manipulere komplekse kvanteoverlejringer i laboratoriet, kan finde deres hårde arbejde ødelagt af hurtige luftpartikler, der kolliderer med deres systemer. Så de udfører deres test ved ultrakolde temperaturer og forsøger at isolere deres apparater fra vibrationer.,flere konkurrerende kvantefortolkninger er dukket op i løbet af årtierne, der anvender mindre mystiske mekanismer, såsom decoherence, for at forklare, hvordan superpositioner bryder sammen uden at påberåbe sig bevidsthed. Andre fortolkninger har den endnu mere radikale holdning, at der slet ikke er nogen sammenbrud. Hver har sin egen underlige og vidunderlige tage på testigner test. Det mest eksotiske er “mange verdener” – visningen, der siger, at når du foretager en kvantemåling, bryder virkeligheden og skaber parallelle universer for at imødekomme ethvert muligt resultat., Således Wigner ‘ s ven ville opdelt i to eksemplarer, og med god nok supertechnology,” han faktisk kunne måle, at person at være i superposition fra lande uden for laboratoriet, siger kvantefysiker og mange-verdener fan Lev Vaidman af Tel Aviv University.
alternativ “Bohmian” teori (opkaldt efter fysikeren David Bohm) siger, at på grundlæggende niveau, quantum systems har bestemte egenskaber; vi har bare ikke ved nok om disse systemer til præcist at forudsige deres adfærd., I det tilfælde, venen har en enkelt oplevelse, men .igner kan stadig måle, at den enkelte til at være i en superposition på grund af sin egen uvidenhed. I modsætning hertil omfavner en relativ nykommer på blokken kaldet interpretationbism-fortolkningen det probabilistiske element i kvanteteori helhjertet (QBism, udtalt “kubisme”, er faktisk en forkortelse for quantumuantum Bayesianism, en henvisning til det 18.århundrede matematiker Thomas Bayes arbejde med Sandsynlighed.,) QBists hævder, at en person kun kan bruge kvantemekanik til at beregne, hvordan man kalibrerer hans eller hendes tro på, hvad han eller hun vil måle i et eksperiment. “Måleresultater skal betragtes som personlige for den agent, der foretager målingen,” siger Ruediger Schack fra Royal Hollo .ay, University of London, som er en af founbism ‘ s grundlæggere. Ifølge tenbism ‘ s principper kan kvanteteori ikke fortælle dig noget om den underliggende virkelighedstilstand, og norigner kan heller ikke bruge den til at spekulere på sin vens oplevelser.,
en anden spændende fortolkning, kaldet retrocausality, tillader begivenheder i fremtiden at påvirke fortiden. “I en retrocausal konto, Wigner’ s ven absolut ikke oplever noget,” siger Ken Wharton, en fysiker ved San Jose State University, der er en fortaler for denne gang-vridning udsigt. Men det” noget”, som venen oplever på målepunktet, kan afhænge af .igners valg af, hvordan man observerer denne person senere.,
problemet er, at hver fortolkning er lige så god—eller dårlig—til at forudsige resultatet af kvantetest, så valget mellem dem kommer til smag. “Ingen ved, hvad løsningen er,” siger Steinberg. “Vi ved ikke engang, om listen over potentielle løsninger, vi har, er udtømmende.”
andre modeller, kaldet sammenbrudsteorier, gør testbare forudsigelser. Disse modeller klæber på en mekanisme, der tvinger et kvantesystem til at kollapse, når det bliver for stort—forklarer, hvorfor katte, mennesker og andre makroskopiske genstande ikke kan være i superposition., Eksperimenter er i gang for at jage efter underskrifter af sådanne sammenbrud, men endnu har de ikke fundet noget. Kvantefysikere placerer også stadig større objekter i superposition: sidste år rapporterede et hold i .ien at gøre det med et 2,000-atom-molekyle. De fleste quantum fortolkninger sige, at der er ingen grund til, hvorfor disse bestræbelser på at supersize superpositions bør ikke fortsætte for evigt opadgående, at antage, at forskere kan finde den rigtige eksperimenter i uberørte lab betingelser, således at dekohærens kan undgås., Collapse teorier hævder imidlertid, at en grænse en dag vil blive nået, uanset hvor omhyggeligt eksperimenter udarbejdes. “Hvis du prøver at manipulere en klassisk observatør—et menneske, sige, og behandle det som en kvante-system, vil det umiddelbart sammenbrud,” siger Angelo Bassi, en kvantefysiker og fortaler for sammenbrud teorier ved Universitetet i Trieste i Italien.
en måde at se Friendigners ven
Tischler og hendes kolleger mente, at analyse og udførelse af et friendigners veneksperiment kunne kaste lys over grænserne for kvanteteori., De blev inspireret af en ny bølge af teoretiske og eksperimentelle papirer, der har undersøgt observatørens rolle i kvanteteori ved at bringe sammenfiltring i .igners klassiske opsætning. Sig, at du tager to lyspartikler eller fotoner, der er polariserede, så de kan vibrere vandret eller lodret. Fotonerne kan også placeres i en superposition af vibrerende både vandret og lodret på samme tid, ligesom Schr .dingers paradoksale kat kan være både levende og død, før den observeres.,
sådanne par fotoner kan fremstilles sammen—sammenfiltret—så deres polarisationer altid viser sig at være i den modsatte retning, når de observeres. Det virker måske ikke underligt—medmindre du husker, at disse egenskaber ikke er rettet, før de måles., Selv hvis den ene foton gives til en fysiker kaldet Alice i Australien, mens den anden transporteres til sin kollega Bob i et laboratorium i Bobien, sikrer sammenfiltring, at så snart Alice observerer sin foton og for eksempel finder sin polarisering vandret, synkroniseres polariseringen af Bobs foton øjeblikkeligt til vibrerende lodret. Fordi de to fotoner ser ud til at kommunikere hurtigere end lysets hastighed—noget forbudt af hans relativitetsteorier—dette fænomen dybt urolige Albert Einstein, der kaldte det “uhyggelig handling på afstand.,”
disse bekymringer forblev teoretiske indtil 1960 ‘ erne, da fysiker John Bell udtænkte en måde at teste, om virkeligheden virkelig er uhyggelig—eller om der kunne være en mere dagligdags forklaring bag sammenhængen mellem sammenfiltrede partnere. Bell forestillede sig en commonsense teori, der var lokal—det vil sige en, hvor påvirkninger ikke kunne rejse mellem partikler med det samme. Det var også deterministisk snarere end iboende probabilistisk, så eksperimentelle resultater kunne i princippet forudsiges med sikkerhed, hvis kun fysikere forstod mere om systemets skjulte egenskaber., Og det var realistisk, hvilket for en kvanteteoretiker betyder, at systemer ville have disse bestemte egenskaber, selvom ingen kiggede på dem. Derefter beregnede Bell det maksimale niveau af korrelationer mellem en række sammenfiltrede partikler, som en sådan lokal, deterministisk og realistisk teori kunne understøtte. Hvis denne tærskel blev overtrådt i et eksperiment, skal en af antagelserne bag teorien være falsk.
sådanne “Bell tests” er siden blevet udført, med en række vandtætte versioner udført i 2015, og de har bekræftet virkelighedens spookiness., “Quantumuantum foundations er et felt, der virkelig blev startet eksperimentelt af Bells-nu over 50 år gammel. Og vi har brugt meget tid på at genimplementere disse eksperimenter og diskutere, hvad de betyder,” siger Steinberg. “Det er meget sjældent, at folk er i stand til at komme med en ny test, der bevæger sig ud over Bell.”
Brisbane—holdets mål var at udlede og teste en ny sætning, der ville gøre netop det, hvilket giver endnu strengere begrænsninger—” lokal venlighed ” – grænser-om virkelighedens natur. Ligesom Bells teori er forskernes imaginære en lokal., De forbyder også eksplicit “superdeterminisme” – det vil sige, de insisterer på, at eksperimenter frit kan vælge, hvad de skal måle uden at blive påvirket af begivenheder i fremtiden eller den fjerne fortid. (Bell antog implicit, at eksperimenter også kan træffe frie valg.) Endelig foreskriver holdet, at når en observatør foretager en måling, er resultatet en reel, enkelt begivenhed i verden—det er ikke i forhold til nogen eller noget.,
Test lokale venlighed kræver en snedige setup, der involverer to “superobservers,” Alice og Bob (som spiller rollen som Wigner), ser deres venner Charlie og Debbie. Alice og Bob har hver deres eget interferometer—et apparat, der bruges til at manipulere bjælker af fotoner. Før de måles, fotonernes polarisationer er i en superposition af at være både vandret og lodret. Par af sammenfiltrede fotoner fremstilles således, at hvis polariseringen af en måles til at være vandret, skal polariseringen af sin partner straks vende for at være lodret., En foton fra hvert sammenfiltret par sendes ind i Alice ‘ s interferometer, og dets partner sendes til Bobs. Charlie og Debbie er faktisk ikke menneskelige venner i denne test. Snarere er de bjælkeforskydninger foran på hvert interferometer. Når Alice ‘ s foton rammer forskydningen, måles dens polarisering effektivt, og den svinger enten til venstre eller højre, afhængigt af retningen af den polarisering, den klikker på. Denne handling spiller rollen som Alice ‘s ven Charlie” måler ” polariseringen. (Debbie bor ligeledes i Bobs interferometer.,)
Alice skal derefter træffe et valg: hun kan måle fotonens nye afvigende sti med det samme, hvilket svarer til at åbne laboratoriedøren og spørge Charlie, hvad han så. Eller hun kan tillade fotonen at fortsætte på sin rejse og passere gennem en anden bjælkeforskydning, der rekombinerer venstre og højre stier—svarende til at holde laboratoriedøren lukket. Alice kan derefter direkte måle hendes fotons polarisering, når den forlader interferometeret., Gennem hele eksperimentet, Alice og Bob vælger uafhængigt, hvilke målevalg de skal foretage, og sammenlign derefter noter for at beregne korrelationerne set på tværs af en række sammenfiltrede par.
Tischler og hendes kolleger gennemførte 90.000 kørsler af eksperimentet. Som forventet krænkede korrelationerne Bells oprindelige grænser-og afgørende overtrådte de også den nye tærskel for lokal venlighed., Holdet kunne også ændre opsætningen for at indstille graden af sammenfiltring mellem fotonerne ved at sende et af parret på en omvej, før det kom ind i interferometeret, forsigtigt forstyrre den perfekte harmoni mellem partnerne. Da forskerne kørte eksperimentet med dette lidt lavere niveau af sammenfiltring, fandt de et punkt, hvor korrelationerne stadig krænkede Bells bundne, men ikke lokale venlighed. Dette resultat viste, at de to sæt grænser ikke er ækvivalente, og at de nye begrænsninger for lokal venlighed er stærkere, siger Tischler., “Hvis du overtræder dem, lærer du mere om virkeligheden,” tilføjer hun. Nemlig, hvis din teori siger, at “venner” kan behandles som kvantesystemer, skal du enten opgive lokalitet, acceptere, at målinger ikke har et enkelt resultat, som observatører skal være enige om eller tillade superdeterminisme. Hver af disse muligheder har dybe—og, til nogle fysikere, tydeligt usmagelige-konsekvenser.,
genovervejelse af virkeligheden
“papiret er en vigtig filosofisk undersøgelse,” siger Michele Reilly, medstifter af Turing, et kvantecomputerfirma med base i Ne.York City, som ikke var involveret i arbejdet. Hun bemærker, at fysikere, der studerer kvantefundamenter, ofte har kæmpet for at komme med en gennemførlig test for at sikkerhedskopiere deres store ideer. “Jeg er begejstret for at se et eksperiment bag filosofiske studier,” siger Reilly. Steinberg kalder eksperimentet “ekstremt elegant” og roser teamet for at tackle mysteriet om observatørens rolle i måling head-on.,
Selv om det er ingen overraskelse, at kvantemekanikken tvinger os til at opgive en fornuftig antagelse—fysikere vidste, at fra Bell—”advance her er, at vi er en indsnævring på, hvilken af disse antagelser er det,” siger Wharton, der var heller ikke en del af undersøgelsen. Alligevel bemærker han, at fortalere for de fleste kvantefortolkninger ikke mister nogen søvn. Fans af retrocausalitet, som ham selv, har allerede skabt fred med superdeterminisme: efter deres opfattelse er det ikke chokerende, at fremtidige målinger påvirker tidligere resultater., I mellemtiden kastede adbists og mange verdens tilhængere for længe siden kravet om, at kvantemekanik foreskriver et enkelt resultat, som enhver observatør skal blive enige om.
og både Bohmian mekanik og spontane sammenbrud modeller allerede lykkeligt droppet lokalitet som svar på Bell. Desuden siger kollapsmodeller, at en rigtig makroskopisk ven ikke kan manipuleres som et kvantesystem i første omgang.
Vaidman, der heller ikke var involveret i det nye værk, er dog mindre begejstret af det og kritiserer identifikationen af friendigners ven med en foton., Metoderne, der bruges i papiret “er latterlige; venen skal være makroskopisk,” siger han. Filosof af fysik Tim Maudlin fra ne.York University, som ikke var en del af undersøgelsen, er enig. “Ingen mener, at en foton er en observatør, medmindre du er en panpsychic,” siger han. Fordi ingen fysiker sætter spørgsmålstegn ved, om en foton kan sættes i superposition, føler Maudlin eksperimentet mangler bid. “Det udelukker noget—bare noget, som ingen nogensinde har foreslået,” siger han.Tischler accepterer kritikken. “Vi ønsker ikke at overvinde det, vi har gjort,” siger hun., Nøglen til fremtidige eksperimenter vil opskalere størrelsen på “venen”, tilføjer teammedlem Ho .ard .iseman, en fysiker ved Griffith University. Det mest dramatiske resultat, siger han, ville involvere brug af en kunstig intelligens, legemliggjort på en kvantecomputer, som venen. Nogle filosoffer har fundet ud af, at en sådan maskine kunne have menneskelige oplevelser, en position kendt som den stærke AI-hypotese, bemærker Wisiseman, selvom ingen endnu ved, om denne ID.vil vise sig at være sand. Men hvis hypotesen holder, ville denne kvantebaserede kunstige generelle intelligens (AGI) være mikroskopisk., Så fra synspunktet om spontane sammenbrudsmodeller ville det ikke udløse sammenbrud på grund af dets størrelse. Hvis en sådan test blev kørt, og den lokale venlighed bundet ikke blev overtrådt, ville dette resultat betyde, at en AGIS bevidsthed ikke kan sættes i superposition. Til gengæld ville denne konklusion antyde, at .igner havde ret i, at bevidstheden forårsager sammenbrud. “Jeg tror ikke, jeg vil leve for at se et eksperiment som dette,” siger .iseman. “Men det ville være revolutionerende.,”
Reilly advarer imidlertid om, at fysikere, der håber, at fremtidig AGI vil hjælpe dem med at komme ind på den grundlæggende beskrivelse af virkeligheden, sætter vognen foran hesten. “Det er ikke utænkeligt for mig, at kvantecomputere vil være paradigmeskiftet for at komme til os i AGI,” siger hun. “I sidste ende har vi brug for en teori om alt for at bygge en AGI på en kvantecomputer, periode, fuld stop.”
dette krav kan udelukke mere grandiose planer. Men holdet foreslår også mere beskedne mellemprøver, der involverer maskinlæringssystemer som venner, hvilket appellerer til Steinberg., Denne tilgang er ” interessant og provokerende,” siger han. “Det bliver tænkeligt, at større og større beregningsenheder faktisk kunne måles på kvantemåde.”
Renato Renner, en kvantefysiker på Schweiziske Føderale Institut for Teknologi, Zürich (ETH Zürich), gør et endnu stærkere krav: uanset om fremtidige eksperimenter kan gennemføres, siger han, den nye læresætning fortæller os, at kvantemekanikken skal udskiftes., I 2018 offentliggjorde Renner og hans kollega Daniela Frauchiger, derefter hos ETH .urich, et tankeeksperiment baseret på friendigners ven og brugte det til at udlede et nyt paradoks. Deres opsætning adskiller sig fra Brisbane-teamets, men involverer også fire observatører, hvis målinger kan blive sammenfiltrede. Renner og Frauchiger beregnet, at hvis observatørerne anvender kvantelove på hinanden, kan de ende med at udlede forskellige resultater i det samme eksperiment.
“det nye papir er en anden bekræftelse på, at vi har et problem med den nuværende kvanteteori,” siger Renner, der ikke var involveret i arbejdet., Han hævder, at ingen af nutidens kvantefortolkninger kan orm sig ud af det såkaldte Frauchiger-Renner-paradoks uden fortalere, der indrømmer, at de er ligeglade med, om kvanteteori giver konsistente resultater. QBists tilbyder det mest velsmagende middel til Flugt, for fra starten siger de, at kvanteteori ikke kan bruges til at udlede, hvad andre observatører vil måle, siger Renner. “Det bekymrer mig stadig: hvis alt bare er personligt for mig, hvordan kan jeg sige noget relevant for dig?”tilføjer han., Renner arbejder nu på en ny teori, der giver et sæt matematiske regler, der giver en observatør mulighed for at finde ud af, hvad en anden skal se i et kvanteeksperiment.
stadig ser de, der stærkt tror på deres yndlingsfortolkning, lidt værdi i Tischlers undersøgelse. “Hvis du synes, at kvantemekanik er usundt, og den skal udskiftes, er dette nyttigt, fordi det fortæller dig nye begrænsninger,” siger Vaidman. “Men jeg er ikke enig i, at dette er tilfældet—mange verdener forklarer alt.,”
for nu skal fysikere fortsætte med at blive enige om at være uenige om, hvilken fortolkning der er bedst, eller om en helt ny teori er nødvendig. “Det var her, vi slap i begyndelsen af det 20.århundrede—vi er virkelig forvirrede over dette,” siger Reilly. “Men disse undersøgelser er nøjagtigt den rigtige ting at gøre for at tænke igennem det.”
ansvarsfraskrivelse: forfatteren skriver ofte for Instituttet for grundlæggende spørgsmål, der sponsorerer forskning i fysik og kosmologi og delvist finansierede Brisbane-teamets undersøgelse.