Qu’est-ce que ça fait d’être à la fois vivant et mort?
cette question a irrité et inspiré le physicien américano-hongrois Eugene Wigner dans les années 1960., Il était frustré par les paradoxes découlant des aléas de la mécanique quantique—la théorie régissant le domaine microscopique qui suggère, parmi beaucoup d’autres choses contre-intuitives, que jusqu’à ce qu’un système quantique soit observé, il n’a pas nécessairement de propriétés définies. Prenez la célèbre expérience de pensée de son collègue physicien Erwin Schrödinger dans laquelle un chat est piégé dans une boîte contenant du poison qui sera libéré si un atome radioactif se désintègre., La radioactivité est un processus quantique, donc avant que la boîte ne soit ouverte, l’histoire raconte que l’Atome A à la fois pourri et non pourri, laissant le malheureux chat dans les limbes—une soi-disant superposition entre la vie et la mort. Mais le chat l’expérience d’être en superposition?
Wigner a aiguisé le paradoxe en imaginant un ami (humain) enfermé dans un laboratoire, mesurant un système quantique. Il a soutenu qu « il était absurde de dire que son ami existe dans une superposition d » avoir vu et non vu une décomposition à moins et jusqu » à ce que Wigner ouvre la porte du laboratoire., ” L’expérience de pensée « wigner’s friend » montre que les choses peuvent devenir très étranges si l’observateur est également observé », explique Nora Tischler, physicienne quantique à L’Université Griffith de Brisbane, en Australie.
maintenant, Tischler et ses collègues ont effectué une version du test wigner’s friend. En combinant l’expérience de pensée classique avec une autre tête-scratcher quantique appelé intrication—un phénomène qui relie les particules à travers de vastes distances—ils ont également dérivé un nouveau théorème, qui, selon eux, met les contraintes les plus fortes encore sur la nature fondamentale de la réalité., Leur étude, parue dans Nature Physics le 17 août, a des implications sur le rôle que la conscience pourrait jouer en physique quantique—et même si la théorie quantique doit être remplacée.
le nouveau travail est un « pas important en avant dans le domaine de la métaphysique expérimentale”, a déclaré le physicien quantique Aephraim Steinberg de L’Université de Toronto, qui n’a pas participé à l’étude. « C’est le début de ce que je m’attends à être un énorme programme de recherche., »
une question de goût
Jusqu’à ce que la physique quantique arrive dans les années 1920, les physiciens s’attendaient à ce que leurs théories soient déterministes, générant des prédictions pour le résultat des expériences avec certitude. Mais la théorie quantique semble être intrinsèquement probabiliste. La version du manuel—parfois appelée interprétation de Copenhague-dit que tant que les propriétés d’un système ne sont pas mesurées, elles peuvent englober une myriade de valeurs. Cette superposition ne s’effondre en un seul État que lorsque le système est observé, et les physiciens ne peuvent jamais prédire avec précision ce que sera cet état., Wigner a tenu l’opinion alors populaire que la conscience déclenche en quelque sorte une superposition à l’effondrement. Ainsi, son hypothétique ami discernerait un résultat définitif quand elle ou il ferait une mesure-et Wigner ne la verrait jamais en superposition.
Ce point de vue est depuis tombé en disgrâce. ” Les gens dans les fondements de la mécanique quantique rejettent rapidement le point de vue de Wigner comme effrayant et mal défini parce qu’il rend les observateurs Spéciaux », explique David Chalmers, philosophe et scientifique cognitif à L’Université de New York., Aujourd’hui, la plupart des physiciens conviennent que les objets inanimés peuvent éliminer les systèmes quantiques de la superposition par un processus appelé décohérence. Certes, les chercheurs qui tentent de manipuler des superpositions quantiques complexes en laboratoire peuvent voir leur dur labeur détruit par des particules d’air rapides entrant en collision avec leurs systèmes. Ils effectuent donc leurs tests à des températures ultracold et tentent d’isoler leurs appareils des vibrations.,
plusieurs interprétations quantiques concurrentes ont vu le jour au cours des décennies qui utilisent des mécanismes moins mystiques, tels que la décohérence, pour expliquer comment les superpositions se décomposent sans invoquer la conscience. D’autres interprétations tiennent la position encore plus radicale qu’il n’y a pas d’effondrement du tout. Chacun a sa propre version étrange et merveilleuse du test de Wigner. Le plus exotique est la vue « Beaucoup de mondes », qui dit que chaque fois que vous faites une mesure quantique, la réalité se fracture, créant des univers parallèles pour accueillir tous les résultats possibles., Ainsi, l’ami de Wigner se diviserait en deux exemplaires et, « avec une supertechnologie suffisante”, il pourrait en effet mesurer cette personne en superposition depuis l’extérieur du laboratoire, explique Lev Vaidman, physicien quantique et fan de nombreux mondes, de L’Université de Tel Aviv.
la théorie alternative « Bohmienne” (du nom du physicien David Bohm) dit qu’au niveau fondamental, les systèmes quantiques ont des propriétés définies; nous n’en savons tout simplement pas assez sur ces systèmes pour prédire précisément leur comportement., Dans ce cas, l’ami a une seule expérience, mais Wigner peut toujours mesurer que l’individu est dans une superposition à cause de sa propre ignorance. En revanche, un nouveau venu relatif sur le bloc appelé l’interprétation du Qbisme embrasse de tout cœur l’élément probabiliste de la théorie quantique (le Qbisme, prononcé « cubisme”, est en fait l’abréviation de Quantum Bayesianism, une référence aux travaux du mathématicien Thomas Bayes du 18ème siècle sur les probabilités.,) Les qbistes soutiennent qu’une personne ne peut utiliser la mécanique quantique que pour calculer comment calibrer ses croyances sur ce qu’elle mesurera dans une expérience. ” Les résultats de la mesure doivent être considérés comme personnels à l’agent qui fait la mesure », explique Ruediger Schack de Royal Holloway, Université de Londres, qui est l’un des fondateurs de QBism. Selon les principes du Qbisme, la théorie quantique ne peut rien vous dire sur l’état sous-jacent de la réalité, ni Wigner ne peut l’utiliser pour spéculer sur les expériences de son ami.,
Une autre interprétation intrigante, appelée rétrocausalité, permet aux événements du futur d’influencer le passé. ” Dans un récit rétrocausal, l’ami de Wigner fait absolument l’expérience de quelque chose », explique Ken Wharton, physicien à L’Université D’État de San Jose, qui défend cette vision du temps. Mais ce” quelque chose » que l’ami éprouve au point de mesure peut dépendre du choix de Wigner sur la façon d’observer cette personne plus tard.,
le problème est que chaque interprétation est également bonne—ou mauvaise—pour prédire le résultat des tests quantiques, donc choisir entre eux revient à goûter. ” Personne ne sait quelle est la solution », dit Steinberg. « Nous ne savons même pas si la liste des solutions potentielles que nous avons est exhaustive. »
D’autres modèles, appelés théories de l’effondrement, font des prédictions testables. Ces modèles s’appuient sur un mécanisme qui force un système quantique à s’effondrer lorsqu’il devient trop gros—expliquant pourquoi les chats, les personnes et les autres objets macroscopiques ne peuvent pas être en superposition., Des expériences sont en cours pour rechercher les signatures de tels effondrements, mais jusqu’à présent, ils n’ont rien trouvé. Les physiciens quantiques placent également des objets de plus en plus grands en superposition: l’année dernière, une équipe de Vienne a rapporté le faire avec une molécule de 2 000 atomes. La plupart des interprétations quantiques disent qu’il n’y a aucune raison pour que ces efforts pour surdimensionner les superpositions ne continuent pas éternellement vers le haut, en supposant que les chercheurs peuvent concevoir les bonnes expériences dans des conditions de laboratoire immaculées afin que la décohérence puisse être évitée., Les théories de l’effondrement, cependant, postulent qu’une limite sera un jour atteinte, quel que soit le soin avec lequel les expériences sont préparées. ” Si vous essayez de manipuler un observateur classique—un humain, disons—et de le traiter comme un système quantique, il s’effondrerait immédiatement », explique Angelo Bassi, physicien quantique et partisan des théories de l’effondrement à L’Université de Trieste en Italie.
une façon de regarder L’ami de Wigner
Tischler et ses collègues croyaient que l’analyse et la réalisation d’une expérience de l’ami de Wigner pourraient faire la lumière sur les limites de la théorie quantique., Ils ont été inspirés par une nouvelle vague d’articles théoriques et expérimentaux qui ont étudié le rôle de l’observateur dans la théorie quantique en introduisant l’intrication dans la configuration classique de Wigner. Supposons que vous preniez deux particules de lumière, ou photons, qui sont polarisées afin qu’elles puissent vibrer horizontalement ou verticalement. Les photons peuvent également être placés dans une superposition de vibration à la fois horizontalement et verticalement, tout comme le chat paradoxal de Schrödinger peut être à la fois vivant et mort avant d’être observé.,
de telles paires de photons peuvent être préparées ensemble—enchevêtrées—de sorte que leurs polarisations se trouvent toujours dans la direction opposée lorsqu’elles sont observées. Cela peut ne pas sembler étrange-à moins que vous ne vous souveniez que ces propriétés ne sont pas fixées tant qu’elles n’ont pas été mesurées., Même si un photon est donné à une physicienne appelée Alice en Australie, tandis que l’autre est transporté à son collègue Bob dans un laboratoire à Vienne, l’enchevêtrement garantit que dès Qu’Alice observe son photon et, par exemple, trouve que sa polarisation est horizontale, la polarisation du photon de Bob se synchronise instantanément à la vibration verticale. Parce que les deux photons semblent communiquer plus vite que la vitesse de la lumière—ce qui est interdit par ses théories de la relativité—ce phénomène a profondément troublé Albert Einstein, qui l’a surnommé « action fantasmagorique à distance., »
ces préoccupations sont restées théoriques jusqu’aux années 1960, lorsque le physicien John Bell a conçu un moyen de tester si la réalité est vraiment effrayante—ou s’il pourrait y avoir une explication plus banale derrière les corrélations entre partenaires enchevêtrés. Bell a imaginé une théorie de bon sens qui était locale-c’est-à-dire dans laquelle les influences ne pouvaient pas voyager instantanément entre les particules. Il était également déterministe plutôt que intrinsèquement probabiliste, de sorte que les résultats expérimentaux pouvaient, en principe, être prédits avec certitude, si seulement les physiciens comprenaient mieux les propriétés cachées du système., Et c’était réaliste, ce qui, pour un théoricien quantique, signifie que les systèmes auraient ces propriétés définies même si personne ne les regardait. Puis Bell a calculé le niveau maximum de corrélations entre une série de particules enchevêtrées qu’une telle théorie locale, déterministe et réaliste pourrait soutenir. Si ce seuil a été violé dans une expérience, alors l’une des hypothèses derrière la théorie doit être fausse.
de tels « tests de cloche” ont depuis été effectués, avec une série de versions étanches réalisées en 2015, et ils ont confirmé l’effrayante réalité., « Les fondations quantiques sont un domaine qui a vraiment été commencé expérimentalement par Bell’s-maintenant âgé de plus de 50 ans. Et nous avons passé beaucoup de temps à réimplanter ces expériences et à discuter de leur signification”, explique Steinberg. « Il est très rare que les gens soient en mesure de proposer un nouveau test qui va au-delà de Bell. »
L’objectif de L’équipe de Brisbane était de dériver et de tester un nouveau théorème qui ferait exactement cela, en fournissant des contraintes encore plus strictes—des limites de »convivialité locale”—sur la nature de la réalité. Comme la théorie de Bell, l’imaginaire des chercheurs est local., Ils interdisent également explicitement le”superdéterminisme » —c’est-à-dire qu’ils insistent sur le fait que les expérimentateurs sont libres de choisir ce qu’ils mesurent sans être influencés par des événements dans le futur ou le passé lointain. (Bell a implicitement supposé que les expérimentateurs peuvent aussi faire des choix libres.) Enfin, l’équipe prescrit que lorsqu’un observateur fait une mesure, le résultat est un événement réel et unique dans le monde-il n’est relatif à personne ou à quoi que ce soit.,
tester la convivialité locale nécessite une configuration astucieuse impliquant deux « superobservateurs”, Alice et Bob (qui jouent le rôle de Wigner), surveillant leurs amis Charlie et Debbie. Alice et Bob ont chacun leur propre interféromètre—un appareil utilisé pour manipuler des faisceaux de photons. Avant d’être mesurées’ les polarisations des photons sont dans une superposition d’être à la fois horizontales et verticales. Des paires de photons enchevêtrés sont préparées de telle sorte que si la polarisation de l’un est mesurée pour être horizontale, la polarisation de son partenaire devrait immédiatement basculer pour être verticale., Un photon de chaque paire intriquée est envoyé dans l’interféromètre D’Alice, et son partenaire est envoyé à Bob. Charlie et Debbie ne sont pas réellement amis humains dans ce test. Ce sont plutôt des déplacements de faisceau à l’avant de chaque interféromètre. Lorsque le photon D’Alice frappe le déplaçeur, sa polarisation est effectivement mesurée et il dévie à gauche ou à droite, selon la direction de la polarisation dans laquelle il s’enclenche. Cette action joue le rôle de Charlie, l’ami D’Alice, « mesurant » la polarisation. (Debbie réside également dans l’interféromètre de Bob.,)
Alice doit alors faire un choix: elle peut mesurer immédiatement la nouvelle trajectoire déviée du photon, ce qui équivaudrait à ouvrir la porte du laboratoire et à demander à Charlie ce qu’il a vu. Ou elle peut permettre au photon de continuer son voyage, en passant par un deuxième déplacement de faisceau qui recombine les chemins gauche et droit—l’équivalent de garder la porte du laboratoire fermée. Alice peut alors mesurer directement la polarisation de son photon à la sortie de l’interféromètre., Tout au long de l’expérience, Alice et Bob choisissent indépendamment les choix de mesure à faire, puis comparent les notes pour calculer les corrélations observées sur une série de paires enchevêtrées.
Tischler et ses collègues ont effectué 90 000 essais de l’expérience. Comme prévu, les corrélations ont violé les limites initiales de Bell-et surtout, elles ont également violé le nouveau seuil de convivialité locale., L’équipe pourrait également modifier la configuration pour régler le degré d’enchevêtrement entre les photons en envoyant l’un des deux dans un détour avant qu’il n’entre dans son interféromètre, perturbant doucement l’harmonie parfaite entre les partenaires. Lorsque les chercheurs ont mené l’expérience avec ce niveau d’enchevêtrement légèrement inférieur, ils ont trouvé un point où les corrélations violaient toujours la convivialité liée mais non locale de Bell. Ce résultat a prouvé que les deux ensembles de limites ne sont pas équivalents et que les nouvelles contraintes de convivialité locale sont plus fortes, dit Tischler., « Si vous violer, vous en apprendrez plus sur la réalité”, ajoute-t-elle. À savoir, si votre théorie dit que les « amis » peuvent être traités comme des systèmes quantiques, alors vous devez soit abandonner la localité, accepter que les mesures n’ont pas un seul résultat sur lequel les observateurs doivent s’entendre ou Autoriser le superdétermination. Chacune de ces options a des implications profondes—et, pour certains physiciens, distinctement désagréables—.,
Reconsidering Reality
« le document est une étude philosophique importante”, déclare Michele Reilly, co-fondatrice de Turing, une société d’informatique quantique basée à New York, qui n’a pas participé au travail. Elle note que les physiciens qui étudient les fondements quantiques ont souvent eu du mal à trouver un test réalisable pour étayer leurs grandes idées. ” Je suis ravi de voir une expérience derrière les études philosophiques », dit Reilly. Steinberg qualifie l’expérience d ‘” extrêmement élégante » et félicite l’équipe d’avoir abordé de front le mystère du rôle de l’observateur dans la mesure.,
bien qu’il ne soit pas surprenant que la mécanique quantique nous oblige à abandonner une hypothèse de bon sens—les physiciens le savaient de Bell— »l’avancée ici est que nous sommes un rétrécissement sur laquelle de ces hypothèses il est”, dit Wharton, qui ne faisait pas non plus partie de l’étude. Pourtant, note-t-il, les partisans de la plupart des interprétations quantiques ne perdront aucun sommeil. Les Fans de rétrocausalité, comme lui, ont déjà fait la paix avec le superdétermination: à leur avis, il n’est pas choquant que les mesures futures affectent les résultats passés., Pendant ce temps, les qbistes et les adeptes de nombreux mondes ont depuis longtemps rejeté l’exigence selon laquelle la mécanique quantique prescrit un résultat unique sur lequel chaque observateur doit s’entendre.
et la mécanique Bohmienne et les modèles d’effondrement spontanés ont déjà heureusement abandonné la localité en réponse à Bell. De plus, les modèles d’effondrement disent qu’un véritable ami macroscopique ne peut pas être manipulé en tant que système quantique en premier lieu.
Vaidman, qui n’était pas non plus impliqué dans le nouveau travail, est moins enthousiasmé par celui-ci, cependant, et critique l’identification de L’ami de Wigner avec un photon., Les méthodes utilisées dans le document « sont ridicules; l’ami doit être macroscopique”, dit-il. Le philosophe de la physique Tim Maudlin de L’Université de New York, qui ne faisait pas partie de l’étude, est d’accord. « Personne ne pense qu’un photon est un observateur, sauf si vous êtes un panpsychique”, dit-il. Parce qu’aucun physicien ne se demande si un photon peut être mis en superposition, Maudlin estime que l’expérience manque de mordant. « Cela exclut quelque chose—juste quelque chose que personne n’a jamais proposé”, dit-il.
Tischler accepte la critique. ” Nous ne voulons pas exagérer ce que nous avons fait », dit-elle., La clé pour les futures expériences sera d’augmenter la taille de « l’ami”, ajoute Howard Wiseman, membre de l’équipe, physicien à L’Université Griffith. Le résultat le plus dramatique, dit-il, impliquerait l’utilisation d’une intelligence artificielle, incarnée sur un ordinateur quantique, comme l’ami. Certains philosophes ont pensé qu’une telle machine pourrait avoir des expériences humaines, une position connue sous le nom d’hypothèse forte de L’IA, Note Wiseman, bien que personne ne sache encore si cette idée se révélera vraie. Mais si l’hypothèse se maintient, cette intelligence générale artificielle quantique (AGI) serait microscopique., Donc, du point de vue des modèles d’effondrement spontanés, il ne déclencherait pas l’effondrement en raison de sa taille. Si un tel test était exécuté et que la limite de convivialité locale n’était pas violée, ce résultat impliquerait que la conscience D’un AGI ne peut pas être mise en superposition. À son tour, cette conclusion suggérerait que Wigner avait raison que la conscience provoque l’effondrement. ” Je ne pense pas que je vivrai pour voir une expérience comme celle-ci », dit Wiseman. « Mais ce serait révolutionnaire., »
Reilly, cependant, avertit que les physiciens qui espèrent que le futur AGI les aidera à se familiariser avec la description fondamentale de la réalité mettent la charrette avant le cheval. « Il n’est pas inconcevable pour moi que les ordinateurs quantiques soient le changement de paradigme pour nous amener dans AGI”, dit-elle. « En fin de compte, nous avons besoin d’une théorie de tout pour construire un AGI sur un ordinateur quantique, point final. »
cette exigence peut exclure des plans plus grandioses. Mais l’équipe suggère également des tests intermédiaires plus modestes impliquant des systèmes d’apprentissage automatique comme amis, ce qui fait appel à Steinberg., Cette approche est » intéressante et provocante”, dit-il. « Il devient concevable que des dispositifs de calcul à plus grande échelle puissent, en fait, être mesurés de manière quantique. »
Renato Renner, physicien quantique à L’Ecole Polytechnique Fédérale de Zurich (ETH Zurich), affirme encore plus fort: peu importe si de futures expériences peuvent être réalisées, dit-il, le nouveau théorème nous dit que la mécanique quantique doit être remplacée., En 2018, Renner et sa collègue Daniela Frauchiger, alors à L’ETH de Zurich, ont publié une expérience de pensée basée sur L’ami de Wigner et l’ont utilisée pour dériver un nouveau paradoxe. Leur configuration diffère de celle de L’équipe de Brisbane mais implique également quatre observateurs dont les mesures peuvent s’emmêler. Renner et Frauchiger ont calculé que si les observateurs appliquent des lois quantiques les uns aux autres, ils peuvent finir par déduire des résultats différents dans la même expérience.
« Le nouvel article est une autre confirmation que nous avons un problème avec la théorie quantique actuelle”, explique Renner, qui n’a pas participé au travail., Il soutient qu’aucune des interprétations quantiques d’aujourd’hui ne peut sortir du soi-disant paradoxe de Frauchiger-Renner sans que les partisans admettent qu’ils ne se soucient pas de savoir si la théorie quantique donne des résultats cohérents. Les qbistes offrent le moyen d’évasion le plus agréable au goût, car dès le départ, ils disent que la théorie quantique ne peut pas être utilisée pour déduire ce que les autres observateurs mesureront, dit Renner. « Cela m’inquiète toujours, cependant: si tout est juste personnel pour moi, Comment puis-je dire quelque chose de pertinent pour vous?” il ajoute., Renner travaille maintenant sur une nouvelle théorie qui fournit un ensemble de règles mathématiques qui permettraient à un observateur de déterminer ce qu’un autre devrait voir dans une expérience quantique.
pourtant, ceux qui croient fermement que leur interprétation préférée est juste voient peu de valeur dans L’étude DE Tischler. « Si vous pensez que la mécanique quantique est malsaine et qu’elle doit être remplacée, cela est utile car cela vous indique de nouvelles contraintes”, explique Vaidman. « Mais je ne suis pas d’accord que ce soit le cas—many worlds explique tout., »
pour l’instant, les physiciens devront continuer à être d’accord pour ne pas être d’accord sur l’interprétation qui est la meilleure ou si une théorie entièrement nouvelle est nécessaire. ” C’est là que nous nous sommes arrêtés au début du 20e siècle—nous sommes vraiment confus à ce sujet », dit Reilly. « Mais ces études sont exactement la bonne chose à faire pour y réfléchir. »
avertissement: l’auteur écrit fréquemment pour le Foundational Questions Institute, qui parraine la recherche en physique et en cosmologie et a partiellement financé l’étude de L’équipe de Brisbane.