Milyen érzés, hogy mindkét élve vagy holtan?
Ez a kérdés az 1960-as évek magyar-amerikai fizikusát, Eugene Wignert inspirálta., Frusztrálta a kvantummechanika szeszélyeiből eredő paradoxonok-a mikroszkopikus birodalmat irányító elmélet, amely sok más ellenintuitív dolog között azt sugallja, hogy amíg egy kvantumrendszert nem figyelnek meg, nem feltétlenül rendelkezik határozott tulajdonságokkal. Vegyük fizikustársát, Erwin Schrödinger híres gondolatkísérletét, amelyben egy macska csapdába esik egy méreggel ellátott dobozban, amely felszabadul, ha egy radioaktív atom bomlik., A radioaktivitás kvantumfolyamat, tehát mielőtt a doboz kinyílik, a történet megy, az atom mind romlott, mind nem romlott, így a szerencsétlen macska bizonytalanságban marad—az úgynevezett szuperpozíció az élet és a halál között. De a macska megtapasztalja, hogy szuperpozícióban van?
Wigner a paradoxont úgy élesítette, hogy egy (emberi) barátját elképzelte egy laboratóriumban, kvantumrendszert mérve. Azt állította, hogy abszurd azt mondani, hogy barátja létezik egy szuperpozícióban, hogy látott és nem látott bomlást, hacsak és amíg Wigner kinyitja a labor ajtaját., “A” Wigner barátja “gondolatkísérlet azt mutatja, hogy a dolgok nagyon furcsává válhatnak, ha a megfigyelőt is megfigyelik” – mondja Nora Tischler, az ausztráliai Brisbane-i Griffith Egyetem kvantumfizikusa.
most Tischler és kollégái elvégezték a Wigner baráttesztjének egy változatát. Kombinálásával a klasszikus gondolatkísérlet egy másik kvantum fejvakaró úgynevezett összefonódás—egy jelenség, ami összeköti a részecskék szerte hatalmas távolságok—ők is nyert egy új tétel, amely azt állítják, hozza a legerősebb korlátok még az alapvető valóság természetét., Tanulmányuk, amely augusztus 17—én jelent meg a Természetfizikában, hatással van arra a szerepre, amelyet a tudat játszhat a kvantumfizikában-sőt, hogy a kvantumelméletet ki kell-e cserélni.
az új munka “fontos lépés a kísérleti metafizika területén” – mondja aephraim Steinberg, a Torontói Egyetem kvantumfizikusa, aki nem vett részt a tanulmányban. “Ez a kezdete annak, amire számítok, hatalmas kutatási program lesz.,”
ízlés kérdése
amíg a kvantumfizika az 1920-as években nem jött létre, a fizikusok azt várták, hogy elméleteik determinisztikusak, előrejelzést generálva a kísérletek eredményére. De a kvantumelmélet természeténél fogva valószínűtlennek tűnik. A tankönyv változat-amelyet néha Koppenhágai értelmezésnek is neveznek-azt mondja, hogy amíg egy rendszer tulajdonságait nem mérik, számtalan értéket ölelhetnek fel. Ez a szuperpozíció csak egyetlen állapotba esik, amikor a rendszert megfigyelik, és a fizikusok soha nem tudják pontosan megjósolni, hogy mi lesz az az állapot., Wigner az akkori népszerű nézetet tartotta, hogy a tudatosság valahogy szuperpozíciót vált ki az összeomláshoz. Így hipotetikus barátja határozott eredményt fog észlelni, amikor mérést végez—Wigner soha nem fogja látni őt vagy őt szuperpozícióban.
Ez a nézet azóta elmaradt. “Az emberek a kvantummechanika alapjaiban gyorsan elvetik Wigner kísérteties és rosszul definiált nézetét, mert különlegessé teszi a megfigyelőket” -mondja David Chalmers, a New York-i Egyetem filozófusa és kognitív tudósa., Ma a legtöbb fizikus egyetért azzal, hogy az élettelen tárgyak a kvantumrendszereket a szuperpozícióból ki tudják ütni egy dekoherencia néven ismert folyamaton keresztül. Természetesen a kutatók, akik megpróbálják manipulálni a komplex kvantum szuperpozíciókat a laborban, megtalálják a kemény munkájukat, amelyet elpusztítanak a rendszerükkel ütköző gyors légrészecskék. Ezért ultracold hőmérsékleten végzik el a tesztjeiket, és megpróbálják elszigetelni a készülékeiket a rezgésektől.,
az évtizedek során számos versengő kvantum-értelmezés merült fel, amelyek kevésbé misztikus mechanizmusokat alkalmaznak, mint például a dekoherencia, hogy elmagyarázzák, hogyan bomlanak le a szuperpozíciók a tudatosság felidézése nélkül. Más értelmezések még radikálisabb álláspontot képviselnek, hogy egyáltalán nincs összeomlás. Mindegyiknek megvan a saját furcsa és csodálatos veszi Wigner teszt. A leg egzotikusabb a” sok világ ” nézet, amely azt mondja, hogy amikor kvantummérést végez, a valóság törések, párhuzamos univerzumok létrehozása minden lehetséges eredmény befogadására., Így Wigner barátja két példányra oszlott, és “elég jó szupertechnológiával” valóban meg tudta mérni azt a személyt, hogy a laboratóriumon kívülről szuperpozícióban legyen-mondja a kvantumfizikus és a tel avivi Egyetem sokvilági rajongója, Lev Vaidman.
az alternatív “Bohmian” elmélet (David Bohm fizikusról nevezték el) azt mondja, hogy alapvető szinten a kvantumrendszerek határozott tulajdonságokkal rendelkeznek; csak nem tudunk eleget ezekről a rendszerekről, hogy pontosan megjósoljuk viselkedésüket., Ebben az esetben a barátnak egyetlen tapasztalata van, de Wigner még mindig mérheti azt az egyént, hogy saját tudatlansága miatt szuperpozícióban legyen. Ezzel szemben a qbism értelmezésnek nevezett blokk relatív újoncja teljes szívvel magában foglalja a kvantumelmélet valószínűségi elemét (QBism, ejtsd: “kubizmus”, valójában a kvantum-Bayesianizmus rövidítése, utalás Thomas Bayes 18.századi matematikus valószínűségi munkájára.,) A qbisták azzal érvelnek, hogy egy személy csak kvantummechanikát használhat annak kiszámításához, hogyan kell kalibrálni hitét arról, hogy mit fog mérni egy kísérletben. “A mérési eredményeket személyesnek kell tekinteni a mérést végző ügynök számára” – mondja Ruediger Schack, a Royal Holloway, a Londoni Egyetem, aki a QBism egyik alapítója. A QBism tanai szerint a kvantumelmélet nem mondhat semmit a valóság mögöttes állapotáról, Wigner sem használhatja arra, hogy spekuláljon barátja tapasztalatairól.,
egy másik érdekes értelmezés, az úgynevezett retrokausalitás, lehetővé teszi a jövőbeli események befolyásolását a múltban. “Egy retrokauzális beszámolóban Wigner barátja feltétlenül tapasztal valamit” – mondja Ken Wharton, a San Jose Állami Egyetem fizikusa, aki ebben az időben csavaró nézetben szószólója. De ez a” valami”, amit a barát a mérési ponton tapasztal, attól függ, hogy Wigner hogyan választja meg, hogyan kell később megfigyelni ezt a személyt.,
a baj az, hogy minden értelmezés egyformán jó—vagy rossz—a kvantumvizsgálatok eredményének előrejelzésében, így a köztük való választás ízlés szerint történik. “Senki sem tudja, mi a megoldás” – mondja Steinberg. “Még azt sem tudjuk, hogy a lehetséges megoldások listája kimerítő-e.”
más modellek, az úgynevezett összeomlási elméletek, tesztelhető előrejelzéseket tesznek. Ezek a modellek egy olyan mechanizmusra támaszkodnak, amely arra kényszeríti a kvantumrendszert, hogy összeomlik, amikor túl nagy lesz—elmagyarázva, miért nem lehetnek macskák, emberek és más makroszkopikus tárgyak szuperpozícióban., Kísérletek folynak az ilyen összeomlások aláírásainak vadászására, de még nem találtak semmit. A kvantumfizikusok egyre nagyobb tárgyakat is szuperpozícióba helyeznek: tavaly egy bécsi csapat jelentette ezt egy 2000 atom molekulával. A legtöbb kvantumértelmezés szerint nincs ok arra, hogy ezek a szuperpozíciók túlméretezésére irányuló erőfeszítések ne folytatódjanak örökké felfelé, feltételezve, hogy a kutatók a megfelelő kísérleteket tiszta laboratóriumi körülmények között dolgozhatják ki, hogy elkerülhető legyen a dekoherencia., Az összeomlási elméletek azonban azt állítják, hogy egy nap elérik a határértéket, függetlenül attól, hogy milyen óvatosan készülnek a kísérletek. “Ha megpróbálsz manipulálni egy klasszikus megfigyelőt-mondjuk egy embert -, és kvantumrendszerként kezeled, akkor azonnal összeomlik” – mondja Angelo Bassi, az olaszországi Trieszti Egyetem kvantumfizikusa és az összeomlási elméletek támogatója.
Wigner barátja
Tischler és kollégái úgy vélték, hogy Wigner barátja kísérletének elemzése és végrehajtása fényt deríthet a kvantumelmélet korlátaira., Az elméleti és kísérleti tanulmányok új hulláma inspirálta őket, amely a megfigyelő szerepét vizsgálta a kvantumelméletben azáltal, hogy összefonódást hozott Wigner klasszikus beállításába. Tegyük fel, hogy két fényrészecskét vagy fotont vesz, amelyek polarizáltak, hogy vízszintesen vagy függőlegesen rezegjenek. A fotonok egyszerre mind vízszintesen, mind függőlegesen rezgő szuperpozícióba helyezhetők, csakúgy, mint Schrödinger Paradox macskája mind életben, mind halott lehet, mielőtt megfigyelnék.,
Az ilyen fotonpárok együtt készíthetők-összefonódva – úgy, hogy polarizációik mindig az ellenkező irányba fordulnak, ha megfigyelik. Ez nem tűnik furcsának-hacsak nem emlékszik arra, hogy ezek a tulajdonságok nem rögzülnek, amíg meg nem mérik őket., Még akkor is, ha egy foton adott, hogy egy fizikus Alice nevű Ausztráliában, míg a másik szállítják kollégája Bob egy laborban Bécsben, bonyodalmaktól biztosítja, hogy amint Alice megjegyzi, a foton pedig, például, megtalálja a polarizáció, hogy vízszintes, a polarizáció Bob foton azonnal szinkronizálja a rezgő függőlegesen. Mivel úgy tűnik, hogy a két foton gyorsabban kommunikál, mint a fénysebesség—amit a relativitáselméletek tiltanak—ez a jelenség mélyen zavarta Albert Einsteint, aki “kísérteties cselekedetnek nevezte távolról.,”
ezek az aggodalmak az 1960—as évekig elméleti szinten maradtak, amikor John Bell fizikus kidolgozott egy módszert annak tesztelésére, hogy a valóság valóban kísérteties-e-vagy lehet-e földhözragadt magyarázat az összefonódott partnerek közötti korrelációk mögött. Bell elképzelt egy commonsense elméletet, amely helyi volt—vagyis olyan, amelyben a hatások nem tudtak azonnal utazni a részecskék között. Determinisztikus volt, nem pedig eleve valószínűségi, így a kísérleti eredményeket elvileg bizonyosan meg lehet jósolni, ha csak a fizikusok jobban megértik a rendszer rejtett tulajdonságait., És valósághű volt, ami egy kvantumelméletes számára azt jelenti, hogy a rendszereknek akkor is megvannak ezek a határozott tulajdonságai, ha senki sem nézi őket. Ezután Bell kiszámította, hogy egy ilyen helyi, determinisztikus és realisztikus elmélet által alátámasztott, összefonódott részecskék sorozata között mekkora a korreláció maximális szintje. Ha ezt a küszöböt egy kísérletben megsértették, akkor az elmélet mögött álló egyik feltételezésnek hamisnak kell lennie.
Az ilyen” harang-teszteket ” azóta elvégezték, 2015-ben egy sor vízzáró változatot hajtottak végre, és megerősítették a valóság kísértetiességét., “A Quantum foundations egy olyan mező, amelyet Bell valóban kísérletileg indított el —most több mint 50 éves. Sok időt töltöttünk azzal, hogy újragondoljuk ezeket a kísérleteket, és megbeszéljük, hogy mit jelentenek” – mondja Steinberg. “Nagyon ritka, hogy az emberek képesek új tesztet készíteni, amely túlmutat a Bellen.”
a Brisbane-i csapat célja egy olyan új tétel levezetése és tesztelése volt, amely éppen ezt tenné, még szigorúbb korlátozásokat biztosítva—”helyi barátság” határokat—a valóság természetéről. Bell elméletéhez hasonlóan a kutatók elképzelése is helyi., Kifejezetten tiltják a”szuperdeterminizmust” is—vagyis ragaszkodnak ahhoz, hogy a kísérletezők szabadon választhassák meg, mit mérjenek anélkül, hogy a jövőben vagy a távoli múltban bekövetkezett események befolyásolnák őket. (Bell implicit módon feltételezte, hogy a kísérletezők szabad döntéseket is hozhatnak.) Végül a csapat előírja, hogy amikor egy megfigyelő mérést végez, az eredmény valódi, egyetlen esemény a világon—ez nem rokon senkihez vagy bármihez.,
a helyi barátság teszteléséhez egy ravasz beállításra van szükség, amelyben két “superobserver”, Alice és Bob (akik Wigner szerepét töltik be), figyelik barátaikat, Charlie-t és Debbie-t. Alice és Bob mindegyiknek megvan a saját interferométere—egy olyan készülék, amelyet fotonsugarak manipulálására használnak. A mérés előtt a fotonok polarizációja szuperpozícióban van, mind vízszintes, mind függőleges helyzetben. A kusza fotonok párjait úgy készítik el, hogy ha az egyik polarizációját vízszintesnek kell mérni, partnere polarizációjának azonnal függőlegesnek kell lennie., Egy foton minden kusza pár küldött Alice interferométer, és a partner küldött Bob. Charlie és Debbie valójában nem emberi barátok ebben a tesztben. Inkább az egyes interferométerek elején gerenda elmozdulók. Amikor Alice fotonja eléri az elmozdulót, polarizációját hatékonyan mérik, és balra vagy jobbra fordul, attól függően, hogy a polarizáció milyen irányba pattan be. Ez a művelet Alice barátjának, Charlie-nak a polarizáció “mérésére” játszik szerepet. (Debbie szintén Bob interferométerében lakik.,)
ezután Alice-nek választania kell: azonnal meg tudja mérni a foton új eltért útját, ami megegyezik azzal, hogy kinyitja a labor ajtaját, és megkérdezi Charlie-t, hogy mit látott. Vagy megengedheti, hogy a foton folytassa útját, áthaladva egy második fényelnyelőn, amely rekombinálja a bal és a jobb utat—ami megegyezik a labor ajtajának bezárásával. Alice ezután közvetlenül mérheti foton polarizációját, amikor kilép az interferométerből., A kísérlet során Alice és Bob önállóan választják ki, hogy mely mérési döntéseket kell meghozniuk, majd összehasonlítják a jegyzeteket, hogy kiszámítsák az összefonódott Párok sorozatában látott korrelációkat.
Tischler és kollégái 90 000 futást végeztek a kísérletből. Ahogy az várható volt, a korrelációk megsértették Bell eredeti határait—és alapvetően megsértették az új helyi barátsági küszöböt is., A csapat módosíthatja a beállítást is, hogy beállítsa a fotonok közötti összefonódás mértékét azáltal, hogy az egyik párt egy kitérőre küldi, mielőtt belépne az interferométerbe, finoman megzavarva a partnerek közötti tökéletes harmóniát. Amikor a kutatók a kísérletet ezzel a kissé alacsonyabb összefonódással végezték, találtak egy pontot, ahol a korrelációk még mindig megsértették Bell kötött, de nem helyi barátságát. Ez az eredmény bebizonyította, hogy a két határvonal nem egyenértékű, és az új helyi-barát korlátok erősebbek-mondja Tischler., “Ha megsérted őket, többet megtudsz a valóságról” – teszi hozzá. Nevezetesen, ha az elmélet azt mondja, hogy “barátok” lehet kezelni, mint a kvantum rendszerek, akkor sem adja fel a településen, fogadja el, hogy a mérések nem egyetlen eredménye, hogy a megfigyelők kell állapodniuk, vagy lehetővé teszi, superdeterminism. E lehetőségek mindegyikének mélyreható—és egyes fizikusok számára kifejezetten ízléstelen-következményei vannak.,
A Valóság újragondolása
“a papír fontos filozófiai tanulmány” -mondja Michele Reilly, a Turing, A New York-i székhelyű kvantum-számítástechnikai vállalat társalapítója, aki nem vett részt a munkában. Megjegyzi, hogy a kvantumalapokat tanulmányozó fizikusok gyakran küzdöttek azért, hogy megvalósítható tesztet készítsenek nagy ötleteik alátámasztására. “Örülök, hogy egy filozófiai tanulmányok mögött kísérletet látok” – mondja Reilly. Steinberg “rendkívül elegánsnak” nevezi a kísérletet, és dicséri a csapatot,amiért a megfigyelő fej-fej szerepének rejtélyét kezelte.,
bár nem meglepő, hogy a kvantummechanika arra kényszerít bennünket, hogy feladjuk a józan feltételezést—a fizikusok tudták, hogy Bell—től – “az előrehaladás itt az, hogy szűkítjük, hogy melyik feltételezésről van szó” – mondja Wharton, aki szintén nem volt része a tanulmánynak. Mégis megjegyzi, hogy a legtöbb kvantumértelmezés támogatói nem veszítik el az alvást. A retrokausalitás rajongói, mint például maga, már békét kötöttek a szuperdeterminizmussal: véleményük szerint nem meglepő, hogy a jövőbeli mérések befolyásolják a múltbeli eredményeket., Eközben a Qbisták és a sokvilágú hívek már régen elvetették azt a követelményt, hogy a kvantummechanika egyetlen olyan eredményt ír elő, amelyben minden megfigyelőnek egyet kell értenie.
és mind a Bohmian mechanika, mind a spontán összeomlási modellek már boldogan elhagyták a helyet Bell válaszul. Ezenkívül az összeomlási modellek azt mondják, hogy egy igazi makroszkopikus barátot nem lehet elsősorban kvantumrendszerként manipulálni.
Vaidman, aki szintén nem vett részt az új munkában, kevésbé lenyűgözi azonban, és kritizálja Wigner barátjának fotonnal való azonosítását., A papírban alkalmazott módszerek “nevetségesek; a barátnak makroszkopikusnak kell lennie” – mondja. Tim Maudlin, A New York-i Egyetem Fizikai filozófusa, aki nem volt része a tanulmánynak, egyetért. “Senki sem gondolja, hogy egy foton megfigyelő, kivéve, ha panpszichikus vagy” – mondja. Mivel egyetlen fizikus sem kérdőjelezi meg, hogy egy fotont fel lehet-e helyezni szuperpozícióba, Maudlin úgy érzi, hogy a kísérletnek nincs harapása. “Ez kizár valamit-csak valamit, amit senki sem javasolt” – mondja.
Tischler elfogadja a kritikát. “Nem akarjuk túllépni azt, amit tettünk” – mondja., A jövőbeli kísérletek kulcsa a “barát” méretének növelése lesz-tette hozzá Howard Wiseman csapattag, a Griffith Egyetem fizikusa. A legdrámaibb eredmény-mondja-magában foglalja a kvantumszámítógépen megtestesített mesterséges intelligencia használatát, mint barátot. Egyes filozófusok arra gondoltak, hogy egy ilyen gépnek emberi tapasztalatai lehetnek, az erős AI hipotézis néven ismert pozíció, Wiseman megjegyzi, bár még senki sem tudja, hogy ez az ötlet igaz-e. De ha a hipotézis fennáll, ez a kvantumalapú mesterséges általános intelligencia (AGI) mikroszkopikus lenne., Tehát a spontán összeomlási modellek szempontjából nem okoz összeomlást a mérete miatt. Ha egy ilyen tesztet lefuttatnak, és a helyi barátságot nem sértik meg, az eredmény azt jelentené, hogy egy AGI tudatát nem lehet szuperpozícióba helyezni. Ez a következtetés viszont azt sugallja, hogy Wignernek igaza volt, hogy a tudat összeomlást okoz. “Nem hiszem, hogy túlélem egy ilyen kísérletet” – mondja Wiseman. “De ez forradalmi lenne.,”
Reilly azonban arra figyelmeztet, hogy a fizikusok abban a reményben, hogy a jövő AGI segít nekik otthon a valóság alapvető leírásában, a kocsit a ló elé helyezik. “Számomra nem elképzelhetetlen, hogy a kvantumszámítógépek paradigmaváltást jelentenek az AGI-ba való bejutáshoz” – mondja. “Végül mindenre szükségünk van egy elméletre annak érdekében, hogy agi-t építsünk egy kvantumszámítógépre, időszakra, teljes megállásra.”
Ez a követelmény kizárhatja a grandiózus terveket. De a csapat szerényebb közbenső teszteket is javasol, amelyek a gépi tanulási rendszereket barátokként foglalják magukban, ami Steinberghez vonzódik., Ez a megközelítés “érdekes és provokatív” – mondja. “Egyre elképzelhetőbb, hogy a nagyobb és nagyobb méretű számítási eszközöket valójában kvantum módon lehet mérni.”
Renato Renner, a svájci Zürichi Szövetségi Technológiai Intézet (ETH Zürich) kvantumfizikusa még erősebb állítást tesz: függetlenül attól, hogy a jövőbeli kísérleteket el lehet-e végezni, mondja, az új tétel azt mondja, hogy a kvantummechanikát ki kell cserélni., 2018-ban Renner és kollégája, Daniela Frauchiger, majd az ETH Zürichben Wigner barátján alapuló gondolatkísérletet tett közzé, és egy új paradoxon levezetésére használta fel. Beállításuk különbözik a Brisbane csapatától, de négy megfigyelőt is magában foglal, akiknek mérései összefonódhatnak. Renner és Frauchiger kiszámolták, hogy ha a megfigyelők kvantumtörvényeket alkalmaznak egymásra, akkor ugyanabban a kísérletben különböző eredményekre következtethetnek.
“az új papír egy újabb megerősítés, hogy problémánk van a jelenlegi kvantumelmélettel” – mondja Renner, aki nem vett részt a munkában., Azzal érvel, hogy a mai kvantum-értelmezések egyike sem képes kijutni az úgynevezett Frauchiger-Renner paradoxonból anélkül, hogy a támogatók elismernék, hogy nem érdekli, hogy a kvantumelmélet következetes eredményeket ad-e. A qbisták a menekülés legkellemesebb eszközeit kínálják, mert a kezdetektől fogva azt mondják, hogy a kvantumelmélet nem használható arra, hogy következtetni lehessen arra, amit más megfigyelők mérni fognak-mondja Renner. “Még mindig aggaszt, bár: ha minden csak személyes számomra, hogyan tudok mondani semmit releváns az Ön számára?”hozzáteszi., Renner most egy új elméleten dolgozik, amely matematikai szabályokat tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az egyik megfigyelő számára, hogy kitalálja, mit kell látnia egy másik kvantumkísérletben.
mégis, azok, akik erősen hiszik, hogy kedvenc értelmezésük helyes, kevés értéket látnak Tischler tanulmányában. “Ha úgy gondolja, hogy a kvantummechanika egészségtelen, és cserélni kell, akkor ez hasznos, mert új korlátokat mond” – mondja Vaidman. “De nem értek egyet azzal, hogy ez a helyzet—sok világ mindent megmagyaráz.,”
egyelőre a fizikusoknak továbbra is egyet kell érteniük azzal, hogy nem értenek egyet abban, hogy melyik értelmezés a legjobb, vagy ha teljesen új elméletre van szükség. “Ez az, ahol abbahagytuk a 20. század elején-őszintén zavarban vagyunk ezzel kapcsolatban” – mondja Reilly. “De ezek a tanulmányok pontosan a helyes dolog, hogy átgondolják.”
jogi nyilatkozat: A szerző gyakran ír a Foundational Questions Institute számára, amely támogatja a fizika és kozmológia kutatását, és részben finanszírozta a Brisbane csapat tanulmányát.