hvordan føles det å være både levende og døde?
Det spørsmålet irriterte og inspirert ungarsk-Amerikanske fysikeren Eugene Wigner i 1960-årene., Han ble frustrert av paradokser fremkommer fra tilfeldighetene quantum mechanics—teorien som regulerer den mikroskopiske verden som tyder på, blant mange andre counterintuitive ting, som til en quantum system er observert, er det ikke nødvendigvis har bestemte egenskaper. Ta sitt andre fysikeren Erwin Schrödinger ‘ s berømte tanke eksperiment der en katt er fanget i en boks med gift som vil bli utgitt hvis et radioaktivt atom desintegrerer., Radioaktivitet er et kvantesprang prosessen, så før boksen er åpnet, historien går, atom har både forfalt og ikke forfalt, forlater den uheldige katt i limbo—en såkalt superposisjon mellom liv og død. Men gjør katten opplever å være i superposisjon?
Wigner skjerpet paradokset ved å forestille seg en (human) venn av han innestengt i en lab, som måler en kvante-systemet. Han hevdet det var absurd å si at hans venn finnes i en superposisjon av å ha sett og ikke sett et forfall, med mindre og inntil Wigner åpner lab døren., «Den ‘Wigner venn’ trodde eksperimentet viser at ting kan bli veldig rart hvis observatøren er også observert,» sier Nora Tischler, en kvantefysikeren på Griffith University i Brisbane, Australia.
Nå Tischler og hennes kolleger har gjennomført en versjon av Wigner venn test. Ved å kombinere den klassiske tanke eksperiment med en annen quantum head-scratcher kalt forviklinger—et fenomen som lenker partikler over store avstander—de har også hentet en ny teorem, som de hevder setter den sterkeste begrensninger ennå på den fundamentale naturen av virkeligheten., Deres studie, som dukket opp i Naturen Fysikk på August 17, har implikasjoner for rollen som bevissthet kan spille i kvantefysikken—og selv om kvante-teori må skiftes ut.
Det nye verket er en «viktig skritt fremover i feltet av eksperimentelle metafysikk, sier kvantefysikeren Aephraim Steinberg av University of Toronto, som ikke var involvert i studien. «Det er begynnelsen på hva jeg kan forvente vil være et stort program for forskning.,»
En smakssak
Til kvantefysikk kom på 1920-tallet, fysikere forventet sine teorier for å være deterministisk, generere spådommer for utfallet av eksperimenter med sikkerhet. Men kvante-teori synes å være iboende probabilistisk. Læreboken versjonen—noen ganger kalt København-tolkningen—sier at før et system egenskaper er målt, de kan omfatte en myriade av verdier. Dette superposisjon bare kollapser inn i en enkelt stat når systemet er observert, og fysikere kan aldri nøyaktig forutsi hva som staten vil være., Wigner hadde det så populært vise at bevissthet er noe som utløser en superposisjon til å kollapse. Dermed sine hypotetiske venn vil se en bestemt utfallet når hun eller han har gjort en måling—og Wigner aldri ville se henne eller ham i superposisjon.
Denne visningen har siden falt ut av tjeneste. «Folk i foundations of quantum mechanics raskt avfeie Wigner ser så skumle og dårlig definert fordi det gjør observatører spesielle,» sier David Chalmers, en filosof og kognitiv forsker ved New York University., I dag er de fleste fysikere enige om at livløse objekter kan slå quantum systemer ut av blandingen gjennom en prosess kjent som decoherence. Absolutt, forskere forsøker å manipulere komplekse quantum superpositions i laboratoriet kan finne deres harde arbeid ødelagt av rask luft partikler kolliderer med deres systemer. Slik at de kunne utføre sine tester på ultracold temperaturer og prøve å isolere sine apparatuses fra vibrasjoner.,
Flere konkurrerende quantum tolkninger har dukket opp over flere tiår som bruker mindre mystisk mekanismer, som for eksempel decoherence, for å forklare hvordan superpositions bryte ned uten å ta i bruk bevissthet. Andre tolkninger inne enda mer radikal posisjon at det ikke er noen kollaps i det hele tatt. Hver har sin egen rare og fantastiske ta på Wigner ‘ s test. De mest eksotiske er «mange verdener» se, som sier at når du gjør et kvantesprang måling, virkeligheten brudd, opprette parallelle universer for å imøtekomme alle mulige utfall., Dermed Wigner venn ville delt inn i to eksemplarer og, «med god nok supertechnology,» han kan faktisk måle som person å være i superposisjon fra utenfor laboratoriet, sier kvantefysikeren og mange verdener fan Lev Vaidman av Tel Aviv University.
Den alternative «Bohmian» teori (oppkalt etter fysikeren David Bohm) sier at på grunnleggende nivå, quantum systemer har bestemte egenskaper; vi har bare ikke vet nok om disse systemene for å nøyaktig forutsi deres atferd., I så fall venn har en enkelt erfaring, men Wigner kan fortsatt mål at den enkelte å være i en superposisjon på grunn av sin egen uvitenhet. I motsetning, en relativ nykommer på blokken kalles QBism tolkning omfatter probabilistisk element av kvante-teori helhjertet (QBism, uttales «kubisme,» er egentlig en forkortelse for quantum Bayesianism, en referanse til det 18. århundre matematiker Thomas Bayes ‘ s arbeid på sannsynlighet.,) QBists argumentere for at en person kan bare bruke quantum mechanics å beregne hvordan å kalibrere hans eller hennes oppfatninger om hva han eller hun vil måle i et eksperiment. «Måling av resultater, må anses som personlig agent som gjør målingen,» sier Ruediger Schack av Royal Holloway, University of London, som er en av QBism grunnleggere. I henhold til QBism er grunnsetninger, kvante-teori kan ikke fortelle deg noe om den underliggende tilstand av virkeligheten, og den kan heller Wigner bruke den til å spekulere på kameraten hans erfaringer.,
en Annen spennende tolkning, kalt retrocausality, kan hendelser i fremtiden til å påvirke fortiden. «I en retrocausal konto, Wigner venn absolutt ikke opplever noe, sier Ken Wharton, en fysiker ved San Jose State University, som er en av pådriverne for denne gang-kronglete vis. Men at «noe» vennen erfaringer på tidspunktet for målingen kan stole på Wigner valg av hvordan observere at personen senere.,
problemet er at hver tolkning er like gode—eller dårlige—til å forutsi utfallet av quantum tester, så å velge mellom dem kommer ned til smak. «Ingen vet hva løsningen er,» Steinberg sier. «Vi vet ikke engang om listen over mulige løsninger vi har er uttømmende.»
Andre modeller, kalt kollaps teorier, gjør testbare prediksjoner. Disse modellene tack på en ordning som styrker en kvante-systemet til å kollapse når det blir for stor—forklare hvorfor katter, mennesker og andre makroskopiske objekter kan ikke være i superposisjon., Forsøk er i gang med å jakte på signaturer av slike kollapser, men som likevel har de ikke funnet noe. Quantum fysikere er også plassere stadig større gjenstander inn i superposisjon: siste år et team i Wien rapportert å gjøre det med en 2000-atom-molekylet. De fleste quantum tolkninger si at det er ingen grunn til at disse innsats for å masselagre superpositions bør ikke fortsette oppover for alltid, forutsatt forskere kan utvikle den høyre eksperimenter i uberørte lab forholdene, slik at decoherence kan unngås., Kollaps teorier, men posit at en grense vil en dag bli nådd, uavhengig av hvor nøye eksperimenter er forberedt. «Hvis du prøver og manipulere et klassisk observatør—et menneske, si—og behandle det som en kvante-system, ville det umiddelbart kollaps, sier Angelo Bassi, en kvantefysikeren og tilhenger av kollaps teorier ved Universitetet i Trieste i Italia.
En Måte å Se Wigner Venn
Tischler og hennes kolleger mente at å analysere og utføre en Wigner venn eksperiment kunne kaste lys på grensene av kvanteteori., De var inspirert av en ny bølge av teoretiske og eksperimentelle papir som har undersøkt rollen som observatør i kvante-teori ved å bringe forviklinger i Wigner er klassisk oppsett. Si du tar to partikler av lys, eller fotoner, som er polarisert, slik at de kan vibrere horisontalt eller vertikalt. Fotoner kan også plasseres i en superposisjon av vibrerende både horisontalt og vertikalt på samme tid, akkurat som Schrödinger ‘ s paradoksalt katt kan være både levende og døde før den blir observert.,
Slike par av fotoner kan være forberedt sammen—floke seg—slik at deres polarizations er alltid funnet å være i motsatt retning når det observert. Det kan ikke virke rart—med mindre du huske at disse egenskapene er ikke fast til de er målt., Selv om ett foton er gitt til en fysiker som heter Alice i Australia, mens den andre er fraktet til hennes kollega Bob i en lab i Wien, forviklinger sikrer at så snart Alice observerer henne foton og, for eksempel, finner sin polarisering å være horisontal, polariseringen av Bob ‘ s foton umiddelbart synkroniserer med vibrerende vertikalt. Fordi de to fotoner synes å kommunisere raskere enn lysets hastighet, noe som er forbudt ved hans teorier om relativitetsteorien—dette fenomenet dypt bekymret Albert Einstein, som ble kalt det «skumle action på avstand.,»
Disse bekymringene vært teoretisk frem til 1960-tallet, da fysikeren John Bell utviklet en måte å teste ut om virkeligheten er virkelig skummelt, eller om det kan være en mer prosaisk forklaring bak korrelasjoner mellom de tette partnere. Bell forestilte en commonsense teori som var lokal—det er en der påvirker ikke kunne reise mellom partikler umiddelbart. Det var også deterministisk snarere enn forventet probabilistisk, så eksperimentelle resultater kan i prinsippet forutsies med sikkerhet, og hvis bare fysikere forstått mer om systemet er skjult egenskaper., Og det var realistisk, som, til en quantum teoretiker, betyr at systemer ville ha disse bestemte egenskaper selv om ingen så på dem. Da Bell beregnet maksimale nivået av sammenhenger mellom en rekke fanget partikler slik at en lokal, deterministiske og realistisk teori kunne støtte. Hvis grensen ble brutt i et eksperiment, så en av antagelsene bak teorien må være usann.
Slike «Bell tester» har siden blitt utført, med en serie av vanntette versjoner utført i 2015, og de har bekreftet virkeligheten er spookiness., «Quantum stiftelser er et felt som virkelig var i gang eksperimentelt ved Bell —nå er over 50 år gamle. Og vi har brukt mye tid på å reimplementing de eksperimenter og diskuterer hva de betyr,» Steinberg sier. «Det er svært sjelden at folk er i stand til å komme opp med en ny test som beveger seg utover Bell.»
Brisbane gruppens mål var å identifisere og teste en ny teorem som ville gjøre nettopp det, noe som gir enda strengere begrensninger—»lokale vennlighet» grenser—om virkelighetens natur. Som Bell ‘s teori, det researchers’ imaginære er lokale., De har også eksplisitt forbud «superdeterminism»—det vil si at de insisterer på at forskere er fri til å velge hva du kan måle uten å være påvirket av hendelser i fremtiden, eller en fjern fortid. (Bell implisitt antatt at forskere kan gjøre frie valg, også.) Til slutt, laget fastsetter at når en observatør gjør en måling, resultatet er en ekte, enkelt hendelse i verden—det er ikke i forhold til noen eller noe.,
Testing lokale vennlighet krever en utspekulert oppsett med to «superobservers,» Alice og Bob (som spiller rollen som Wigner), ser på sine venner Charlie og Debbie. Alice og Bob hver har sine egne interferometer—et apparat som brukes til å manipulere stråler av fotoner. Før den blir målt, fotoner’ polarizations er i en superposisjon av å være både horisontalt og vertikalt. Par avviklet fotoner er utarbeidet slik at hvis polarisering av en er målt til å være horisontal, polariseringen av sin partner bør umiddelbart snu til å være vertikal., Ett foton fra hver floke seg par er sendt inn Alice interferometer, og sin partner, er sendt til Bob ‘ s. Charlie og Debbie er faktisk ikke menneskelig venner i denne testen. De er heller bredde displacers på forsiden av hver interferometer. Når Alice foton treffer fortrenger, sin polarisering er effektivt målt, og det swerves enten venstre eller høyre, avhengig av retning av polarisering den smekker på. Denne handlingen spiller rollen som Alice ‘ s venn Charlie «måle» den polariseringen. (Debbie på samme måte er bosatt i Bob ‘ s interferometer.,)
Alice har så å gjøre et valg: Hun kan måle fotonet er nytt avvek banen umiddelbart, noe som vil være tilsvarende for å åpne lab døren og spør Charlie hva han så. Eller hun kan tillate fotonet å fortsette på sin reise, passerer gjennom en ny stråle fortrenger at recombines venstre og høyre stier—tilsvarende holde lab døren lukket. Alice kan deretter direkte måle henne foton er polarisering som det kommer ut av interferometer., Hele eksperimentet, Alice og Bob uavhengig velge hvilke måling valg å gjøre, og deretter sammenligne notater for å beregne sammenhenger sett på tvers av en rekke fanget par.
Tischler og hennes kolleger gjennomført 90,000 går av eksperimentet. Som forventet, korrelasjoner brutt Bell ‘ s opprinnelige grenser—og som er avgjørende, de har også brutt en ny, lokal-vennlighet terskel., Teamet kan også endre oppsettet for å justere ned graden av forviklinger mellom fotoner ved å sende én av dem på en avstikker før den gikk i sin interferometer, forsiktig perturberende den perfekte harmonien mellom de to partnerne. Når forskerne kjørte eksperimentere med denne litt lavere nivå av forviklinger, fant de et punkt hvor korrelasjoner fortsatt brutt Bell er bundet, men ikke lokale vennlighet. Dette resultatet viste at de to settene av grensene er ikke det samme, og at den nye lokal-vennlighet begrensninger er sterkere, Tischler sier., «Hvis du bryter dem, kan du lære mer om virkeligheten,» legger hun til. Nemlig, hvis din teori sier at «venner» kan bli behandlet som kvante-systemer, så må du enten gi opp lokalitet, akseptere at målingene ikke har et eneste resultat at observatører må bli enige om eller tillate superdeterminism. Hvert av disse alternativene har dyp—og, til en viss fysikere, utpreget usmakelig—implikasjoner.,
Revurdere Virkeligheten
«papiret er et viktig filosofisk studie, sier Michele Reilly, co-grunnlegger av Turing, en quantum computing selskap basert i New York, som ikke var involvert i arbeidet. Hun bemerker at fysikerne studere quantum foundations har ofte slitt med å komme opp med et gjennomførbart test for å sikkerhetskopiere sine store ideer. «Jeg er begeistret over å se et eksperiment bak filosofiske studier,» Reilly sier. Steinberg samtaler eksperimentet «ekstremt elegant» og roser laget for å takle mystery of the observer ‘ s rolle i måling head-on.,
Selv om det er ingen overraskelse at kvantemekanikken tvinger oss til å gi opp en commonsense forutsetning—fysikere visste at fra Bell—»på forhånd her er at vi er en innsnevring i på hvilke av disse forutsetningene er det,» seier Wharton, som også var ikke en del av studiet. Likevel, han notater, talsmenn for de fleste quantum fortolkninger vil ikke miste noe søvn. Fans av retrocausality, slik som seg selv, har allerede gjort fred med superdeterminism: i sitt syn, det er ikke sjokkerende at fremtidige målinger påvirke siste resultatene., I mellomtiden QBists og mange verdener tilhengere for lenge siden kastet ut kravet om at kvantemekanikken foreskriver et enkelt utfall som hver observatør må bli enige om.
Og både Bohmian mekanikk og spontan kollaps modeller som allerede er lykkelig ditched lokalitet i respons til Bell. Videre kollaps modeller si at en ekte makroskopiske venn kan ikke manipuleres som en kvante-systemet i første omgang.
Vaidman, som også var ikke involvert i den nye jobben, er mindre begeistret av det, imidlertid, og kritiserer identifisering av Wigner venn med et foton., Metodene som brukes i papir «er latterlig; vennen har til å være makroskopisk,» sier han. Filosof i fysikk Tim Maudlin of New York University, som ikke var en del av studien, er enig. «Ingen tror at et foton er en observatør, med mindre du er en panpsychic,» sier han. Fordi ingen fysiker spørsmål om et foton kan bli satt inn i superposisjon, Maudlin føles eksperimentet mangler bite. «Det regler glipp av noe—bare noe som ingen har foreslått, sier han.
Tischler aksepterer kritikken. «Vi ønsker ikke å overclaim hva vi har gjort, sier hun., Nøkkelen for fremtidige eksperimenter vil bli skalering opp til størrelsen av en «venn,» sier teammedlem Howard Wiseman, en fysiker ved Griffith University. Det mest dramatiske som resultat, sier han, ville innebære at vi bruker en kunstig intelligens, som lå på en kvante-maskin, som venn. Noen filosofer har tenkte at en slik maskin kunne ha humanlike erfaringer, en posisjon som er kjent som den sterke AI hypotese, Wiseman notater, selv om ingen vet ennå om at ideen vil slå ut til å være sant. Men hvis hypotesen holder, dette quantum-basert kunstig generell intelligens (AGI) ville være mikroskopisk., Så fra synspunkt av spontan kollaps modeller, det ville ikke utløse sammenbrudd på grunn av sin størrelse. Hvis en slik test ble kjørt, og lokale-vennlighet bundet ikke var krenket, at resultatet skulle tilsi at en AGI bevissthet kan ikke være satt inn i blandingen. I sin tur, at konklusjonen ville foreslå at Wigner var riktig at bevisstheten fører til kollaps. «Jeg tror ikke jeg vil leve til å se et eksperiment som dette,» Wiseman sier. «Men det ville være revolusjonerende.,»
Reilly, men advarer om at fysikere i håp om at fremtidige AGI vil hjelpe dem hjem på den grunnleggende beskrivelse av virkeligheten setter vognen foran hesten. «Det er ikke utenkelig for meg at kvante-datamaskiner vil være paradigmeskifte for å komme til oss i AGI,» sier hun. «Til syvende og sist trenger vi en teori om alt, for å bygge en AGI på en kvante-maskin, punktum, punktum.»
At kravet kan utelukke mer grandiose planer. Men laget antyder også mer beskjedne middels tester som involverer maskin-læring systemer som venner, som appellerer til Steinberg., Denne tilnærmingen er «interessant og provoserende, sier han. «Det blir tenkes at større og større skala computational enheter faktisk kunne måles i en quantum måte.»
Renato Renner, en kvantefysikeren ved Swiss Federal Institute of Technology i Zürich (ETH Zürich), gjør en enda sterkere krav: uavhengig av om fremtidige eksperimenter kan gjennomføres, sier han, den nye teorem forteller oss at kvantemekanikken som må byttes ut., I 2018 Renner og hans kollega Daniela Frauchiger, deretter ved ETH Zürich, publisert en tanke eksperiment basert på Wigner venn og brukt det til å få et nytt paradoks. Deres oppsett skiller seg fra Brisbane lag, men omfatter også fire observatører målinger som kan vikle seg inn i hverandre. Renner og Frauchiger beregnet at dersom observatørene bruke quantum lover til en annen, kan de ende opp inferring ulike resultater i det samme eksperimentet.
«Det nye papiret, er en annen bekreftelse på at vi har et problem med gjeldende kvante-teori, sier Renner, som ikke var involvert i arbeidet., Han hevder at ingen av dagens quantum tolkninger kan snike seg ut av den såkalte Frauchiger-Renner paradoks uten tilhengere å innrømme at de ikke bryr seg om kvante-teori gir konsistente resultater. QBists tilbyr den mest velsmakende midler for å flykte, fordi fra begynnelsen, og de sier at kvante-teori kan brukes til å utlede hva andre observatører vil måle, Renner sier. «Det fortsatt bekymrer meg, skjønt: Hvis alt er bare personlig for meg, hvordan kan jeg si noe som er relevant for deg?»legger han til., Renner arbeider nå med en ny teori som gir et sett av matematiske regler som ville tillate en observatør for å finne ut hva annet skal se i en kvante-eksperiment.
Likevel, de som har stor tro på deres favoritt tolkning er riktig ser liten verdi i Tischler s studie. «Hvis du tror at kvantemekanikken er usunt, og det må byttes, da dette er nyttig fordi den forteller deg nye begrensninger,» Vaidman sier. «Men jeg er ikke enig i at dette er tilfelle—mange verdener som forklarer alt.,»
For nå, fysikere er nødt til å fortsette å bli enige om å være uenige om hvilken tolkning som er best eller om en helt ny teori er nødvendig. «Det er der vi slapp i begynnelsen av det 20. århundre—vi er genuint forvirret om dette,» Reilly sier. «Men disse studiene er akkurat den rette tingen å gjøre å tenke gjennom det.»
Ansvarsfraskrivelse: forfatteren ofte skriver for de Grunnleggende Spørsmål Institutt, som sponsorer forskning i fysikk og kosmologi og delvis finansiert Brisbane team ‘ s studie.