Hoe voelt het om zowel levend als dood te zijn?deze vraag irriteerde en inspireerde de Hongaars-Amerikaanse natuurkundige Eugene Wigner in de jaren zestig., Hij was gefrustreerd door de paradoxen die voortkwamen uit de grillen van de kwantummechanica—de theorie die het microscopische rijk bestuurt en die, naast vele andere contra-intuïtieve dingen, suggereert dat totdat een kwantumsysteem wordt waargenomen, het niet noodzakelijkerwijs bepaalde eigenschappen heeft. Neem zijn collega-natuurkundige Erwin Schrödingers beroemde gedachte-experiment waarin een kat gevangen zit in een doos met gif dat vrijkomt als een radioactief atoom vervalt., Radioactiviteit is een kwantum proces, dus voordat de doos wordt geopend, het verhaal gaat, het atoom is zowel vergaan en niet vergaan, waardoor de ongelukkige kat in het ongewisse—een zogenaamde superpositie tussen leven en dood. Maar heeft de kat ervaring in superpositie te zijn?Wigner verscherpte de paradox door zich een (menselijke) vriend van hem voor te stellen die in een lab opgesloten zat en een kwantumsysteem meet. Hij betoogde dat het absurd was om te zeggen dat zijn vriend bestaat in een superpositie van het hebben gezien en niet gezien een verval, tenzij en totdat Wigner opent de lab deur., “Het ‘Wigner’ s friend ‘gedachte-experiment laat zien dat dingen heel raar kunnen worden als de waarnemer ook wordt waargenomen,” zegt Nora Tischler, een kwantumfysicus aan de Griffith University in Brisbane, Australië.nu hebben Tischler en haar collega ’s een versie van de Wigner’ s friend test uitgevoerd. Door het klassieke gedachte-experiment te combineren met een andere quantumkopkrabber genaamd verstrengeling—een fenomeen dat deeltjes over grote afstanden verbindt—hebben ze ook een nieuwe stelling afgeleid, die volgens hen de sterkste beperkingen tot nu toe legt op de fundamentele aard van de werkelijkheid., Hun studie, die verscheen in Nature Physics op 17 augustus, heeft implicaties voor de rol die bewustzijn zou kunnen spelen in de kwantumfysica—en zelfs of de kwantumtheorie moet worden vervangen.het nieuwe werk is een “belangrijke stap voorwaarts op het gebied van experimentele metafysica”, zegt kwantumfysicus Aephraim Steinberg van de Universiteit van Toronto, die niet betrokken was bij de studie. “Het is het begin van wat ik verwacht een enorm onderzoeksprogramma te worden.,”
A Matter of Taste
totdat de kwantumfysica in de jaren twintig kwam, verwachtten natuurkundigen dat hun theorieën deterministisch zouden zijn, en voorspelden met zekerheid de uitkomst van experimenten. Maar de kwantumtheorie lijkt inherent probabilistisch te zijn. De tekstboekversie—ook wel de Kopenhagen-interpretatie genoemd-zegt dat totdat de eigenschappen van een systeem worden gemeten, ze talloze waarden kunnen omvatten. Deze superpositie stort pas in als het systeem wordt waargenomen, en natuurkundigen kunnen nooit precies voorspellen wat die toestand zal zijn., Wigner was van mening dat bewustzijn op de een of andere manier een superpositie doet instorten. Zo zou zijn hypothetische vriend een definitieve uitkomst onderscheiden wanneer zij of hij een meting deed—en Wigner zou haar of hem nooit in superpositie zien.
Deze weergave is sindsdien uit de gratie geraakt. “Mensen in de fundamenten van de kwantummechanica verwerpen Wigner’ s visie snel als spookachtig en slecht gedefinieerd omdat het waarnemers speciaal maakt, ” zegt David Chalmers, een filosoof en cognitief wetenschapper aan de New York University., Vandaag de dag zijn de meeste natuurkundigen het erover eens dat levenloze objecten kwantumsystemen uit superpositie kunnen halen door een proces dat bekend staat als decoherentie. Zeker, onderzoekers die proberen om complexe kwantum superposities te manipuleren in het lab kunnen hun harde werk vernietigd door snelle luchtdeeltjes botsen met hun systemen. Dus voeren ze hun tests uit bij ultrakoude temperaturen en proberen hun apparaten te isoleren van trillingen.,
in de loop van de decennia zijn er verschillende concurrerende kwantuminterpretaties ontstaan die minder mystieke mechanismen gebruiken, zoals decoherentie, om uit te leggen hoe superposities afbreken zonder bewustzijn aan te roepen. Andere interpretaties houden het nog radicalere standpunt in dat er helemaal geen ineenstorting is. Elk heeft zijn eigen rare en prachtige kijk op Wigner ‘ s test. De meest exotische is de” vele werelden ” – visie, die zegt dat wanneer je een kwantummeting doet, de realiteit breekt, waardoor parallelle universa worden gecreëerd om elk mogelijk resultaat tegemoet te komen., Zo zou Wigner ‘ s vriend in twee kopieën splitsen en, “met goed genoeg supertechnologie,” kon hij inderdaad meten dat die persoon in superpositie is van buiten het lab, zegt kwantumfysicus en veelwereldenfan Lev Vaidman van de Universiteit van Tel Aviv.
de alternatieve “Bohm” theorie (vernoemd naar de natuurkundige David Bohm) zegt dat op het fundamentele niveau kwantumsystemen wel bepaalde eigenschappen hebben; we weten gewoon niet genoeg over deze systemen om hun gedrag precies te voorspellen., In dat geval heeft de vriend een enkele ervaring, maar Wigner kan nog steeds meten dat het individu zich in een superpositie bevindt vanwege zijn eigen onwetendheid. In tegenstelling, een relatieve nieuwkomer op het blok genaamd de Qbism interpretatie omarmt het probabilistische element van de kwantumtheorie van ganser harte (QBism, uitgesproken als “kubisme,” is eigenlijk kort voor quantum Bayesianism, een verwijzing naar 18e-eeuwse wiskundige Thomas Bayes ‘ werk over waarschijnlijkheid., QBists beweren dat een persoon alleen kwantummechanica kan gebruiken om te berekenen hoe zijn of haar overtuigingen te kalibreren over wat hij of zij zal meten in een experiment. “Meetresultaten moeten worden beschouwd als persoonlijk voor de agent die de meting doet,” zegt Ruediger Schack van Royal Holloway, Universiteit van Londen, die een van de oprichters van QBism is. Volgens de leerstellingen van het Qbisme kan de kwantumtheorie je niets vertellen over de onderliggende staat van de werkelijkheid, noch kan Wigner het gebruiken om te speculeren over de ervaringen van zijn vriend.,
een andere intrigerende interpretatie, genaamd retrocausaliteit, laat gebeurtenissen in de toekomst toe om het verleden te beïnvloeden. “In een retrocausal account ervaart wigners vriend absoluut iets”, zegt Ken Wharton, een natuurkundige aan de San Jose State University, die een voorstander is van deze tijdverdraaiende visie. Maar dat” iets “de vriend ervaart op het punt van meting kan afhangen van Wigner’ s keuze van hoe die persoon later te observeren.,
het probleem is dat elke interpretatie net zo goed-of slecht-is in het voorspellen van de uitkomst van kwantumtesten, dus kiezen tussen hen komt op smaak. “Niemand weet wat de oplossing is”, zegt Steinberg. “We weten niet eens of de lijst met mogelijke oplossingen die we hebben uitputtend is.”
andere modellen, zogenaamde collapse theories, doen testbare voorspellingen. Deze modellen passen op een mechanisme dat een kwantumsysteem dwingt in te storten wanneer het te groot wordt—wat verklaart waarom katten, mensen en andere macroscopische objecten niet in superpositie kunnen zijn., Experimenten zijn aan de gang om te jagen op handtekeningen van dergelijke instortingen, maar ze hebben nog niets gevonden. Kwantumfysici plaatsen ook steeds grotere objecten in superpositie: vorig jaar meldde een team in Wenen dat ze dat deden met een molecuul van 2000 atomen. De meeste kwantuminterpretaties zeggen dat er geen reden is waarom deze inspanningen om supersize superposities niet eeuwig opwaarts zouden moeten blijven, ervan uitgaande dat onderzoekers de juiste experimenten in ongerepte labomstandigheden kunnen bedenken zodat decoherentie kan worden vermeden., Ineenstorting theorieën, echter, stellen dat een limiet op een dag zal worden bereikt, ongeacht hoe zorgvuldig experimenten worden voorbereid. “Als je probeert een klassieke waarnemer—een mens, zeg maar—te manipuleren en het als een kwantumsysteem te behandelen, zou het onmiddellijk instorten”, zegt Angelo Bassi, een kwantumfysicus en voorstander van ineenstorting theorieën aan de Universiteit van Triëst in Italië.een manier om Wigners vriend te bekijken Tischler en haar collega ‘ s geloofden dat het analyseren en uitvoeren van een wigners vriend experiment licht kon werpen op de grenzen van de kwantumtheorie., Ze werden geïnspireerd door een nieuwe golf van theoretische en experimentele papers die de rol van de waarnemer in de kwantumtheorie hebben onderzocht door verstrengeling in Wigners klassieke setup te brengen. Stel je neemt twee lichtdeeltjes, of fotonen, die gepolariseerd zijn zodat ze horizontaal of verticaal kunnen trillen. De fotonen kunnen ook worden geplaatst in een superpositie van trillen zowel horizontaal als verticaal op hetzelfde moment, net zoals Schrödingers paradoxale kat zowel levend als dood kan zijn voordat hij wordt waargenomen.,
dergelijke fotonenparen kunnen samen worden voorbereid-verstrengeld-zodat hun polarisaties altijd in de tegenovergestelde richting worden gevonden wanneer ze worden waargenomen. Dat lijkt misschien niet vreemd-tenzij je je herinnert dat deze eigenschappen niet vast zijn totdat ze worden gemeten., Zelfs als het ene foton wordt gegeven aan een natuurkundige genaamd Alice in Australië, terwijl het andere wordt getransporteerd naar haar collega Bob in een lab in Wenen, zorgt verstrengeling ervoor dat zodra Alice haar foton observeert en bijvoorbeeld de polarisatie ervan horizontaal vindt, de polarisatie van Bob ‘ s foton direct synchroniseert met verticaal vibreren. Omdat de twee fotonen lijken te communiceren sneller dan de snelheid van het licht—iets verboden door zijn theorieën van relativiteit—dit fenomeen diep verontrust Albert Einstein, die noemde het “spooky actie op een afstand.,”
Deze zorgen bleven theoretisch tot de jaren 1960, toen fysicus John Bell een manier bedacht om te testen of de werkelijkheid echt griezelig is—of dat er een meer alledaagse verklaring achter de correlaties tussen verstrengelde partners kon zijn. Bell stelde zich een gezonde theorie voor die lokaal was—dat wil zeggen, een theorie waarin invloeden niet direct tussen deeltjes konden reizen. Het was ook deterministisch in plaats van inherent probabilistisch, dus experimentele resultaten konden in principe met zekerheid worden voorspeld, als natuurkundigen alleen maar meer begrepen over de verborgen eigenschappen van het systeem., En het was realistisch, wat voor een kwantumtheoreticus betekent dat systemen deze definitieve eigenschappen zouden hebben, zelfs als niemand ernaar keek. Toen berekende Bell het maximale niveau van correlaties tussen een reeks verstrengelde deeltjes die zo ‘ n lokale, deterministische en realistische theorie kon ondersteunen. Als die drempel werd geschonden in een experiment, dan moet een van de veronderstellingen achter de theorie vals zijn.
dergelijke “Bell tests” zijn sindsdien uitgevoerd, met een reeks waterdichte versies uitgevoerd in 2015, en ze hebben bevestigd spookachtige realiteit., “Quantum foundations is een veld dat echt experimenteel is gestart door Bell’ s-nu meer dan 50 jaar oud. En we hebben veel tijd besteed aan het opnieuw invoeren van die experimenten en bespreken wat ze betekenen,” zegt Steinberg. “Het is heel zeldzaam dat mensen in staat zijn om met een nieuwe test te komen die verder gaat dan Bell.”
Het doel van het Brisbane team was om een nieuwe stelling af te leiden en te testen die precies dat zou doen, met nog strengere beperkingen—” lokale vriendelijkheid ” grenzen—op de aard van de werkelijkheid. Net als Bell’ s theorie is de denkbeeldige van de onderzoekers lokaal., Ze verbieden ook expliciet “superdeterminisme” —dat wil zeggen, ze staan erop dat onderzoekers vrij zijn om te kiezen wat te meten zonder beïnvloed te worden door gebeurtenissen in de toekomst of het verre verleden. (Bell nam impliciet aan dat onderzoekers ook vrije keuzes kunnen maken. Ten slotte schrijft het team voor dat wanneer een waarnemer een meting doet, de uitkomst een echte, enkele gebeurtenis in de wereld is—het is niet gerelateerd aan iemand of iets.,
het testen van lokale vriendelijkheid vereist een sluwe setup met twee” superobservers”, Alice en Bob (die de rol van Wigner spelen), kijken naar hun vrienden Charlie en Debbie. Alice en Bob hebben elk hun eigen interferometer—een apparaat dat wordt gebruikt om lichtstralen te manipuleren. Alvorens te worden gemeten, bevinden de polarisaties van de fotonen zich in een superpositie van zowel horizontaal als verticaal zijn. De paren van verstrengelde fotonen worden zodanig voorbereid dat als de polarisatie van één wordt gemeten om horizontaal te zijn, de polarisatie van zijn partner onmiddellijk zou moeten omdraaien om verticaal te zijn., Een foton van elk verstrikt paar wordt naar Alice ’s interferometer gestuurd, en zijn partner wordt naar Bob’ s gestuurd. Charlie en Debbie zijn eigenlijk geen menselijke vrienden in deze test. In plaats daarvan zijn het straalverplaatsers aan de voorkant van elke interferometer. Wanneer Alice ‘ s foton de verdringer raakt, wordt de polarisatie effectief gemeten, en het zwenkt ofwel links of rechts, afhankelijk van de richting van de polarisatie waarin het klikt. Deze actie speelt de rol van Alice ’s vriend Charlie “meten” de polarisatie. (Debbie woont ook in Bob ‘ s interferometer.,)
Alice moet dan een keuze maken: ze kan het nieuwe afwijkende pad van het foton onmiddellijk meten, wat gelijk staat aan het openen van de labdeur en Charlie vragen wat hij zag. Of ze kan het foton laten doorgaan op zijn reis, door een tweede straal verdringer die de linker en rechter paden combineert – het equivalent van het houden van de lab deur gesloten. Alice kan dan direct de polarisatie van haar foton meten als het de interferometer verlaat., Gedurende het experiment, Alice en Bob onafhankelijk kiezen welke meting keuzes te maken en vervolgens vergelijken notities om de correlaties gezien over een reeks van verstrengelde paren te berekenen.
Tischler en haar collega ‘ s voerden 90.000 runs van het experiment uit. Zoals verwacht overtraden de correlaties de oorspronkelijke grenzen van Bell—en, cruciaal, ze overtraden ook de nieuwe drempel van lokale vriendelijkheid., Het team kon ook de opstelling aanpassen om de mate van verstrengeling tussen de fotonen af te stemmen door een van de twee op een omweg te sturen voordat het zijn interferometer binnenging, waardoor de perfecte harmonie tussen de partners zachtjes verstoord werd. Toen de onderzoekers het experiment met dit iets lagere niveau van verstrengeling uitvoerden, vonden ze een punt waar de correlaties nog steeds Bell ‘ s gebonden, maar niet de lokale vriendelijkheid schonden. Dit resultaat bewees dat de twee reeksen grenzen niet gelijkwaardig zijn en dat de nieuwe lokale vriendschapsbeperkingen sterker zijn, zegt Tischler., “Als je ze overtreedt, leer je meer over de realiteit”, voegt ze eraan toe. Namelijk, als je theorie zegt dat” vrienden ” als kwantumsystemen kunnen worden behandeld, dan moet je ofwel localiteit opgeven, accepteren dat metingen geen enkel resultaat hebben waar waarnemers het over eens moeten zijn of superdeterminisme moeten toestaan. Elk van deze opties heeft diepgaande—en, voor sommige natuurkundigen, uitgesproken onaangename—implicaties.,”The paper is an important philosophical study”, zegt Michele Reilly, medeoprichter van Turing, een quantumcomputerbedrijf uit New York, die niet betrokken was bij het werk. Ze merkt op dat natuurkundigen die quantumstichtingen bestuderen vaak moeite hebben gehad om met een haalbare test te komen om hun grote ideeën te ondersteunen. “Ik ben blij om een experiment achter filosofische studies te zien,” zegt Reilly. Steinberg noemt het experiment “uiterst elegant” en prijst het team voor het aanpakken van het mysterie van de rol van de waarnemer in de meting frontaal.,hoewel het geen verrassing is dat de kwantummechanica ons dwingt om een gezonde aanname op te geven—natuurkundigen wisten dat van Bell—”de vooruitgang hier is dat we een vernauwing zijn in welke van die aannames het is,” zegt Wharton, die ook geen deel uitmaakte van de studie. Toch, merkt hij op, zullen voorstanders van de meeste kwantuminterpretaties geen slaap verliezen. Fans van retrocausaliteit, zoals hijzelf, hebben al vrede gesloten met superdeterminisme: naar hun mening is het niet schokkend dat toekomstige metingen de resultaten uit het verleden beïnvloeden., Ondertussen hebben QBists en aanhangers van vele werelden lang geleden de eis verworpen dat de kwantummechanica een enkele uitkomst voorschrijft waar elke waarnemer het over eens moet zijn.
en zowel Boheemse mechanica als spontane instortingsmodellen hebben al gelukkig plaats verlaten als reactie op Bell. Bovendien zeggen instortingsmodellen dat een echte macroscopische vriend in de eerste plaats niet gemanipuleerd kan worden als een kwantumsysteem.
Vaidman, die ook niet betrokken was bij het nieuwe werk, is er echter minder enthousiast over en bekritiseert de identificatie van Wigners vriend met een foton., De methoden die worden gebruikt in de krant “zijn belachelijk; de vriend moet macroscopisch zijn,” zegt hij. Philosopher of physics Tim Maudlin van de New York University, die geen deel uitmaakte van de studie, is het daarmee eens. “Niemand denkt dat een foton een waarnemer is, tenzij je een panpsychicus bent”, zegt hij. Omdat geen natuurkundige zich afvraagt of een foton in superpositie kan worden gebracht, vindt Maudlin dat het experiment geen beet heeft. “Het sluit iets uit-gewoon iets dat niemand ooit heeft voorgesteld,” zegt hij.
Tischler aanvaardt de kritiek. “We willen niet overdrijven wat we hebben gedaan”, zegt ze., De sleutel voor toekomstige experimenten zal het vergroten van de grootte van de “vriend”, voegt teamlid Howard Wiseman, een natuurkundige aan Griffith University. Het meest dramatische resultaat, zegt hij, zou zijn het gebruik van een kunstmatige intelligentie, belichaamd op een kwantumcomputer, als de vriend. Sommige filosofen hebben nagedacht dat zo ‘ n machine menselijke ervaringen zou kunnen hebben, een positie die bekend staat als de sterke AI-hypothese, merkt Wiseman op, hoewel nog niemand weet of dat idee waar zal blijken te zijn. Maar als de hypothese klopt, zou deze op kwantum gebaseerde kunstmatige algemene intelligentie (AGI) microscopisch zijn., Dus vanuit het oogpunt van spontane instortingsmodellen, zou het geen instorting veroorzaken vanwege zijn grootte. Als een dergelijke test werd uitgevoerd, en de lokale vriendelijkheid gebonden niet werd geschonden, dat resultaat zou impliceren dat het bewustzijn van een AGI niet kan worden gezet in een superpositie. Op zijn beurt zou die conclusie suggereren dat Wigner gelijk had dat bewustzijn instorting veroorzaakt. “Ik denk niet dat ik zal leven om een experiment als dit te zien,” Wiseman zegt. “Maar dat zou revolutionair zijn.,”
Reilly, echter, waarschuwt dat natuurkundigen hopen dat toekomstige AGI hen zal helpen thuis in op de fundamentele beschrijving van de werkelijkheid zetten de kar voor het paard. “Het is voor mij niet ondenkbaar dat kwantumcomputers de paradigmaverschuiving zullen zijn om ons in AGI te krijgen”, zegt ze. “Uiteindelijk hebben we een theorie van alles nodig om een AGI te bouwen op een quantumcomputer, punt, punt.”
deze eis kan meer grandioze plannen uitsluiten. Maar het team stelt ook meer bescheiden tussentijdse tests met machine-learning-systemen als vrienden, wat Steinberg aanspreekt., Die aanpak is “interessant en provocerend”, zegt hij. “Het wordt steeds denkbaar dat grotere en grotere schaal computationele apparaten kunnen, in feite, worden gemeten op een kwantum manier.”
Renato Renner, een kwantumfysicus aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Zürich (ETH Zürich), maakt een nog sterkere bewering: ongeacht of toekomstige experimenten kunnen worden uitgevoerd, zegt hij, vertelt de nieuwe stelling ons dat de kwantummechanica moet worden vervangen., In 2018 publiceerden Renner en zijn collega Daniela Frauchiger, toen aan de ETH Zürich, een gedachte-experiment op basis van wigners vriend en gebruikten het om een nieuwe paradox af te leiden. Hun opstelling verschilt van die van het Brisbane-team, maar omvat ook vier waarnemers waarvan de metingen verstrikt kunnen raken. Renner en Frauchiger berekenden dat als de waarnemers kwantumwetten op elkaar toepassen, ze uiteindelijk verschillende resultaten kunnen afleiden in hetzelfde experiment.
” Het nieuwe artikel is een andere bevestiging dat we een probleem hebben met de huidige kwantumtheorie,” zegt Renner, die niet betrokken was bij het werk., Hij stelt dat geen van de huidige kwantuminterpretaties zich uit de zogenaamde Frauchiger-Renner-paradox kan wurmen zonder dat voorstanders toegeven dat het hen niet kan schelen of de kwantumtheorie consistente resultaten geeft. QBists bieden de meest smakelijke manier om te ontsnappen, omdat ze vanaf het begin zeggen dat de kwantumtheorie niet kan worden gebruikt om af te leiden wat andere waarnemers zullen meten, zegt Renner. “Het baart me echter nog steeds zorgen: als alles voor mij persoonlijk is, hoe kan ik dan iets relevants voor jou zeggen?”voegt hij eraan toe., Renner werkt nu aan een nieuwe theorie die voorziet in een reeks wiskundige regels die de ene waarnemer in staat stellen uit te werken wat een andere zou moeten zien in een kwantumexperiment.
toch zien degenen die sterk geloven dat hun favoriete interpretatie juist is, weinig waarde in Tischler ‘ s studie. “Als je denkt dat kwantummechanica ongezond is en het moet worden vervangen, dan is dit nuttig omdat het je nieuwe beperkingen vertelt,” zegt Vaidman. “Maar ik ben het er niet mee eens dat dit het geval is—veel werelden verklaren alles.,”
voorlopig zullen natuurkundigen het erover eens moeten blijven zijn om het niet eens te zijn over welke interpretatie het beste is of of er een geheel nieuwe theorie nodig is. “Daar zijn we in het begin van de 20e eeuw mee gestopt—we zijn hier echt in de war over”, zegt Reilly. “Maar deze studies zijn precies het juiste om te doen om er doorheen te denken.”
Disclaimer: De auteur schrijft vaak voor het Foundational Questions Institute, dat onderzoek in fysica en kosmologie sponsort en gedeeltelijk de studie van het Brisbane team financierde.