Jak to jest być żywym i martwym?
to pytanie irytowało i zainspirowało węgiersko-amerykańskiego fizyka Eugene ' a Wignera w latach 60., Był sfrustrowany paradoksami wynikającymi z kaprysów mechaniki kwantowej—teorii rządzącej mikroskopijną sferą, która sugeruje, wśród wielu innych sprzecznych z intuicją rzeczy, że dopóki system kwantowy nie zostanie zaobserwowany, niekoniecznie musi mieć określone właściwości. Weźmy słynny eksperyment myślowy swojego kolegi fizyka Erwina Schrödingera, w którym kot jest uwięziony w pudełku z trucizną, która zostanie uwolniona, jeśli rozpadnie się radioaktywny atom., Radioaktywność jest procesem kwantowym, więc zanim pudełko zostanie otwarte, historia mówi, że atom rozpadł się i nie rozpadł, pozostawiając nieszczęśliwego kota w zawieszeniu—tak zwaną superpozycję między życiem a śmiercią. Ale czy kot doświadcza bycia w superpozycji?
Wigner wyostrzył paradoks wyobrażając sobie (ludzkiego) przyjaciela zamkniętego w laboratorium, mierzącego układ kwantowy. Twierdził, że absurdem jest stwierdzenie, że jego przyjaciel istnieje w superpozycji, że widział i nie widział rozpadu, dopóki Wigner nie otworzy drzwi laboratorium., „Eksperyment myślowy” Wigner 's friend” pokazuje, że rzeczy mogą stać się bardzo dziwne, jeśli obserwator jest również obserwowany”, mówi Nora Tischler, fizyk kwantowy z Griffith University w Brisbane, Australia.
teraz Tischler i jej koledzy przeprowadzili wersję testu przyjaciela Wignera. Łącząc klasyczny eksperyment myślowy z innym kwantowym drapaczem głów zwanym splątaniem-zjawiskiem łączącym cząstki na ogromnych odległościach-wyprowadzili również nowe twierdzenie, które, jak twierdzą, nakłada najsilniejsze ograniczenia na podstawową naturę rzeczywistości., Ich badanie, które pojawiło się w fizyce przyrody 17 sierpnia, ma implikacje dla roli, jaką świadomość może odgrywać w fizyce kwantowej—a nawet czy teoria kwantowa musi zostać zastąpiona.
nowa praca jest „ważnym krokiem naprzód w dziedzinie metafizyki eksperymentalnej”, mówi fizyk kwantowy Aephraim Steinberg z University of Toronto, który nie był zaangażowany w badania. „To początek tego, czego oczekuję, będzie ogromnym programem badań.,”
kwestia gustu
dopóki fizyka kwantowa nie pojawiła się w latach 20., fizycy oczekiwali, że ich teorie będą deterministyczne, generując przewidywania wyników eksperymentów z pewnością. Ale teoria kwantowa wydaje się być z natury probabilistyczna. Wersja podręcznikowa—nazywana czasem interpretacją kopenhaską-mówi, że dopóki nie zostaną zmierzone właściwości układu, mogą one obejmować niezliczone wartości. Superpozycja ta rozpada się tylko w jeden stan, gdy system jest obserwowany, a fizycy nigdy nie są w stanie dokładnie przewidzieć, jaki będzie ten stan., Wigner utrzymywał wówczas popularny pogląd, że świadomość w jakiś sposób wyzwala superpozycję do upadku. Tak więc jego hipotetyczny przyjaciel rozpoznałby określony wynik, gdy ona lub on dokonałby pomiaru—a Wigner nigdy nie zobaczyłby jej lub go w superpozycji.
ten widok wypadł z łask. „Ludzie z podstaw mechaniki kwantowej szybko odrzucają pogląd Wignera jako upiorny i źle zdefiniowany, ponieważ czyni obserwatorów wyjątkowymi”, mówi David Chalmers, filozof i kognitywista Z New York University., Obecnie większość fizyków zgadza się, że obiekty nieożywione mogą wytrącić układy kwantowe z superpozycji poprzez proces znany jako dekoherencja. Z pewnością badacze próbujący manipulować złożonymi superpozycjami kwantowymi w laboratorium mogą znaleźć ciężką pracę zniszczoną przez szybkie cząstki powietrza zderzające się z ich układami. Przeprowadzają więc swoje testy w ultrazimnych temperaturach i starają się odizolować swoje urządzenia od wibracji.,
kilka konkurencyjnych interpretacji kwantowych powstało w ciągu dziesięcioleci, które wykorzystują mniej mistyczne mechanizmy, takie jak dekoherencja, aby wyjaśnić, w jaki sposób superpozycje rozpadają się bez odwoływania się do świadomości. Inne interpretacje utrzymują jeszcze bardziej radykalne stanowisko, że w ogóle nie ma upadku. Każdy z nich ma swoje dziwne i wspaniałe podejście do testu Wignera. Najbardziej egzotyczny jest widok „wielu światów”, który mówi, że ilekroć dokonujesz pomiaru kwantowego, rzeczywistość pęka, tworząc równoległe wszechświaty, aby pomieścić każdy możliwy wynik., Tak więc przyjaciel Wignera podzielił się na dwie kopie i” z wystarczająco dobrą supertechnologią ” mógł rzeczywiście zmierzyć tę osobę, aby była w superpozycji spoza laboratorium, mówi fizyk kwantowy i wieloświatowy fan Lev Vaidman z Uniwersytetu w Tel Awiwie.
alternatywna teoria „Bohmiana” (nazwana na cześć fizyka Davida Bohma) mówi, że na poziomie podstawowym układy kwantowe mają określone właściwości; po prostu nie wiemy wystarczająco dużo o tych układach, aby precyzyjnie przewidzieć ich zachowanie., W takim przypadku przyjaciel ma jedno doświadczenie, ale Wigner może nadal mierzyć, że osoba jest w superpozycji z powodu własnej ignorancji. W przeciwieństwie do tego, względny nowicjusz w bloku zwanym qbism interpretation obejmuje probabilistyczny element teorii kwantowej z całego serca (QBism, wymawiane „Kubizm”, jest w rzeczywistości skrótem od kwantowego Bayesianizmu, odniesienie do 18-wiecznej pracy matematyka Thomasa Bayesa na temat prawdopodobieństwa.,) Qbiści twierdzą, że osoba może używać mechaniki kwantowej tylko do obliczania, jak kalibrować swoje przekonania na temat tego, co zmierzy w eksperymencie. „Wyniki pomiarów muszą być traktowane jako osobiste dla agenta, który dokonuje pomiaru”, mówi Ruediger Schack z Royal Holloway, University of London, który jest jednym z założycieli QBism. Zgodnie z założeniami Qbizmu teoria kwantowa nie może nic powiedzieć o leżącym u podstaw stanie rzeczywistości, ani też Wigner nie może jej użyć do spekulacji na doświadczeniach swojego przyjaciela.,
kolejna intrygująca interpretacja, zwana retrokausalnością, pozwala wydarzeniom w przyszłości wpływać na przeszłość. „W retrospektywnej relacji Przyjaciel Wignera absolutnie czegoś doświadcza” – mówi Ken Wharton, fizyk z Uniwersytetu Stanowego w San Jose, który jest orędownikiem tego pokręconego poglądu. Ale to” coś ” przyjaciel doświadcza w punkcie pomiaru może zależeć od wyboru Wignera, jak obserwować tę osobę później.,
problem w tym, że każda interpretacja jest równie dobra—lub zła—w przewidywaniu wyników testów kwantowych, więc wybór między nimi sprowadza się do gustu. „Nikt nie wie, jakie jest rozwiązanie” – mówi Steinberg. „Nie wiemy nawet, czy lista potencjalnych rozwiązań, jakie mamy, jest wyczerpująca.”
Inne modele, zwane teoriami upadku, dokonują testowalnych prognoz. Modele te bazują na mechanizmie, który zmusza układ kwantowy do zawalenia się, gdy staje się zbyt duży-wyjaśniając, dlaczego koty, ludzie i inne makroskopowe obiekty nie mogą znajdować się w superpozycji., Trwają eksperymenty mające na celu poszukiwanie sygnatur takich zawaleń, ale jak dotąd niczego nie znaleziono. Fizycy kwantowi umieszczają również coraz większe obiekty w superpozycji: w zeszłym roku zespół w Wiedniu zgłosił to z cząsteczką 2000 atomu. Większość interpretacji kwantowych mówi, że nie ma powodu, dla którego te wysiłki na rzecz superrozmiaru superpozycji nie powinny być kontynuowane w górę w nieskończoność, zakładając, że naukowcy mogą opracować odpowiednie eksperymenty w nieskazitelnych warunkach laboratoryjnych, tak aby można było uniknąć dekoherencji., Teorie załamania zakładają jednak, że pewnego dnia zostanie osiągnięty limit, niezależnie od tego, jak starannie przygotowane są eksperymenty. „Jeśli spróbujesz manipulować klasycznym obserwatorem—powiedzmy człowiekiem—i potraktujesz go jako system kwantowy, natychmiast się zawali”, mówi Angelo Bassi, fizyk kwantowy i zwolennik teorii upadku na Uniwersytecie w Trieście we Włoszech.
a Way to Watch Wigner 's Friend
Tischler i jej współpracownicy wierzyli, że analiza i wykonanie eksperymentu Wignera' s friend może rzucić światło na granice teorii kwantowej., Zainspirowała ich nowa fala prac teoretycznych i eksperymentalnych, które badały rolę obserwatora w teorii kwantowej, wprowadzając splątanie do klasycznej konfiguracji Wignera. Powiedzmy, że bierzesz dwie cząstki światła lub fotony, które są spolaryzowane tak, że mogą wibrować poziomo lub pionowo. Fotony mogą być również umieszczone w superpozycji wibrującej zarówno poziomo, jak i pionowo w tym samym czasie, podobnie jak paradoksalny kot Schrödingera może być zarówno żywy, jak i martwy, zanim zostanie zaobserwowany.,
takie pary fotonów mogą być przygotowane razem—splątane—tak, że ich polaryzacje są zawsze w przeciwnym kierunku podczas obserwacji. To nie może wydawać się dziwne-chyba że pamiętasz, że te właściwości nie są stałe, dopóki nie zostaną zmierzone., Nawet jeśli jeden Foton zostanie przekazany fizykowi o imieniu Alice w Australii, a drugi zostanie przetransportowany do swojego kolegi Boba w laboratorium w Wiedniu, splątanie zapewnia, że gdy tylko Alicja zaobserwuje swój Foton i na przykład stwierdzi, że jego polaryzacja jest pozioma, polaryzacja fotonu Boba natychmiast zsynchronizuje się z wibrującym pionowo. Ponieważ dwa fotony zdają się komunikować szybciej niż prędkość światła—co jest zakazane przez jego teorie względności—zjawisko to głęboko zaniepokoiło Alberta Einsteina, który nazwał to ” upiorną akcją na odległość.,”
te obawy pozostały teoretyczne aż do 1960 roku, kiedy fizyk John Bell wymyślił sposób, aby sprawdzić, czy rzeczywistość jest naprawdę straszna-lub czy może być bardziej przyziemne Wyjaśnienie korelacji między splątanymi partnerami. Bell wyobrażał sobie teorię zdrowego rozsądku, która była lokalna—czyli taką, w której wpływy nie mogły przemieszczać się między cząstkami natychmiast. Był on również deterministyczny, a nie z natury probabilistyczny, więc wyniki eksperymentów można było przewidzieć z całą pewnością, gdyby tylko fizycy zrozumieli więcej o ukrytych właściwościach układu., I było to realistyczne, co dla teoretyka kwantowego oznacza, że układy miałyby te określone właściwości, nawet gdyby nikt na nie nie patrzył. Następnie Bell obliczył maksymalny poziom korelacji między szeregiem splątanych cząstek, które Taka lokalna, deterministyczna i realistyczna teoria mogłaby wspierać. Jeśli próg ten został naruszony w eksperymencie, to jedno z założeń teorii musi być fałszywe.
takie „testy dzwonów” zostały przeprowadzone w 2015 roku, a w 2015 roku przeprowadzono serię wersji wodoszczelnych, które potwierdziły upiorność rzeczywistości., „Quantum foundations to dziedzina, która została zapoczątkowana eksperymentalnie przez Bell' a —już ponad 50 lat. Spędziliśmy dużo czasu na ponownym wdrażaniu tych eksperymentów i omawianiu ich znaczenia” – mówi Steinberg. „To bardzo rzadkie, że ludzie są w stanie wymyślić nowy test, który wychodzi poza Bell.”
celem zespołu w Brisbane było wyprowadzenie i przetestowanie nowego twierdzenia, które zrobi właśnie to, zapewniając jeszcze bardziej restrykcyjne ograniczenia—” lokalne granice przyjazności ” —na naturę rzeczywistości. Podobnie jak teoria Bella, wyimaginowana przez badaczy jest lokalna., Wyraźnie zakazują również „superdeterminizmu” – to znaczy nalegają, aby eksperymentatorzy mogli swobodnie wybierać, co mierzyć, nie będąc pod wpływem wydarzeń w przyszłości lub odległej przeszłości. (Bell pośrednio zakładał, że eksperymentatorzy również mogą dokonywać wolnych wyborów.) Na koniec zespół stwierdza, że gdy obserwator dokonuje pomiaru, wynik jest prawdziwym, pojedynczym wydarzeniem na świecie—nie jest względny dla nikogo ani niczego.,
testowanie lokalnej życzliwości wymaga sprytnej konfiguracji z udziałem dwóch „superobserwerów”, Alice i Boba (którzy grają rolę Wignera), obserwujących swoich przyjaciół Charliego i Debbie. Alice i Bob mają swój własny interferometr-urządzenie służące do manipulowania wiązkami fotonów. Przed pomiarem polaryzacje fotonów znajdują się w superpozycji zarówno poziomej, jak i pionowej. Pary splątanych fotonów są przygotowane w taki sposób, że jeśli polaryzacja jednego z nich ma być pozioma, polaryzacja jego partnera powinna natychmiast odwrócić się do pionu., Jeden Foton z każdej splątanej pary jest wysyłany do interferometru Alicji, a jego partner zostaje wysłany do Boba. Charlie i Debbie nie są w tym teście ludźmi. Są to raczej przemieszacze wiązek Z przodu każdego interferometru. Kiedy Foton Alice uderza w przemieszacz, jego polaryzacja jest skutecznie mierzona i skręca w lewo lub w prawo, w zależności od kierunku polaryzacji, w którą wpada. Akcja ta odgrywa rolę przyjaciela Alicji, Charliego „mierzącego” polaryzację. (Debbie podobnie przebywa w interferometrze Boba.,)
Alice musi dokonać wyboru: może natychmiast zmierzyć nową, odchyloną ścieżkę fotonu, co byłoby równoznaczne z otwarciem drzwi do laboratorium i zapytaniem Charliego, co widział. Może też pozwolić fotonowi kontynuować podróż, przechodząc przez drugi przemieszacz wiązki, który rekombinuje lewą i prawą ścieżkę—odpowiednik zamknięcia drzwi laboratorium. Alice może następnie bezpośrednio zmierzyć polaryzację swojego fotonu, gdy wychodzi z interferometru., W trakcie eksperymentu Alice i Bob samodzielnie wybierają wybory pomiarowe, a następnie porównują notatki, aby obliczyć korelacje widoczne w serii splątanych par.
Tischler i jej koledzy przeprowadzili 90 000 przebiegów eksperymentu. Zgodnie z oczekiwaniami, korelacje naruszyły pierwotne granice Bella—i co najważniejsze, naruszyły również nowy próg przyjazności lokalnej., Zespół mógł również zmodyfikować ustawienia, aby zmniejszyć stopień splątania między fotonami, wysyłając jednego z par na objazd przed wejściem do interferometru, delikatnie zakłócając idealną harmonię między partnerami. Kiedy naukowcy przeprowadzili eksperyment z tym nieco niższym poziomem splątania, znaleźli punkt, w którym korelacje nadal naruszały Wiązanie Bella, ale nie lokalną życzliwość. Wynik ten udowodnił, że oba zestawy granic nie są równoważne i że nowe ograniczenia przyjazności lokalnej są silniejsze, mówi Tischler., „Jeśli je naruszasz, dowiadujesz się więcej o rzeczywistości” – dodaje. Mianowicie, jeśli twoja teoria mówi, że „przyjaciół” można traktować jako układy kwantowe, to musisz albo zrezygnować z lokalności, zaakceptować, że pomiary nie mają jednego wyniku, na który obserwatorzy muszą się zgodzić, albo pozwolić na superdeterminizm. Każda z tych opcji ma głębokie—i, dla niektórych fizyków, wyraźnie niesmaczne-implikacje.,
ponowne rozważanie rzeczywistości
„artykuł jest ważnym studium filozoficznym”, mówi Michele Reilly, współzałożyciel Turing, firmy zajmującej się komputerami kwantowymi z siedzibą w Nowym Jorku, który nie był zaangażowany w prace. Zauważa, że fizycy badający podstawy kwantowe często starali się wymyślić wykonalny test, aby potwierdzić swoje wielkie pomysły. „Jestem podekscytowany, widząc eksperyment za filozoficznych studiów”, mówi Reilly. Steinberg nazywa eksperyment „niezwykle eleganckim”i chwali zespół za zmierzenie się z tajemnicą roli obserwatora w pomiarach.,
chociaż nie jest zaskoczeniem, że mechanika kwantowa zmusza nas do rezygnacji z rozsądnego założenia—fizycy wiedzieli o tym od Bella—”postęp jest taki, że jesteśmy zawężeniem, które z tych założeń to jest”, mówi Wharton, który również nie był częścią badań. Mimo to, zauważa, zwolennicy większości kwantowych interpretacji nie tracą snu. Fani retrokausalności, tacy jak on, pogodzili się już z superdeterminizmem: ich zdaniem nie jest szokujące, że przyszłe pomiary wpływają na przeszłe wyniki., Tymczasem Qbiści i zwolennicy wielu światów dawno temu odrzucili wymóg, że mechanika kwantowa przepisuje jeden wynik, który każdy obserwator musi zgodzić.
i zarówno Mechanika Bohmiana, jak i spontaniczne modele zapadania się już szczęśliwie porzucone w odpowiedzi na Bella. Co więcej, modele collapse mówią, że prawdziwy makroskopowy przyjaciel nie może być manipulowany jako system kwantowy w pierwszej kolejności.
Vaidman, który również nie był zaangażowany w nowe dzieło, jest jednak mniej nim zachwycony i krytykuje utożsamianie przyjaciela Wignera z fotonem., Metody zastosowane w artykule „są śmieszne, przyjaciel musi być makroskopowy”, mówi. Filozof fizyki Tim Maudlin Z New York University, który nie był częścią badań, zgadza się. „Nikt nie myśli, że foton jest obserwatorem, chyba, że jesteś panpsychikiem” – mówi. Ponieważ żaden fizyk nie kwestionuje, czy Foton można umieścić w superpozycji, Maudlin uważa, że eksperymentowi brakuje bite ' a. „To wyklucza coś—po prostu coś, czego nikt nigdy nie zaproponował”, mówi.
Tischler przyjmuje krytykę. „Nie chcemy przesadzać z tym, co zrobiliśmy” – mówi., Kluczem do przyszłych eksperymentów będzie zwiększenie rozmiaru „przyjaciela”, dodaje członek zespołu Howard Wiseman, fizyk z Uniwersytetu Griffith. Najbardziej dramatyczny wynik, jak mówi, wiązałby się z użyciem sztucznej inteligencji, ucieleśnionej na komputerze kwantowym, jako przyjaciela. Niektórzy filozofowie twierdzili, że taka maszyna może mieć ludzkie doświadczenia, stanowisko znane jako hipoteza silnej sztucznej inteligencji, zauważa Wiseman, choć nikt jeszcze nie wie, czy ta idea okaże się prawdziwa. Ale jeśli hipoteza się utrzyma, ta kwantowa sztuczna inteligencja ogólna (AGI) byłaby mikroskopijna., Tak więc z punktu widzenia spontanicznych modeli upadku, nie wywoła ona upadku ze względu na jego rozmiar. Gdyby taki test został przeprowadzony, a lokalna przyjazność nie została naruszona, wynik ten oznaczałby, że świadomość AGI nie może być umieszczona w superpozycji. Z kolei wniosek ten sugerowałby, że Wigner miał rację, że świadomość powoduje upadek. „Nie sądzę, że dożyję takiego eksperymentu” – mówi Wiseman. „Ale to byłoby rewolucyjne.,”
Reilly ostrzega jednak, że fizycy, mając nadzieję, że przyszłe AGI pomoże im wrócić do domu w fundamentalnym opisie rzeczywistości, stawiają wóz przed koniem. „Nie jest dla mnie niepojęte, że komputery kwantowe będą zmianą paradygmatu, aby dostać się do AGI”, mówi. „Ostatecznie potrzebujemy teorii wszystkiego, aby zbudować AGI na komputerze kwantowym, kropka, kropka.”
ten wymóg może wykluczać bardziej imponujące plany. Ale zespół sugeruje również skromniejsze testy pośrednie z udziałem systemów uczenia maszynowego jako przyjaciół, co przemawia do Steinberga., To podejście jest „ciekawe i prowokujące”, mówi. „Staje się możliwe, że urządzenia obliczeniowe na większą i większą skalę mogłyby być mierzone w sposób kwantowy.”
Renato Renner, fizyk kwantowy z Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu (ETH Zurich), wysuwa jeszcze silniejsze twierdzenie: niezależnie od tego, czy przyszłe eksperymenty mogą być przeprowadzane, mówi, nowe twierdzenie mówi nam, że mechanika kwantowa musi zostać zastąpiona., W 2018 roku Renner i jego koleżanka Daniela Frauchiger, wówczas w ETH Zurich, opublikowali eksperyment myślowy oparty na przyjacielu Wignera i wykorzystali go do wyprowadzenia nowego paradoksu. Ich konfiguracja różni się od tej z zespołu Brisbane, ale również składa się z czterech obserwatorów, których pomiary mogą zostać splątane. Renner i Frauchiger obliczyli, że jeśli obserwatorzy stosują prawa kwantowe wobec siebie, mogą w końcu wnioskować różne wyniki w tym samym eksperymencie.
„nowy artykuł jest kolejnym potwierdzeniem, że mamy problem z obecną teorią kwantową”, mówi Renner, który nie był zaangażowany w pracę., Twierdzi, że żadna z dzisiejszych kwantowych interpretacji nie może wyjść z tak zwanego paradoksu Frauchigera-Rennera bez przyznania się zwolenników, że nie obchodzi ich, czy teoria kwantowa daje spójne wyniki. Qbiści oferują najbardziej smaczne środki ucieczki, ponieważ od samego początku mówią, że teorii kwantowej nie można użyć do wnioskowania, co inni obserwatorzy będą mierzyć, mówi Renner. „To wciąż mnie martwi: jeśli wszystko jest dla mnie tylko osobiste, Jak mogę powiedzieć coś istotnego dla Ciebie?- dodaje., Renner pracuje obecnie nad nową teorią, która dostarcza zestawu reguł matematycznych, które pozwoliłyby jednemu obserwatorowi ustalić, co inny powinien zobaczyć w eksperymencie kwantowym.
jednak ci, którzy mocno wierzą, że ich ulubiona interpretacja jest słuszna, widzą niewielką wartość w badaniach Tischlera. „Jeśli uważasz, że mechanika kwantowa jest niezdrowa i wymaga wymiany, jest to przydatne, ponieważ mówi o nowych ograniczeniach” – mówi Vaidman. „Ale nie zgadzam się, że tak jest—wiele światów wszystko wyjaśnia.,”
na razie fizycy będą musieli nadal zgadzać się co do tego, która interpretacja jest najlepsza lub czy potrzebna jest zupełnie nowa teoria. „Tam właśnie skończyliśmy na początku XX wieku—jesteśmy tym naprawdę zdezorientowani”, mówi Reilly. „Ale te badania są dokładnie to, co należy zrobić, aby to przemyśleć.”
Disclaimer: autor często pisze dla Foundational Questions Institute, który sponsoruje badania w dziedzinie fizyki i kosmologii i częściowo finansuje badania zespołu w Brisbane.