Ce se simte ca să fie atât de viu și mort?
această întrebare a iritat și a inspirat fizicianul maghiar-American Eugene Wigner în anii 1960., El a fost frustrat de paradoxurile care decurg din capriciile mecanicii cuantice—teoria care guvernează tărâmul microscopic care sugerează, printre multe alte lucruri contraintuitive, că până când se observă un sistem cuantic, acesta nu are neapărat proprietăți definite. Luați celebrul experiment de gândire al colegului său fizician Erwin Schrödinger în care o pisică este prinsă într-o cutie cu otravă care va fi eliberată dacă un atom radioactiv se descompune., Radioactivitatea este un proces cuantic, așa că înainte ca cutia să fie deschisă, povestea merge, atomul a decăzut și nu a decăzut, lăsând pisica nefericită în uitare—o așa-numită suprapunere între viață și moarte. Dar experiența pisicii este în suprapunere?Wigner a ascuțit paradoxul imaginându-și un prieten (uman) închis într-un laborator, măsurând un sistem cuantic. El a susținut că este absurd să spunem că prietenul său există într-o suprapunere de a fi văzut și nu a văzut o degradare decât dacă și până când Wigner deschide ușa laboratorului., „Experimentul de gândire ” prietenul lui Wigner” arată că lucrurile pot deveni foarte ciudate dacă se observă și Observatorul”, spune Nora Tischler, fizician cuantic la Universitatea Griffith din Brisbane, Australia.acum Tischler și colegii ei au efectuat o versiune a testului prietenului lui Wigner. Prin combinarea experimentului de gândire clasic cu un alt cuantic cap-scratcher numit entanglement-un fenomen care leagă particulele pe distanțe mari—au derivat, de asemenea, o nouă teoremă, care susțin că pune cele mai puternice constrângeri încă asupra naturii fundamentale a realității., Studiul lor, care a apărut în fizica naturii pe 17 August, are implicații pentru rolul pe care conștiința l—ar putea juca în fizica cuantică-și chiar dacă teoria cuantică trebuie înlocuită.noua lucrare este un „pas important înainte în domeniul metafizicii experimentale”, spune fizicianul cuantic aephraim Steinberg de la Universitatea din Toronto, care nu a fost implicat în studiu. „Este începutul a ceea ce mă aștept va fi un program imens de cercetare.,”
o chestiune de gust
până când fizica cuantică a apărut în anii 1920, fizicienii se așteptau ca teoriile lor să fie deterministe, generând predicții pentru rezultatul experimentelor cu certitudine. Dar teoria cuantică pare a fi în mod inerent probabilistă. Versiunea manualului—numită uneori interpretarea de la Copenhaga-spune că până când proprietățile unui sistem sunt măsurate, ele pot cuprinde nenumărate valori. Această suprapunere se prăbușește doar într-o singură stare atunci când sistemul este observat, iar fizicienii nu pot prezice niciodată cu exactitate care va fi acea stare., Wigner a susținut opinia populară de atunci că conștiința declanșează într-un fel o suprapunere pentru a se prăbuși. Astfel, prietenul său ipotetic ar discerne un rezultat clar atunci când ea sau el a făcut o măsurare—și Wigner nu ar vedea ea sau el în suprapunere.
acest punct de vedere a căzut din favoare. „Oamenii din bazele mecanicii cuantice resping rapid viziunea lui Wigner ca fiind înfricoșătoare și prost definită, deoarece îi face pe observatori speciali”, spune David Chalmers, filozof și om de știință cognitiv la Universitatea din New York., Astăzi, majoritatea fizicienilor sunt de acord că obiectele neînsuflețite pot scoate sistemele cuantice din superpoziție printr-un proces cunoscut sub numele de decoerență. Desigur, cercetătorii care încearcă să manipuleze superpoziții cuantice complexe în laborator își pot găsi munca grea distrusă de particulele rapide de aer care se ciocnesc cu sistemele lor. Așa că își efectuează testele la temperaturi ultracold și încearcă să-și izoleze aparatele de vibrații.,mai multe interpretări cuantice concurente au apărut de-a lungul deceniilor care folosesc mecanisme mai puțin mistice, cum ar fi decoerența, pentru a explica modul în care superpozițiile se descompun fără a invoca conștiința. Alte interpretări dețin poziția și mai radicală că nu există niciun colaps. Fiecare are propriul său ciudat și minunat ia pe testul lui Wigner. Cea mai exotică este viziunea „multe lumi”, care spune că ori de câte ori faci o măsurare cuantică, realitatea se fracturează, creând universuri paralele pentru a se adapta fiecărui rezultat posibil., Astfel, prietenul lui Wigner-ar împărți în două exemplare și, „cu suficient de bun supertechnology,” el ar putea, într-adevăr, măsura în care persoana să fie în superpoziție din afara laboratorului, spune în fizică cuantică și multe lumi fan Lev Vaidman Universitatea din Tel Aviv.teoria alternativă „Bohmiană” (numită pentru fizicianul David Bohm) spune că la nivel fundamental, sistemele cuantice au proprietăți definite; pur și simplu nu știm suficient despre aceste sisteme pentru a prezice cu precizie comportamentul lor., În acest caz, prietenul are o singură experiență, dar Wigner poate măsura în continuare că individul să fie într-o suprapunere din cauza ignoranței sale. În contrast, un relativ nou venit pe bloc numit QBism interpretare cuprinde probabilistic element al teoriei cuantice din toată inima (QBism, pronunțată de „cubism” este de fapt prescurtarea de quantum Bayesianism, o trimitere la secolul al 18-lea matematicianul Thomas Bayes munca pe probabilitate.,) QBists susțin că o persoană poate folosi doar mecanica cuantică pentru a calcula modul de calibrare a convingerilor sale despre ceea ce el sau ea va măsura într-un experiment. „Rezultatele măsurătorilor trebuie considerate personale pentru agentul care face măsurarea”, spune Ruediger Schack de la Royal Holloway, Universitatea din Londra, care este unul dintre fondatorii Qbismului. Conform principiilor Qbismului, teoria cuantică nu vă poate spune nimic despre starea de bază a realității și nici nu o poate folosi Wigner pentru a specula experiențele prietenului său.,o altă interpretare intrigantă, numită retrocauzalitate, permite evenimentelor din viitor să influențeze trecutul. „Într-un cont retrocausal, prietenul lui Wigner experimentează absolut ceva”, spune Ken Wharton, fizician la Universitatea de Stat din San Jose, care este un avocat pentru această viziune de răsucire a timpului. Dar acel” ceva ” pe care prietenul îl experimentează la punctul de măsurare poate depinde de alegerea lui Wigner despre cum să observe acea persoană mai târziu.,problema este că fiecare interpretare este la fel de bună—sau rea—la prezicerea rezultatului testelor cuantice, deci alegerea între ele se reduce la gust. „Nimeni nu știe care este soluția”, spune Steinberg. „Nici nu știm dacă lista soluțiilor potențiale pe care le avem este exhaustivă.alte modele, numite teorii de colaps, fac predicții testabile. Aceste modele se bazează pe un mecanism care forțează un sistem cuantic să se prăbușească atunci când devine prea mare—explicând de ce pisicile, oamenii și alte obiecte macroscopice nu pot fi în suprapunere., Experimentele sunt în curs de desfășurare pentru a vâna semnăturile unor astfel de prăbușiri, dar încă nu au găsit nimic. Fizicienii cuantici introduc, de asemenea, obiecte din ce în ce mai mari în suprapunere: anul trecut o echipă din Viena a raportat acest lucru cu o moleculă de 2.000 de atomi. Cele mai cuantice interpretări spun că nu există nici un motiv pentru care aceste eforturi de a supersize suprapunerilor nu ar trebui să continue în sus pentru totdeauna, presupunând că cercetătorii pot concepe dreptul de experimente curat în condiții de laborator, astfel încât decoerența pot fi evitate., Teoriile de colaps, totuși, afirmă că o limită va fi atinsă într-o zi, indiferent de cât de atent sunt pregătite experimentele. „Dacă încercați să manipulați un observator clasic—un om, să zicem—și să îl tratați ca un sistem cuantic, acesta s-ar prăbuși imediat”, spune Angelo Bassi, fizician cuantic și susținător al teoriilor de colaps la Universitatea din Trieste din Italia.Tischler și colegii ei au crezut că analiza și efectuarea unui experiment prieten al lui Wigner ar putea arunca o lumină asupra limitelor teoriei cuantice., Ei au fost inspirați de un nou val de lucrări teoretice și experimentale care au investigat rolul observatorului în teoria cuantică prin aducerea încurcării în configurația clasică a lui Wigner. Să presupunem că luați două particule de lumină, sau fotoni, care sunt polarizate astfel încât să poată vibra orizontal sau vertical. Fotonii pot fi, de asemenea, plasați într-o suprapunere de vibrații atât pe orizontală cât și pe verticală în același timp, la fel cum pisica paradoxală a lui Schrödinger poate fi atât vie, cât și moartă înainte de a fi observată.,astfel de perechi de fotoni pot fi pregătite împreună-încurcate-astfel încât polarizările lor să fie întotdeauna găsite în direcția opusă atunci când sunt observate. Acest lucru nu poate părea ciudat—dacă nu vă amintiți că aceste proprietăți nu sunt fixate până când nu sunt măsurate., Chiar dacă un foton este dată de la un fizician pe nume Alice în Australia, în timp ce celălalt este transportat la colegul ei Bob într-un laborator din Viena, entanglement asigură că, îndată ce Alice observă o foton și, de exemplu, își găsește polarizare să fie orizontală, polarizarea lui Bob foton sincronizează instantaneu la vibratoare vertical. Deoarece cei doi fotoni par să comunice mai repede decât viteza luminii—ceva interzis de teoriile sale despre relativitate—acest fenomen l-a tulburat profund pe Albert Einstein, care l-a numit „acțiune înfricoșătoare la distanță.,aceste preocupări au rămas teoretice până în anii 1960, când fizicianul John Bell a conceput o modalitate de a testa dacă realitatea este cu adevărat înfricoșătoare—sau dacă ar putea exista o explicație mai banală în spatele corelațiilor dintre partenerii încurcați. Bell și—a imaginat o teorie de bun simț care era locală-adică una în care influențele nu puteau călători instantaneu între particule. De asemenea, a fost determinist, mai degrabă decât în mod inerent probabilist, astfel încât rezultatele experimentale ar putea, în principiu, să fie prezise cu certitudine, dacă numai fizicienii ar înțelege mai multe despre proprietățile ascunse ale sistemului., Și a fost realist, ceea ce, pentru un teoretician cuantic, înseamnă că sistemele ar avea aceste proprietăți definite chiar dacă nimeni nu le-ar privi. Apoi Bell a calculat nivelul maxim de corelații între o serie de particule încurcate pe care o astfel de teorie locală, deterministă și realistă le-ar putea susține. Dacă acest prag a fost încălcat într-un experiment, atunci una dintre ipotezele din spatele teoriei trebuie să fie falsă.astfel de” teste de clopot ” au fost efectuate de atunci, cu o serie de versiuni etanșe efectuate în 2015 și au confirmat spookiness-ul realității., „Quantum foundations este un domeniu care a fost început cu adevărat experimental de Bell’ S-acum peste 50 de ani. Și am petrecut mult timp reimplementând aceste experimente și discutând ce înseamnă ele”, spune Steinberg. „Este foarte rar ca oamenii să poată veni cu un nou test care se deplasează dincolo de Bell.”
scopul echipei Brisbane a fost de a deriva și testa o nouă teoremă care ar face doar asta, oferind constrângeri chiar mai stricte—”prietenie locală” limite—cu privire la natura realității. Ca și teoria lui Bell, imaginarul cercetătorilor este local., De asemenea, ei interzic în mod explicit „superdeterminismul”—adică insistă că experimentatorii sunt liberi să aleagă ce să măsoare fără a fi influențați de evenimente din viitor sau din trecutul îndepărtat. (Bell a presupus implicit că experimentatorii pot face și alegeri libere.) În cele din urmă, echipa prescrie că atunci când un observator face o măsurare, rezultatul este un eveniment real, unic în lume—nu este relativ la nimeni sau la nimic.,testarea prieteniei locale necesită o configurare vicleană care implică doi” superobservatori”, Alice și Bob (care joacă rolul lui Wigner), urmărind prietenii lor Charlie și Debbie. Alice și Bob au fiecare propriul interferometru—un aparat folosit pentru a manipula fascicule de fotoni. Înainte de a fi măsurate, polarizările fotonilor se află într-o suprapunere de a fi atât orizontale, cât și verticale. Perechile de fotoni încurcați sunt pregătiți astfel încât, dacă polarizarea unuia este măsurată să fie orizontală, polarizarea partenerului său ar trebui să se răstoarne imediat pentru a fi verticală., Un foton din fiecare pereche încurcată este trimis în interferometrul lui Alice, iar partenerul său este trimis la Bob. Charlie și Debbie nu sunt de fapt prieteni umani în acest test. Mai degrabă, ele sunt deplasatoare de fascicul în partea din față a fiecărui interferometru. Când fotonul lui Alice lovește deplasatorul, polarizarea sa este măsurată efectiv și se învârte fie la stânga, fie la dreapta, în funcție de direcția polarizării în care se fixează. Această acțiune joacă rolul prietenului lui Alice, Charlie, „măsurând” polarizarea. (Debbie se află în mod similar în interferometrul lui Bob.,Alice trebuie apoi să facă o alegere: poate măsura imediat noua cale deviată a fotonului, ceea ce ar fi echivalentul deschiderii ușii laboratorului și al întrebării lui Charlie ce a văzut. Sau poate permite fotonului să—și continue călătoria, trecând printr-un al doilea dispozitiv de deplasare a fasciculului care recombină căile din stânga și din dreapta-echivalentul menținerii ușii de laborator închise. Alice poate apoi să măsoare direct polarizarea fotonului ei pe măsură ce iese din interferometru., De-a lungul experimentului, Alice și Bob aleg în mod independent ce alegeri de măsurare să facă și apoi compară notele pentru a calcula corelațiile văzute într-o serie de perechi încurcate.Tischler și colegii ei au efectuat 90.000 de runde ale experimentului. Așa cum era de așteptat, corelațiile au încălcat limitele originale ale lui Bell—și, în mod crucial, au încălcat și noul prag de prietenie locală., Echipa ar putea modifica, de asemenea, configurarea pentru a reduce gradul de încurcătură dintre fotoni, trimițând una dintre perechi într-un ocol înainte de a intra în interferometrul său, perturbând ușor armonia perfectă dintre parteneri. Când cercetătorii au efectuat experimentul cu acest nivel ușor mai scăzut de entanglement, au găsit un punct în care corelațiile încă încălcau legătura legată a lui Bell, dar nu și prietenia locală. Acest rezultat a demonstrat că cele două seturi de limite nu sunt echivalente și că noile constrângeri locale sunt mai puternice, spune Tischler., „Dacă le încălcați, aflați mai multe despre realitate”, adaugă ea. Anume, dacă teoria dvs. spune că „prietenii” pot fi tratați ca sisteme cuantice, atunci trebuie să renunțați la localitate, să acceptați că măsurătorile nu au un singur rezultat pe care observatorii trebuie să fie de acord sau să permită superdeterminismul. Fiecare dintre aceste opțiuni are profunde—și, pentru unii fizicieni, distinct dezagreabil-implicații.,
reconsiderarea realității
„lucrarea este un studiu filosofic important”, spune Michele Reilly, co-fondator al Turing, o companie de calcul cuantic cu sediul în New York City, care nu a fost implicată în lucrare. Ea observă că fizicienii care studiază fundațiile cuantice s-au străduit adesea să vină cu un test fezabil pentru a-și susține ideile mari. „Sunt încântat să văd un experiment în spatele studiilor filosofice”, spune Reilly. Steinberg numește experimentul „extrem de elegant” și laudă echipa pentru abordarea misterului rolului observatorului în măsurarea directă.,deși nu este o surpriză faptul că mecanica cuantică ne obligă să renunțăm la o presupunere obișnuită—fizicienii știau că de la Bell—”avansul aici este că suntem o îngustare pe care dintre aceste ipoteze este”, spune Wharton, care de asemenea nu a făcut parte din studiu. Totuși, notează el, susținătorii majorității interpretărilor cuantice nu vor pierde niciun somn. Fanii retrocauzalității, cum ar fi el însuși, au făcut deja pace cu superdeterminismul: în opinia lor, nu este șocant faptul că măsurătorile viitoare afectează rezultatele din trecut., Între timp, qbists și adepții multor lumi au aruncat cu mult timp în urmă cerința ca mecanica cuantică să prescrie un singur rezultat pe care fiecare observator trebuie să fie de acord.și atât mecanica Bohmiană, cât și modelele de colaps spontan au părăsit deja fericit localitatea ca răspuns la Bell. Mai mult, modelele de colaps spun că un prieten macroscopic real nu poate fi manipulat ca un sistem cuantic în primul rând.vaidman ,care nu a fost, de asemenea, implicat în noua lucrare, este mai puțin entuziasmat de ea și critică identificarea prietenului lui Wigner cu un foton., Metodele folosite în lucrare” sunt ridicole; prietenul trebuie să fie macroscopic”, spune el. Filosoful fizicii Tim Maudlin de la Universitatea din New York, care nu a făcut parte din studiu, este de acord. „Nimeni nu crede că un foton este observator, decât dacă ești panpsihic”, spune el. Deoarece niciun fizician nu pune la îndoială dacă un foton poate fi pus în suprapunere, Maudlin simte că experimentul nu are mușcătură. „Exclude ceva-doar ceva ce nimeni nu a propus vreodată”, spune el.Tischler acceptă criticile. „Nu vrem să depășim ceea ce am făcut”, spune ea., Cheia pentru experimentele viitoare va fi extinderea dimensiunii „prietenului”, adaugă membrul echipei Howard Wiseman, fizician la Universitatea Griffith. Cel mai dramatic rezultat, spune el, ar implica utilizarea unei inteligențe artificiale, întruchipată pe un computer cuantic, ca prieten. Unii filozofi au gândit că o astfel de mașină ar putea avea experiențe umane, o poziție cunoscută sub numele de ipoteza AI puternică, notează Wiseman, deși nimeni nu știe încă dacă această idee se va dovedi a fi adevărată. Dar dacă ipoteza este valabilă, această inteligență generală artificială cuantică (AGI) ar fi microscopică., Deci, din punctul de vedere al modelelor de colaps spontan, nu ar declanșa colapsul din cauza dimensiunii sale. În cazul în care un astfel de test a fost rulat, iar legătura de prietenie locală nu a fost încălcată, acest rezultat ar însemna că conștiința unui AGI nu poate fi pusă în suprapunere. La rândul său, această concluzie ar sugera că Wigner avea dreptate că conștiința provoacă colapsul. „Nu cred că voi trăi pentru a vedea un experiment ca acesta”, spune Wiseman. „Dar asta ar fi revoluționar.,”
Reilly, cu toate acestea, avertizează că fizicienii în speranța că viitorul AGI îi va ajuta acasă pe descrierea fundamentală a realității pun căruța înaintea calului. „Nu este de neconceput pentru mine că computerele cuantice vor fi schimbarea paradigmei pentru a ajunge la noi în AGI”, spune ea. „În cele din urmă, avem nevoie de o teorie a tuturor lucrurilor pentru a construi un AGI pe un computer cuantic, perioadă, oprire completă.”
această cerință poate exclude planuri mai grandioase. Dar echipa sugerează, de asemenea, teste intermediare mai modeste care implică sisteme de învățare automată ca prieteni, ceea ce face apel la Steinberg., Această abordare este „interesantă și provocatoare”, spune el. „Devine posibil ca dispozitivele de calcul la scară mai mare și mai mare să poată fi, de fapt, măsurate într – un mod cuantic. Renato Renner, fizician cuantic la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich (ETH Zurich), face o afirmație și mai puternică: indiferent dacă pot fi efectuate experimente viitoare, spune el, Noua teoremă ne spune că mecanica cuantică trebuie înlocuită., În 2018, Renner și colega sa Daniela Frauchiger, apoi la ETH Zurich, au publicat un experiment de gândire bazat pe prietenul lui Wigner și l-au folosit pentru a obține un nou paradox. Configurarea lor diferă de cea a echipei Brisbane, dar implică și patru observatori ale căror măsurători se pot încurca. Renner și Frauchiger au calculat că, dacă observatorii aplică legi cuantice unul altuia, pot ajunge să deducă rezultate diferite în același experiment.”noua lucrare este o altă confirmare că avem o problemă cu teoria cuantică actuală”, spune Renner, care nu a fost implicat în lucrare., El susține că niciuna dintre interpretările cuantice de astăzi nu poate ieși din așa-numitul paradox Frauchiger-Renner fără ca susținătorii să admită că nu le pasă dacă teoria cuantică dă rezultate consistente. QBists oferă cele mai gustoase mijloace de evadare, deoarece de la început, ei spun că teoria cuantică nu poate fi folosită pentru a deduce ce vor măsura alți observatori, spune Renner. „Totuși, mă îngrijorează: dacă totul este doar personal pentru mine, cum pot spune ceva relevant pentru tine?”el adaugă., Renner lucrează acum la o nouă teorie care oferă un set de reguli matematice care ar permite unui observator să elaboreze ceea ce altul ar trebui să vadă într-un experiment cuantic.totuși, cei care cred cu tărie că interpretarea lor preferată este corectă văd o valoare mică în studiul lui Tischler. „Dacă credeți că mecanica cuantică este nesănătoasă și trebuie înlocuită, atunci acest lucru este util deoarece vă spune Noi constrângeri”, spune Vaidman. „Dar nu sunt de acord că acesta este cazul—Multe lumi explică totul.,pentru moment, fizicienii vor trebui să continue să fie de acord să nu fie de acord cu privire la ce interpretare este cea mai bună sau dacă este necesară o teorie cu totul nouă. „Acolo am rămas la începutul secolului 20—suntem cu adevărat confuzi în legătură cu acest lucru”, spune Reilly. „Dar aceste studii sunt exact ceea ce trebuie făcut pentru a gândi prin ea.Disclaimer: autorul scrie frecvent pentru Institutul de întrebări fundamentale, care sponsorizează cercetarea în fizică și cosmologie și a finanțat parțial studiul echipei Brisbane.