Eksperyment kwantowy sugeruje, że nie ma czegoś takiego jak obiektywna rzeczywistość

Badania IBM | Flickr

W 1961 roku laureat Nagrody Nobla Eugene Wigner nakreślił eksperyment myślowy, który zademonstrował jeden z mniej znanych paradoksów mechaniki kwantowej. Eksperyment pokazuje, jak dziwna natura wszechświata pozwala dwóm obserwatorom — powiedzmy Wignerowi i przyjacielowi Wignera — doświadczać różnych rzeczywistości.

Od tego czasu fizycy wykorzystali eksperyment myślowy Przyjaciel Wignera, aby zbadać naturę pomiaru i spierać się, czy mogą istnieć obiektywne fakty. To ważne, ponieważ naukowcy przeprowadzają eksperymenty, aby ustalić obiektywne fakty. Argument brzmi, że jeśli doświadczają różnych rzeczywistości, jak mogą uzgodnić, jakie mogą być te fakty?

To zapewniło trochę rozrywki na rozmowę po obiedzie, ale eksperyment myślowy Wignera nigdy nie był czymś więcej — tylko eksperymentem myślowym.

Jednak w zeszłym roku fizycy zauważyli, że ostatnie postępy w technologiach kwantowych umożliwiły odtworzenie testu Przyjaciela Wignera w prawdziwym eksperymencie. Innymi słowy, powinno być możliwe tworzenie różnych rzeczywistości i porównywanie ich w laboratorium, aby dowiedzieć się, czy można je pogodzić.

A dzisiaj Massimiliano Proietti z Heriot-Watt University w Edynburgu i kilku kolegów mówi, że przeprowadzili ten eksperyment po raz pierwszy: stworzyli różne rzeczywistości i porównali je. Ich wniosek jest taki, że Wigner miał rację – te realia mogą stać się nie do pogodzenia, tak że niemożliwe jest uzgodnienie obiektywnych faktów dotyczących eksperymentu.

Oryginalny eksperyment myślowy Wignera jest w zasadzie prosty. Zaczyna się od pojedynczego spolaryzowanego fotonu, który po zmierzeniu może mieć polaryzację poziomą lub pionową. Ale przed pomiarem, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, foton istnieje jednocześnie w obu stanach polaryzacji – w tak zwanej superpozycji.

Wigner wyobraził sobie przyjaciela z innego laboratorium, który mierzy stan tego fotonu i przechowuje wynik, podczas gdy Wigner obserwował go z daleka. Wigner nie ma informacji o pomiarach swojego przyjaciela, więc jest zmuszony założyć, że foton i jego pomiar znajdują się w superpozycji wszystkich możliwych wyników eksperymentu.

Wigner może nawet przeprowadzić eksperyment, aby ustalić, czy ta superpozycja istnieje, czy nie. Jest to rodzaj eksperymentu interferencyjnego pokazującego, że foton i pomiar rzeczywiście znajdują się w superpozycji.

Z punktu widzenia Wignera jest to fakt – superpozycja istnieje. A ten fakt sugeruje, że pomiar nie mógł mieć miejsca.

Stanowi to jednak wyraźny kontrast z punktem widzenia przyjaciela, który rzeczywiście zmierzył polaryzację fotonu i ją zarejestrował. Znajomy może nawet zadzwonić do Wignera i powiedzieć, że pomiar został wykonany (pod warunkiem, że wynik nie zostanie ujawniony).

Tak więc te dwie rzeczywistości są ze sobą sprzeczne. Podważa to obiektywny status faktów ustalonych przez dwóch obserwatorów, powiedzmy Proietti i spółka.

Taka jest teoria, ale w zeszłym roku Caslav Brukner z Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii wymyślił sposób na odtworzenie eksperymentu Przyjaciel Wignera w laboratorium za pomocą technik obejmujących splątanie wielu cząstek jednocześnie.

Przełomem, którego dokonali Proietti i spółka, jest przeprowadzenie tego. Mówią, że w najnowocześniejszym eksperymencie 6-fotonowym realizujemy ten rozszerzony scenariusz przyjaciela Wignera.

Używają tych sześciu splątanych fotonów, aby stworzyć dwie alternatywne rzeczywistości – jedną reprezentującą Wignera, a drugą reprezentującą przyjaciela Wignera. Przyjaciel Wignera mierzy polaryzację fotonu i przechowuje wynik. Następnie Wigner wykonuje pomiar interferencji, aby określić, czy pomiar i foton znajdują się w superpozycji.

Eksperyment daje jednoznaczny wynik. Okazuje się, że obie rzeczywistości mogą współistnieć, nawet jeśli dają nie do pogodzenia skutki, tak jak przewidział Wigner.

Rodzi to fascynujące pytania, które zmuszają fizyków do ponownego rozważenia natury rzeczywistości.

Pomysł, że obserwatorzy mogą ostatecznie pogodzić swoje pomiary pewnego rodzaju fundamentalnej rzeczywistości, opiera się na kilku założeniach. Po pierwsze, fakty uniwersalne rzeczywiście istnieją i obserwatorzy mogą się z nimi zgadzać.

Ale są też inne założenia. Jednym z nich jest to, że obserwatorzy mają swobodę dokonywania dowolnych obserwacji. Po drugie, wybory dokonywane przez jednego obserwatora nie wpływają na wybory dokonywane przez innych obserwatorów — założenie, które fizycy nazywają lokalnością.

Jeśli istnieje obiektywna rzeczywistość, co do której wszyscy mogą się zgodzić, wszystkie te założenia są aktualne.

Ale wynik Proietti i spółki sugeruje, że obiektywna rzeczywistość nie istnieje. Innymi słowy, eksperyment sugeruje, że jedno lub więcej założeń — idea, że ​​istnieje rzeczywistość, z którą możemy się zgodzić, idea, że ​​mamy wolność wyboru lub idea lokalności — muszą być błędne.

Oczywiście istnieje inne wyjście dla tych, którzy trzymają się konwencjonalnego spojrzenia na rzeczywistość. Chodzi o to, że istnieje inna luka, którą eksperymentatorzy przeoczyli. Rzeczywiście, fizycy od lat próbują zamykać luki w podobnych eksperymentach, chociaż przyznają, że zamknięcie ich wszystkich może nigdy nie być możliwe.

Niemniej jednak praca ma ważne implikacje dla pracy naukowców. Metoda naukowa opiera się na faktach ustalonych przez powtarzane pomiary i uzgodnionych powszechnie, niezależnie od tego, kto je zaobserwował, mówią Proietti i spółka. A jednak w tym samym artykule podważają ten pomysł, być może śmiertelnie.

Następnym krokiem jest pójście dalej: skonstruowanie eksperymentów tworzących coraz bardziej dziwaczne alternatywne rzeczywistości, których nie da się pogodzić. Dokąd nas to zaprowadzi, nie wiadomo. Ale Wigner i jego przyjaciel z pewnością nie byliby zaskoczeni.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1902.05080 : Eksperymentalne odrzucenie niezależności obserwatora w świecie kwantowym

ukryć