Kvantefysikk: Vår studie antyder objektiv virkelighet eksisterer ikke

Kvantefysikk: Vår studie antyder objektiv virkelighet eksisterer ikke
Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA

Alternative fakta er sprer seg som et virus over hele samfunnet. Nå ser det ut til at de til og med har smittet vitenskapen - i det minste kvanteområdet. Dette kan virke motsatt intuitivt. Den vitenskapelige metoden er tross alt basert på pålitelige forestillinger om observasjon, måling og repeterbarhet. Et faktum, som etablert ved en måling, bør være objektivt, slik at alle observatører kan være enige i det.

Men i en artikkel nylig publisert i Science Advances, viser vi at i mikroverdenen til atomer og partikler som styres av kvantemekanikkens rare regler, har to forskjellige observatører rett til sine egne fakta. I henhold til vår beste teori om selve naturens byggesteiner, kan fakta faktisk være subjektive.

Observatører er mektige aktører i kvanteverdenen. I følge teorien kan partikler være flere steder eller tilstander samtidig - dette kalles en superposisjon. Men merkelig nok er dette bare tilfelle når de ikke blir observert. Det andre du observerer et kvantesystem, velger det et bestemt sted eller tilstand - og bryter superposisjonen. At naturen oppfører seg på denne måten har blitt påvist flere ganger i laboratoriet - for eksempel i det berømte dobbelt spalt eksperiment (se video nedenfor).

I 1961, fysiker Eugene Wigner foreslo et provoserende tankeeksperiment. Han stilte spørsmål ved hva som ville skje når man anvender kvantemekanikk til en observatør som man selv blir observert.

Se for deg at en venn av Wigner kaster en kvantemynt - som ligger i en superposisjon av både hoder og haler - inne i et lukket laboratorium. Hver gang vennen kaster mynten, observerer de et klart resultat. Vi kan si at Wigners venn konstaterer et faktum: resultatet av myntkastet er definitivt hode eller hale.

Wigner har ikke tilgang til dette faktum utenfra, og i følge kvantemekanikk må han beskrive vennen og mynten for å være i en superposisjon av alle mulige utfall av eksperimentet. Det er fordi de er “viklet inn” - spookily tilkoblet slik at hvis du manipulerer den ene, manipulerer du også den andre. Wigner kan nå i prinsippet bekrefte denne superposisjonen ved å bruke en såkalt “interferenseksperiment”- en type kvantemåling som lar deg avdekke superposisjonen til et helt system, og bekrefte at to objekter er viklet inn.


Få det siste fra InnerSelf


Når Wigner og vennen sammenligner notater senere, vil vennen insistere på at de så klare utfall for hver myntkast. Wigner vil imidlertid være uenig hver gang han observerte venn og mynt i en superposisjon.

Dette gir en krangel. Virkeligheten som vennen oppfatter, kan ikke forenes med virkeligheten på utsiden. Wigner vurderte opprinnelig ikke så mye som et paradoks, han hevdet det ville være absurd å beskrive en bevisst observatør som et kvanteobjekt. Imidlertid senere fraveket denne visningen, og i henhold til formelle lærebøker om kvantemekanikk, beskrivelsen er perfekt gyldig.

Eksperimentet

Scenariet har lenge vært et interessant tankeeksperiment. Men gjenspeiler det virkeligheten? Vitenskapelig har det vært liten fremgang på dette før ganske nylig, da Časlav Brukner ved universitetet i Wien viste at Wiggers idé under visse forutsetninger kan brukes til å formelt bevise at målinger i kvantemekanikk er subjektive for observatører.

Brukner foreslo en måte å teste denne forestillingen ved å oversette Wigners vennscenario til et rammeverk først etablert av fysikeren John Bell i 1964. Brukner vurderte to par Wigners og venner, i to separate bokser, og utførte målinger på delt tilstand - i og utenfor deres respektive kasse. Resultatene kan oppsummeres for til slutt å bli brukt til å evaluere en såkalt “Klokkens ulikhet”. Hvis denne ulikheten krenkes, kan observatører ha alternative fakta.

Vi har nå for første gang utført denne testen eksperimentelt ved Heriot-Watt University i Edinburgh på en liten kvantecomputer som består av tre par sammenfiltrede fotoner. Det første fotonparet representerer myntene, og de to andre brukes til å utføre myntkastet - måling av polarisering av fotonene - inne i hver sin boks. Utenfor de to boksene blir det igjen to fotoner på hver side som også kan måles.

Kvantefysikk: Vår studie antyder objektiv virkelighet eksisterer ikke
Forskere med eksperiment. Forfatter gitt

Til tross for bruk av avansert kvanteteknologi, tok det flere uker å samle inn tilstrekkelige data fra bare seks fotoner for å generere nok statistikk. Men etter hvert lyktes vi med å vise at kvantemekanikk faktisk kunne være uforenlig med antagelsen av objektive fakta - vi krenket ulikheten!

Teorien er imidlertid basert på noen få antakelser. Disse inkluderer at måleutfallene ikke påvirkes av signaler som beveger seg over lyshastigheten, og at observatørene står fritt til å velge hvilke målinger de skal gjøre. Det kan være eller ikke.

Et annet viktig spørsmål er om enkeltfotoner kan betraktes som observatører. I Brukners teoriforslag trenger ikke observatører være bevisste, de må bare være i stand til å etablere fakta i form av et måleresultat. En livløs detektor ville derfor være en gyldig observatør. Og lærebokkvantemekanikk gir oss ingen grunn til å tro at en detektor, som kan gjøres så liten som noen få atomer, ikke skal beskrives som et kvanteobjekt akkurat som et foton. Det kan også være mulig at standard kvantemekanikk ikke gjelder i store lengder skalaer, men testing som er et eget problem.

Kvantefysikk: Vår studie antyder objektiv virkelighet eksisterer ikke
Det kan være mange verdener der ute.
NIKK / Flickr, CC BY-SA

Dette eksperimentet viser derfor at vi, i det minste for lokale modeller for kvantemekanikk, må tenke nytt om forestillingen vår om objektivitet. Fakta vi opplever i vår makroskopiske verden ser ut til å forbli trygge, men et stort spørsmål oppstår om hvordan eksisterende tolkninger av kvantemekanikk kan imøtekomme subjektive fakta.

Noen fysikere ser på denne nye utviklingen som styrking av tolkninger som gjør at mer enn ett resultat kan forekomme for en observasjon, for eksempel eksistensen av parallelle universer der hvert utfall skjer. Andre ser det som overbevisende bevis for iboende-avhengige teorier som f.eks Kvantebaysianisme, der en agents handlinger og erfaringer er sentrale bekymringer for teorien. Men enda andre tar dette som en sterk peker som kanskje kvantemekanikk vil bryte ned over visse kompleksitetsskalaer.

Det er klart dette er dypt filosofiske spørsmål om virkelighetens grunnleggende natur. Uansett svar, venter en interessant fremtid.Den Conversation

Om forfatterne

Alessandro Fedrizzi, professor i kvantefysikk, Heriot-Watt University og Massimiliano Proietti, doktorgradskandidat i kvantefysikk, Heriot-Watt University

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

følg InnerSelf på

facebook-ikonettwitter-iconrss-ikonet

Få den siste via e-post

{Emailcloak = off}