Kredit: Aleksei Isachenko/Alamy
I verdens mest berømte tankeeksperiment, fysiker Erwin Schrödingers beskrevet, hvordan en kat i en kasse kunne være i en usikker knibe. De særegne regler for kvanteteori betød, at den kunne være både død og levende, indtil kassen blev åbnet og kattens tilstand målt., Nu har to fysikere udtænkt en moderne version af Paradokset ved at erstatte katten med en fysiker, der laver eksperimenter — med chokerende implikationer.
kvanteteori har en lang historie med tankeeksperimenter, og i de fleste tilfælde bruges disse til at pege på svagheder i forskellige fortolkninger af kvantemekanik. Men den nyeste version, der involverer flere spillere, er usædvanlig: den viser, at hvis standardfortolkningen af kvantemekanik er korrekt, kan forskellige eksperimenter nå modsatte konklusioner om, hvad fysikeren i kassen har målt., Dette betyder, at kvanteteori modsiger sig selv.
det konceptuelle eksperiment er blevet drøftet med gusto i fysikcirkler i mere end to år — og har efterladt de fleste forskere stumpet, selv i et felt, der er vant til underlige koncepter. “Jeg synes, dette er et helt nyt niveau af underlighed,” siger Matthe.Leifer, en teoretisk fysiker ved Chapman University i Orange, Californien.
forfatterne, Daniela Frauchiger og Renato Renner af Swiss Federal Institute of Technology (ETH) i Zürich, udgivet deres første version af argumentet online i April 2016., Det endelige papir vises i Nature Communications den 18. September1. (Frauchiger har nu forladt Akademien.)
Weirdeird worldorld
kvantemekanik ligger til grund for næsten al moderne fysik og forklarer alt fra atomernes struktur til hvorfor magneter holder sig til hinanden. Men dens konceptuelle fundament fortsætter med at forlade forskere, der forstår efter svar. Dens ligninger kan ikke forudsige det nøjagtige resultat af en måling — for eksempel af en elektrons position — kun sandsynlighederne for, at den kan give bestemte værdier.,
Kvanteobjekter som elektroner lever derfor i en sky af usikkerhed, matematisk kodet i en ‘bølgefunktion’, der ændrer form glat, ligesom almindelige bølger i havet. Men når en egenskab som en elektronens position måles, giver den altid en præcis værdi (og giver den samme værdi igen, hvis den måles umiddelbart efter).
Den mest almindelige måde at forstå dette blev formuleret i 1920’erne af kvante-teori pionerer Niels Bohr og Werner Heisenberg, og kaldes Københavns fortolkning efter den by, hvor Han boede., Det siger, at handlingen med at observere et kvantesystem får bølgefunktionen til at ‘kollapse’ fra en spredt kurve til et enkelt datapunkt.Københavns fortolkning efterlod spørgsmålet om, hvorfor forskellige regler skulle gælde for atomets kvanteverden og den klassiske verden af laboratoriemålinger (og hverdagens oplevelse). Men det var også betryggende: selvom kvanteobjekter lever i usikre stater, sker eksperimentel observation i det klassiske rige og giver entydige resultater.nu ryster Frauchiger og Renner fysikere ud af denne trøstende position., Deres teoretiske ræsonnement siger, at det grundlæggende Københavnerbillede — såvel som andre fortolkninger, der deler nogle af dets grundlæggende antagelser — ikke er internt konsistent.
Hvad er der i boksen?
Deres scenarie er betydeligt mere involveret end Schrödingers kat — der er foreslået i 1935, i hvilket kattedyr levede i en kasse med en mekanisme, der ville frigive en gift på grundlag af en tilfældig begivenhed, såsom henfald af en atomkerne. I dette tilfælde var kattens tilstand usikker, indtil eksperimentatoren åbnede kassen og kontrollerede den.,
i 1967 foreslog den ungarske fysiker Eugene .igner en version af paradokset, hvor han erstattede katten og giften med en fysiker ven, der boede inde i en kasse med en måleenhed, der kunne returnere et af to resultater, såsom en mønt, der viser hoveder eller haler. Kollapser bølgefunktionen, når friendigners ven bliver opmærksom på resultatet? En tankegang siger, at det gør det, hvilket antyder, at bevidstheden er uden for kvanteområdet., Men hvis kvantemekanik gælder for fysikeren, skal hun være i en usikker tilstand, der kombinerer begge resultater, indtil .igner åbner kassen.
Frauchiger og Renner har en endnu mere sofistikeret version (Se ‘nye katte i byen’). De har to Wigigners, hver laver et eksperiment på en fysiker ven, som de holder i en kasse. En af de to venner (kalder hende Alice) kan kaste en mønt og — ved hjælp af hendes viden om kvantefysik — forberede en kvantemeddelelse, der skal sendes til den anden ven (kalder ham Bob)., Ved hjælp af sin viden om kvanteteori kan Bob registrere Alice ‘ s besked og gætte resultatet af hendes møntkast. Når de to Wigigners åbner deres kasser, kan de i nogle situationer med sikkerhed konkludere, hvilken side mønten landede på, siger Renner — men lejlighedsvis er deres konklusioner inkonsekvente. “Den ene siger ,”jeg er sikker på, at det er haler,” og den anden siger,” jeg er sikker på, at det er hoveder, ” siger Renner.,
eksperimentet ikke kan omsættes i praksis, fordi det ville kræve, at den Wigners at måle alle kvantemekaniske egenskaber af deres venner, der også læser deres sind, påpeger teoretiker Lídia Del Rio, en kollega Renner er på ETH Zürich.,
alligevel kan det være muligt at få to kvantecomputere til at spille delene af Alice og Bob: argumentets logik kræver kun, at de kender fysikens regler og træffer beslutninger baseret på dem, og i princippet kan man registrere en kvantecomputers komplette kvantetilstand. (Kvantecomputere, der er sofistikerede nok til at gøre dette, findes endnu ikke, påpeger Renner.)
duellerende fortolkninger
fysikere kommer stadig til udtryk med konsekvenserne af resultatet., Det har udløst opvarmede svar fra eksperter i grundlaget for kvanteteori, hvoraf mange har en tendens til at beskytte deres kæledyrstolkning. “Nogle bliver følelsesladede,” siger Renner. Og forskellige forskere har en tendens til at drage forskellige konklusioner. “De fleste mennesker hævder, at eksperimentet viser, at deres fortolkning er den eneste, der er korrekt.”
for Leifer bør det ikke nødvendigvis være en aftale at producere inkonsekvente resultater. Nogle fortolkninger af kvantemekanik giver allerede mulighed for syn på virkeligheden, der afhænger af perspektiv., Det kunne være mindre usmageligt end at skulle indrømme, at kvanteteori ikke gælder for komplekse ting som mennesker, siger han.
Robert Spekkens, en teoretisk fysiker ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, siger, at vejen ud af det paradoks, der kunne skjule sig i nogle subtile antagelser i det argument, især i kommunikationen mellem Alice og Bob.
“efter min mening er der mange situationer, hvor at tage en persons viden om bord indebærer en vis oversættelse af deres viden.,”Måske opstår inkonsekvensen ved, at Bob ikke fortolker Alice’ s budskab korrekt, siger han. Men han indrømmer, at han endnu ikke har fundet en løsning.
for nu vil fysikere sandsynligvis fortsætte med at diskutere. “Jeg tror ikke, vi har givet mening om dette,” siger Leifer.