Credit: Aleksei Isachenko/Alamy
I verdens mest berømte tanke eksperiment, fysikeren Erwin Schrödinger beskrevet hvordan en katt i en boks kan være i en usikker situasjon. De spesielle reglene for quantum theory mente at det kunne være både døde og levende, til den boksen ble åpnet og katten er staten som er målt., Nå, to fysikere har utviklet en moderne versjon av paradokset ved å erstatte katten med en fysiker å gjøre eksperimenter med sjokkerende implikasjoner.
Kvante-teori har en lang historie av tanke-eksperimenter, og i de fleste tilfeller disse er brukt for å peke på svakheter i ulike tolkninger av kvantemekanikken. Men den nyeste versjonen, som involverer flere spillere, er uvanlig: det viser at hvis standard tolkning av kvantemekanikken er riktig, og deretter ulike forskere kan nå motsatte konklusjoner om hva fysiker i boksen har målt., Dette betyr at kvante-teori motsier seg selv.
Den konseptuelle eksperimenter har blitt debattert med stor iver i fysikk sirkler for mer enn to år, og har venstre og de fleste forskere forvirret, selv i et felt er vant til de rare konsepter. «Jeg tror dette er et helt nytt nivå av weirdness,» sier Matthew Leifer, en teoretisk fysiker ved Chapman University i Orange, California.
forfatterne, Daniela Frauchiger og Renato Renner av Swiss Federal Institute of Technology (ETH) i Zürich, skrevet sin første versjon av argumentet online i April 2016., Endelig papir vises i Natur-Kommunikasjon på 18 September1. (Frauchiger har nå forlatt akademia.)
Rare verden
Quantum mechanics ligger til grunn for nesten all moderne fysikk, som forklarer alt fra oppbygging av atomer til hvorfor magneter holde seg til hver andre. Men det konseptuelle grunnlaget fortsette å la forskere å ta tak i for å få svar. Sine ligninger kan ikke forutsi nøyaktig resultat av en måling, for eksempel av posisjonen til et elektron — bare sannsynlighetene for at det kan gi bestemte verdier.,
Quantum objekter slik som elektroner derfor leve i en sky av usikkerhet, matematisk kodet i et ‘wavefunction’ som endrer form greit, mye som vanlige bølger i havet. Men når en eiendom som en elektronets posisjon er målt, er det alltid gis en nøyaktig verdi (og som gir samme verdi igjen hvis målt umiddelbart etter).
Den mest vanlige måte å forstå dette ble formulert i 1920-årene av kvante-teori pionerer Niels Bohr og Werner Heisenberg, og kalles København-tolkningen, etter byen der Bohr bodde., Det står at loven observere en quantum system gjør wavefunction ‘skjul’ fra en spredt ut kurven til et enkelt datapunkt.
Den København-tolkningen venstre åpne spørsmålet om hvorfor forskjellige regler som skal gjelde for quantum verden av atom og den klassiske verden av laboratorie-målinger (og hverdag). Men det var også betryggende: selv om quantum gjenstander lever i usikre delstater, eksperimentell observasjon skjer i den klassiske verden, og gir entydige resultater.
Nå, Frauchiger og Renner skjelver fysikere ut av denne trøstende posisjon., Deres teoretiske begrunnelse sier at den grunnleggende København bilde — samt andre tolkninger som deler noen av sine grunnleggende forutsetninger — ikke er internt konsistent.
Hva er i esken?
Deres scenario er betydelig mer involvert enn Schrödinger ‘ s cat — foreslått i 1935 — der katten bodde i en boks med en mekanisme som ville frigjøre en gift på grunnlag av en tilfeldig hendelse, som for eksempel nedbrytning av en atomkjerne. I så fall, staten katten var usikker før eksperimentator åpnet boksen og sjekket det.,
I 1967, den ungarske fysiker Eugene Wigner foreslått en versjon av paradokset som han erstattet katten og gift med en fysiker venn som bodde inne i en boks med et måleapparat som kan returnere en av to resultatene, for eksempel en mynt som viser krone eller mynt. Gjør wavefunction kollaps når Wigner venn blir gjort oppmerksom på resultatet? En skole sier at det gjør det, noe som tyder på at bevisstheten er utenfor quantum riket., Men hvis quantum mechanics gjelder fysiker, så hun bør være i en usikker tilstand som kombinerer både resultater til Wigner åpner boksen.
Frauchiger og Renner ha en enda mer sofistikert versjon (se «Nye katter i byen’). De har to Wigners, hver gjør et eksperiment på en fysiker venn som holder de i en boks. En av de to venner (ringe henne Alice) kan kaste en mynt og — ved hjelp av sin kunnskap om kvantefysikk — utarbeide en quantum meldingen som skal sendes til andre vennen (kalle ham Bob)., Ved hjelp av sin kunnskap om kvante-teori, Bob kan oppdage Alice ‘ s budskap og gjette resultatet av hennes myntkast. Når de to Wigners åpne sine bokser, i noen situasjoner kan de konkludere med sikkerhet hvilken side av mynten landet på, Renner sier — men noen ganger deres konklusjoner er inkonsistente. «Man sier, ‘jeg er sikker på at det er haler,’ og den andre sier, ‘jeg er sikker på at det er heads,'» Renner sier.,
eksperimentet kan ikke settes ut i praksis, fordi det ville kreve Wigners å måle alle quantum egenskaper av sine venner, som inkluderer å lese deres sinn, påpeker teoretiker Lídia Del Rio, en kollega av Renner er på ETH Zürich.,
Men det kan være mulig å gjøre to kvante-datamaskiner spille deler av Alice og Bob: logikken i argumentet krever bare at de kjenner reglene for fysikk og ta beslutninger basert på dem, og i prinsippet kan man oppdage den komplette quantum tilstand av en kvante-maskin. (Kvante-datamaskiner sofistikert nok til å gjøre dette ennå ikke eksisterer, Renner poeng ut.)
Duelling tolkninger
Fysikere er fortsatt kommer til enighet med de implikasjoner av resultatet., Det har utløst oppvarmet svar fra eksperter på foundations of quantum theory, mange av dem har en tendens til å være beskyttende av sine kjæledyr tolkning. «Noen få emosjonelle,» Renner sier. Og ulike forskere har en tendens til å trekke ulike konklusjoner. «De fleste mennesker hevder at eksperimentet viser at deres tolkning er den eneste som er riktig.»
For Leifer, produsere inkonsistente resultater bør ikke nødvendigvis være en avtale breaker. Noen tolkninger av kvantemekanikken allerede tillate syn på virkeligheten som er avhengig av perspektiv., Det kan være mindre avskyelig enn å måtte innrømme at kvante-teori ikke gjelder for komplekse ting, som for eksempel mennesker, sier han.
Robert Spekkens, en teoretisk fysiker ved Perimeter Institutt for Teoretisk Fysikk i Waterloo, Canada, sier at veien ut av paradokset kan gjemme seg i noen subtile forutsetninger i argumentet, spesielt i kommunikasjon mellom Alice og Bob.
«For meg, det er mange situasjoner hvor det å ta noens kunnskap om bord innebærer noen oversettelse av sin kunnskap.,»Kanskje det er uklarhet oppstår fra Bob ikke å tolke Alice’ s budskap på riktig måte, sier han. Men han innrømmer at han ikke har funnet en løsning ennå.
For nå, fysikere er sannsynlig å fortsette å debattere. «Jeg tror ikke vi har gjort følelse av dette,» Leifer sier.