Credit: Aleksei Isachenko/Alamy
in het beroemdste gedachte-experiment ter wereld, fysicus Erwin Schrödinger beschreef hoe een kat in een doos in een onzekere situatie zou kunnen zijn. De eigenaardige regels van de kwantumtheorie betekenden dat het zowel dood als levend kon zijn, totdat de doos werd geopend en de toestand van de kat werd gemeten., Twee natuurkundigen hebben een moderne versie van de paradox bedacht door de kat te vervangen door een natuurkundige die experimenten doet — met schokkende gevolgen.
de kwantumtheorie heeft een lange geschiedenis van gedachte-experimenten, en in de meeste gevallen worden deze gebruikt om zwakke punten in verschillende interpretaties van de kwantummechanica aan te wijzen. Maar de nieuwste versie, waarbij meerdere spelers betrokken zijn, is ongebruikelijk: het laat zien dat als de standaardinterpretatie van kwantummechanica correct is, verschillende onderzoekers tegengestelde conclusies kunnen trekken over wat de fysicus in de doos heeft gemeten., Dit betekent dat de kwantumtheorie zichzelf tegenspreekt.
Het Conceptuele experiment wordt al meer dan twee jaar met veel enthousiasme besproken in natuurkundige kringen — en heeft de meeste onderzoekers verbijsterd, zelfs in een veld dat gewend is aan vreemde Concepten. “Ik denk dat dit een heel nieuw niveau van vreemdheid is”, zegt Matthew Leifer, een theoretisch natuurkundige aan de Chapman University in Orange, Californië.de auteurs Daniela Frauchiger en Renato Renner van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (ETH) in Zürich hebben hun eerste versie van het argument online gezet in April 2016., Het definitieve document verschijnt op 18 september in Nature Communications 1. (Frauchiger heeft nu de academische wereld verlaten.)
vreemde wereld
de kwantummechanica ligt ten grondslag aan bijna de hele moderne fysica, en verklaart alles, van de structuur van atomen tot waarom magneten aan elkaar kleven. Maar de conceptuele grondslagen blijven onderzoekers grijpen naar antwoorden. Zijn vergelijkingen kunnen niet de exacte uitkomst van een meting voorspellen-bijvoorbeeld, van de positie van een elektron — alleen de waarschijnlijkheid dat het bepaalde waarden kan opleveren.,
Kwantumobjecten zoals elektronen leven daarom in een wolk van onzekerheid, wiskundig gecodeerd in een ‘golffunctie’ die soepel van vorm verandert, net als gewone golven in de zee. Maar wanneer een eigenschap zoals de positie van een elektron wordt gemeten, levert het altijd één precieze waarde op (en geeft dezelfde waarde weer als onmiddellijk daarna wordt gemeten).de meest voorkomende manier om dit te begrijpen werd in de jaren 1920 geformuleerd door de kwantumtheoriepioniers Niels Bohr en Werner Heisenberg, en wordt de Kopenhagen-interpretatie genoemd, naar de stad waar Bohr woonde., Het zegt dat de handeling van het observeren van een kwantumsysteem de golffunctie ‘instort’ van een uitgespreide kromme naar een enkel gegevenspunt.de interpretatie van Kopenhagen liet de vraag open waarom verschillende regels zouden moeten gelden voor de kwantumwereld van het atoom en de klassieke wereld van laboratoriummetingen (en van alledaagse ervaring). Maar het was ook geruststellend: hoewel kwantumobjecten in onzekere toestanden leven, vindt experimentele observatie plaats in het klassieke domein en geeft het eenduidige resultaten.nu schudden Frauchiger en Renner natuurkundigen uit deze troostende positie., Hun theoretische redenering zegt dat het basisbeeld van Kopenhagen — evenals andere interpretaties die sommige van zijn basisaannames delen-intern niet consistent is.
Wat zit er in de doos?
hun scenario is aanzienlijk meer betrokken dan Schrödingers kat — voorgesteld in 1935 — waarin de kat leefde in een doos met een mechanisme dat een gif zou vrijgeven op basis van een willekeurige gebeurtenis, zoals het verval van een atoomkern. In dat geval was de toestand van de kat onzeker totdat de onderzoeker de doos opende en controleerde.,in 1967 stelde de Hongaarse natuurkundige Eugene Wigner een versie van de paradox voor waarin hij de kat en het GIF verving door een vriend die in een doos leefde met een meetapparaat dat een van de twee resultaten kon opleveren, zoals een munt met kop of munt. Stort de golffunctie in wanneer Wigners vriend zich bewust wordt van het resultaat? Een school van denken zegt Van wel, wat suggereert dat bewustzijn zich buiten het kwantumrijk bevindt., Maar als kwantummechanica van toepassing is op de natuurkundige, dan moet ze in een onzekere staat zijn die beide uitkomsten combineert tot Wigner de doos opent.
Frauchiger en Renner hebben een nog verfijndere versie (zie ‘nieuwe katten in de stad’). Ze hebben twee Wigners, die elk een experiment doen op een natuurkundige vriend die ze in een doos bewaren. Een van de twee vrienden (noem haar Alice) kan een munt opgooien en — met behulp van haar kennis van de kwantumfysica — een quantumbericht voorbereiden om naar de andere vriend (noem hem Bob) te sturen., Met behulp van zijn kennis van de kwantumtheorie, kan Bob Alice ‘ s boodschap detecteren en het resultaat raden van haar toss. Wanneer de twee Wigners hun dozen openen, kunnen ze in sommige situaties met zekerheid concluderen aan welke kant de munt is geland, zegt Renner – maar af en toe zijn hun conclusies inconsistent. “De ene zegt,’ Ik weet zeker dat het munt is, ‘en de andere zegt,’ Ik weet zeker dat het kop is, ‘” Renner zegt.,
het experiment kan niet in de praktijk worden gebracht, omdat het zou vereisen dat de Wigners alle kwantumeigenschappen van hun vrienden meten, waaronder het lezen van hun gedachten, wijst theoreticus Lídia Del Rio, een collega van Renner aan de ETH Zürich.,
toch is het mogelijk om twee kwantumcomputers de rol van Alice en Bob te laten spelen: de logica van het argument vereist alleen dat ze de regels van de fysica kennen en op basis daarvan beslissingen nemen, en in principe kan men de volledige kwantumtoestand van een kwantumcomputer detecteren. (Kwantumcomputers die geavanceerd genoeg zijn om dit te doen, bestaan nog niet, merkt Renner op.)
duellerende interpretaties
natuurkundigen zijn nog steeds bezig met de implicaties van het resultaat., Het heeft verhitte reacties uitgelokt van experts in de fundamenten van de kwantumtheorie, van wie velen de neiging hebben om hun pet-interpretatie te beschermen. “Sommigen worden emotioneel”, zegt Renner. En verschillende onderzoekers hebben de neiging om verschillende conclusies te trekken. “De meeste mensen beweren dat het experiment laat zien dat hun interpretatie de enige is die correct is.”
voor Leifer zou het produceren van inconsistente resultaten niet noodzakelijk een dealbreker moeten zijn. Sommige interpretaties van de kwantummechanica laten al toe dat er een visie op de werkelijkheid is die afhankelijk is van het perspectief., Dat zou minder onsmakelijk kunnen zijn dan toegeven dat kwantumtheorie niet van toepassing is op complexe dingen zoals mensen, zegt hij.Robert Spekkens, een theoretisch natuurkundige aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada, zegt dat de uitweg uit de paradox zich kan verbergen in een aantal subtiele veronderstellingen in het argument, in het bijzonder in de communicatie tussen Alice en Bob.
“naar mijn mening zijn er veel situaties waarin het meenemen van iemands kennis aan boord een vertaling van zijn kennis inhoudt.,”Misschien komt de inconsistentie doordat Bob Alice’ s boodschap niet goed interpreteert, zegt hij. Maar hij geeft toe dat hij nog geen oplossing heeft gevonden.
Op dit moment zullen natuurkundigen waarschijnlijk blijven debatteren. “Ik denk niet dat we hier zin in hebben,” zegt Leifer.