kredyt: Aleksei Isachenko/Alamy
w najsłynniejszym na świecie eksperymencie myślowym fizyk Erwin Schrödinger opisał, jak kot w pudełku może być w niepewnej sytuacji. Osobliwe zasady teorii kwantowej oznaczały, że może ona być zarówno Martwa, jak i żywa, aż do otwarcia pudełka i zmierzenia stanu kota., Dwóch fizyków opracowało nowoczesną wersję paradoksu, zastępując kota fizykiem przeprowadzającym eksperymenty-z szokującymi implikacjami.
teoria kwantowa ma długą historię eksperymentów myślowych i w większości przypadków są one używane do wskazywania na słabości różnych interpretacji mechaniki kwantowej. Ale najnowsza wersja, która obejmuje wielu graczy, jest niezwykła: pokazuje, że jeśli standardowa interpretacja mechaniki kwantowej jest poprawna, to różni eksperymentatorzy mogą dojść do przeciwnych wniosków na temat tego, co zmierzył fizyk w pudełku., Oznacza to, że teoria kwantowa zaprzecza samej sobie.
eksperyment koncepcyjny był dyskutowany z entuzjazmem w kręgach fizyki od ponad dwóch lat — i pozostawił większość badaczy zakłopotanych, nawet w dziedzinie przyzwyczajonej do dziwnych pojęć. „Myślę, że to zupełnie nowy poziom dziwactwa”, mówi Matthew Leifer, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Chapmana w Orange w Kalifornii.
autorzy, Daniela Frauchiger i Renato Renner ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (ETH) w Zurychu, opublikowali swoją pierwszą wersję argumentu w Internecie w kwietniu 2016 roku., Ostatni artykuł ukazał się w Nature Communications 18 września 1. (Frauchiger opuścił uczelnię.)
Weird world
mechanika kwantowa leży u podstaw prawie całej współczesnej fizyki, wyjaśniając wszystko, od struktury atomów po to, dlaczego magnesy przyklejają się do siebie. Ale jego konceptualne podstawy nadal pozostawiają badaczy chwytających się odpowiedzi. Jego równania nie mogą przewidzieć dokładnego wyniku pomiaru-na przykład położenia elektronu – tylko prawdopodobieństwa, że może on uzyskać określone wartości.,
Obiekty kwantowe, takie jak elektrony, żyją więc w chmurze niepewności, matematycznie zakodowanej w „funkcji falowej”, która zmienia kształt płynnie, podobnie jak zwykłe fale w morzu. Ale kiedy mierzone jest takie własności jak położenie elektronu, zawsze daje jedną dokładną wartość (i daje tę samą wartość ponownie, jeśli mierzona natychmiast po).
najczęstszym sposobem zrozumienia tego została sformułowana w 1920 roku przez pionierów teorii kwantowej Niels Bohr i Werner Heisenberg, i nazywa interpretacja Kopenhaga, po mieście, w którym Bohr mieszkał., Mówi on, że obserwacja układu kwantowego sprawia, że funkcja falowa „zapadnie się” z rozłożonej krzywej do pojedynczego punktu danych.
interpretacja kopenhaska pozostawiła otwarte pytanie, dlaczego różne zasady powinny mieć zastosowanie do kwantowego świata atomu i klasycznego świata pomiarów laboratoryjnych (i codziennego doświadczenia). Ale było to również uspokajające: chociaż obiekty kwantowe żyją w niepewnych Stanach, obserwacja eksperymentalna odbywa się w sferze klasycznej i daje jednoznaczne wyniki.
teraz Frauchiger i Renner wyrzucają fizyków z tej pocieszającej pozycji., Ich teoretyczne rozumowanie mówi, że podstawowy obraz Kopenhaski-jak również inne interpretacje, które podzielają niektóre z jego podstawowych założeń-nie jest wewnętrznie spójny.
co jest w pudełku?
ich scenariusz jest znacznie bardziej zaangażowany niż kot Schrödingera — zaproponowany w 1935 roku — w którym kot mieszkał w pudełku z mechanizmem uwalniającym truciznę na podstawie zdarzenia losowego, takiego jak rozpad jądra atomowego. W takim przypadku stan kota był niepewny, dopóki eksperymentator nie otworzył pudełka i nie sprawdził go.,
w 1967 roku Węgierski fizyk Eugene Wigner zaproponował wersję paradoksu, w której zastąpił kota i truciznę przyjacielem fizykiem, który mieszkał w pudełku z urządzeniem pomiarowym, które mogło zwrócić jeden z dwóch wyników, takich jak moneta przedstawiająca orła lub reszka. Czy funkcja falowa załamuje się, gdy przyjaciel Wignera dowiaduje się o wyniku? Jedna ze szkół myśli mówi, że tak, sugerując, że świadomość jest poza sferą kwantową., Ale jeśli mechanika kwantowa dotyczy fizyka, to powinna być w stanie niepewnym, który łączy oba wyniki, dopóki Wigner nie otworzy pudełka.
Frauchiger i Renner mają jeszcze bardziej wyrafinowaną wersję (patrz „nowe koty w mieście”). Mają dwóch Wignerów, każdy robi eksperyment na przyjacielu fizyku, którego trzymają w pudełku. Jedna z dwóch przyjaciółek (nazywaj ją Alice) może rzucić monetą i-wykorzystując swoją wiedzę z fizyki kwantowej-przygotować wiadomość kwantową do wysłania do drugiego przyjaciela (nazywaj go Bobem)., Wykorzystując swoją wiedzę z teorii kwantowej, Bob może wykryć wiadomość Alicji i odgadnąć wynik jej rzutu monetą. Kiedy obaj Wignerzy otwierają swoje pudełka, w niektórych sytuacjach mogą stwierdzić z pewnością, po której stronie wylądowała moneta, mówi Renner — ale czasami ich wnioski są niespójne. „Jeden mówi:” jestem pewien, że to reszka”, a drugi mówi: „jestem pewien, że to orzeł””, mówi Renner.,
eksperyment nie może być wprowadzony w życie, ponieważ wymagałby od Wignerów zmierzenia wszystkich właściwości kwantowych swoich przyjaciół, co obejmuje czytanie ich umysłów, wskazuje teoretyczka Lídia Del Rio, koleżanka Rennera z ETH Zurich.,
jednak możliwe jest, aby dwa komputery kwantowe odgrywały role Alicji i Boba: logika argumentu wymaga tylko, aby znały zasady fizyki i podejmowały decyzje na ich podstawie, a w zasadzie można wykryć kompletny stan kwantowy komputera kwantowego. (Komputery kwantowe na tyle wyrafinowane, aby to zrobić, jeszcze nie istnieją-podkreśla Renner.)
interpretacje pojedynków
, Wywołało to gorące reakcje ekspertów od podstaw teorii kwantowej, z których wielu ma tendencję do ochrony swojej interpretacji pet. – Niektórzy się wzruszają-mówi Renner. A różni badacze mają tendencję do wyciągania różnych wniosków. „Większość ludzi twierdzi, że eksperyment pokazuje, że tylko ich interpretacja jest poprawna.”
dla Leifera uzyskanie niespójnych wyników niekoniecznie powinno być problemem. Niektóre interpretacje mechaniki kwantowej pozwalają już na postrzeganie rzeczywistości, które zależy od perspektywy., To może być mniej nieprzyjemne niż przyznanie, że teoria kwantowa nie ma zastosowania do złożonych rzeczy, takich jak ludzie, mówi.
Robert Spektkens, fizyk teoretyczny z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie, mówi, że wyjście z paradoksu może kryć się w pewnych subtelnych założeniach w argumentacji, w szczególności w komunikacji między Alice i Bobem.
„moim zdaniem jest wiele sytuacji, w których zabranie czyjejś wiedzy na pokład wiąże się z jakimś tłumaczeniem jej wiedzy.,”Być może niespójność wynika z tego, że Bob nie interpretuje prawidłowo wiadomości Alicji, mówi. Przyznaje jednak, że nie znalazł jeszcze rozwiązania.
na razie fizycy prawdopodobnie będą kontynuować dyskusję. „Myślę, że to nie ma sensu” – mówi Leifer.