Credit: Aleksei Isachenko/Alamy
i världens mest kända tankeexperiment beskrev fysikern Erwin Schrödinger hur en katt i en låda kan vara i en osäker situation. De märkliga reglerna för kvantteori innebar att den kunde vara både död och levande, tills lådan öppnades och kattens tillstånd mättes., Nu har två fysiker utarbetat en modern version av paradoxen genom att ersätta katten med en fysiker som gör experiment — med chockerande konsekvenser.
kvantteori har en lång historia av tankeexperiment, och i de flesta fall används dessa för att peka på svagheter i olika tolkningar av kvantmekanik. Men den senaste versionen, som involverar flera spelare, är ovanlig: det visar att om standardtolkningen av kvantmekanik är korrekt kan olika experimenter nå motsatta slutsatser om vad fysikern i lådan har mätt., Detta innebär att kvantteori motsäger sig själv.
det konceptuella experimentet har debatterats med gusto i fysikkretsar i mer än två år — och har lämnat de flesta forskare stumpade, även i ett fält som är vant vid konstiga begrepp. ”Jag tror att det här är en helt ny nivå av konstighet”, säger Matthew Leifer, en teoretisk fysiker vid Chapman University i Orange, Kalifornien.
författare, Daniela Frauchiger och Renato Renner av det Schweiziska Federala tekniska Institutet (ETH) i Zürich, publicerat sin första version av argumentet online i April 2016., Slutdokumentet finns i Nature Communications den 18 September1. (Frauchiger har nu lämnat akademin.)
konstig värld
kvantmekanik ligger till grund för nästan all modern fysik och förklarar allt från atomernas struktur till varför magneter håller fast vid varandra. Men dess konceptuella stiftelser fortsätter att lämna forskare gripa efter svar. Dess ekvationer kan inte förutsäga det exakta resultatet av en mätning — till exempel av en elektrons position-endast de sannolikheter som den kan ge särskilda värden.,
Kvantobjekt som elektroner lever därför i ett moln av osäkerhet, matematiskt kodat i en ”vågfunktion” som ändrar form smidigt, ungefär som vanliga vågor i havet. Men när en egenskap som en elektrons position mäts, ger den alltid ett exakt värde (och ger samma värde igen om det mäts omedelbart efter).
det vanligaste sättet att förstå detta formulerades på 1920-talet av quantum-theory pionjärer Niels Bohr och Werner Heisenberg, och kallas Köpenhamns tolkning, efter staden där Bohr bodde., Det står att handlingen att observera ett kvantsystem gör vågfunktionen ”kollaps” från en utspridd kurva till en enda datapunkt.
Köpenhamnstolkningen lämnade öppen frågan om varför olika regler bör gälla för atomens kvantvärld och den klassiska världen av laboratoriemätningar (och av daglig erfarenhet). Men det var också lugnande: Även om kvantobjekt lever i osäkra tillstånd, sker experimentell observation i det klassiska riket och ger entydiga resultat.
Nu skakar Frauchiger och Renner fysiker ur denna tröstande position., Deras teoretiska resonemang säger att den grundläggande Köpenhamnbilden — liksom andra tolkningar som delar några av dess grundläggande antaganden — inte är internt konsekvent.
vad finns i rutan?
deras scenario är betydligt mer involverat än Schrödingers katt — föreslagen 1935 — där kattdjuret bodde i en låda med en mekanism som skulle släppa ett gift på grundval av en slumpmässig händelse, såsom sönderfallet av en atomkärna. I så fall var kattens tillstånd osäkert tills försöksledaren öppnade lådan och kontrollerade den.,
1967 föreslog den ungerska fysikern Eugene Wigner en version av paradoxen där han ersatte katten och giftet med en fysikervän som bodde inuti en låda med en mätanordning som kunde returnera ett av två resultat, till exempel ett mynt som visar huvuden eller svansar. Kollapsar vågfunktionen när Wigners vän blir medveten om resultatet? En tankeskola säger att det gör det, vilket tyder på att medvetandet ligger utanför kvantriket., Men om kvantmekanik gäller fysikern, så borde hon vara i ett osäkert tillstånd som kombinerar båda resultaten tills Wigner öppnar lådan.
Frauchiger och Renner har en ännu mer sofistikerad version (se ”Nya katter i stan’). De har två Wigners, var och en gör ett experiment på en fysiker vän som de håller i en låda. En av de två vännerna (kalla henne Alice) kan kasta ett mynt och — med hjälp av sin kunskap om kvantfysik — förbereda ett kvantmeddelande för att skicka till den andra vännen (kalla honom Bob)., Med hjälp av sin kunskap om kvantteori kan Bob upptäcka Alices budskap och gissa resultatet av hennes slantsingling. När de två Wignersna öppnar sina lådor, kan de i vissa situationer med säkerhet dra slutsatsen vilken sida myntet landade på, säger Renner-men ibland är deras slutsatser inkonsekventa. ”En säger, ’jag är säker på att det är svansar,’ och den andra säger, ’jag är säker på att det är huvuden,’ ” Renner säger.,
experimentet kan inte omsättas i praktiken, eftersom det skulle kräva att Wigners mäter alla kvantegenskaper hos sina vänner, vilket inkluderar att läsa sina sinnen, påpekar teoretikern Lídia Del Rio, en kollega till Renner på ETH Zürich.,
ändå kan det vara möjligt att göra två kvantdatorer spela delarna av Alice och Bob: logiken i argumentet kräver bara att de känner till fysikens regler och fattar beslut baserade på dem, och i princip kan man upptäcka en kvantdators fullständiga kvanttillstånd. (Kvantdatorer som är tillräckligt sofistikerade för att göra detta finns ännu inte, Renner påpekar.)
Duelling tolkningar
fysiker kommer fortfarande överens med konsekvenserna av resultatet., Det har utlöst uppvärmda svar från experter i grunden för kvantteori, av vilka många tenderar att vara skyddande för deras sällskapsdjur Tolkning. ”Vissa blir känslomässiga”, säger Renner. Och olika forskare tenderar att dra olika slutsatser. ”De flesta hävdar att experimentet visar att deras tolkning är den enda som är korrekt.”
För Leifer, som producerar inkonsekventa resultat bör inte nödvändigtvis vara en affärsbrytare. Vissa tolkningar av kvantmekanik möjliggör redan syn på verkligheten som är beroende av perspektiv., Det kan vara mindre osmakligt än att behöva erkänna att kvantteori inte gäller komplexa saker som människor, säger han.
Robert Spekkens, en teoretisk fysiker vid Perimeterinstitutet för teoretisk fysik i Waterloo, Kanada, säger att vägen ut ur paradoxen kan gömma sig i några subtila antaganden i argumentet, särskilt i kommunikationen mellan Alice och Bob.
” enligt min mening finns det många situationer där att ta någons kunskap ombord innebär en viss översättning av deras kunskaper.,”Kanske uppstår inkonsekvensen av Bob som inte tolkar Alices budskap ordentligt, säger han. Men han medger att han inte har hittat en lösning än.
för närvarande kommer fysiker sannolikt att fortsätta debattera. ”Jag tror inte att vi har förstått det här”, säger Leifer.