Fiziķi tikko atrada jaunu kvantu paradoksu, kas rada šaubas par realitātes pīlāru

(Paolo Carnassale/Getty Images)

Ja koks nokrīt mežā un neviena nav, kas to dzirdētu, vai tas rada skaņu? Varbūt nē, daži saka.

Un ja kāds ir tur to dzirdēt? Ja jūs domājat, ka tas noteikti nozīmē izdarīja izteikt skaņu, iespējams, jums būs jāpārskata šis viedoklis.

Mēs esam atraduši jaunu paradoksu kvantu mehānikā – vienā no divām mūsu fundamentālākajām zinātniskajām teorijām kopā ar Einšteina relativitātes teoriju –, kas liek apšaubīt dažas veselā saprāta idejas par fizisko realitāti.



Kvantu mehānika pret veselo saprātu

Apskatiet šos trīs apgalvojumus:

  1. Kad kāds novēro notikumu, kas notiek, tas tiešām noticis.

  2. Ir iespējams izdarīt brīvas izvēles vai vismaz statistiski nejaušas izvēles.

  3. Vienuviet izdarīta izvēle nevar uzreiz ietekmēt tālu notikumu. (Fiziķi to sauc par 'apdzīvotību'.)

Tās visas ir intuitīvas idejas, un tām plaši tic pat fiziķi. Bet mūsu pētījumi, publicēts Dabas fizika , parāda, ka tie visi nevar būt patiesi – vai arī pašai kvantu mehānikai kaut kādā līmenī ir jāsadalās.

Šis ir līdz šim spēcīgākais rezultāts ilgajā kvantu mehānikas atklājumu sērijā, kas ir mainījuši mūsu idejas par realitāti. Lai saprastu, kāpēc tas ir tik svarīgi, apskatīsim šo vēsturi.

Cīņa par realitāti

Kvantu mehānika darbojas ļoti labi, lai aprakstītu sīku objektu, piemēram, atomu vai gaismas daļiņu (fotonu) uzvedību. Bet šī uzvedība ir… ļoti dīvaina.

Daudzos gadījumos kvantu teorija nesniedz konkrētas atbildes uz tādiem jautājumiem kā 'kur šobrīd atrodas šī daļiņa?' Tā vietā tas nodrošina tikai varbūtības, kur daļiņa var atrasties, kad tā tiek novērota.

Nilsam Boram, vienam no teorijas pamatlicējiem pirms gadsimta, tas nav tāpēc, ka mums trūkst informācijas, bet gan tāpēc, ka tādas fiziskās īpašības kā “pozīcija” faktiski nepastāv, kamēr tās nav izmērītas.

Un vēl vairāk, jo dažas daļiņas īpašības nevar perfekti novērot vienlaicīgi, piemēram, atrašanās vietu un ātrumu, tās nevar īsts vienlaikus.

Ne mazākam skaitlim kā Albertam Einšteinam šī ideja šķita nepieņemama. Iekšā 1935. gada raksts ar kolēģiem teorētiķiem Borisu Podoļski un Neitanu Rozenu viņš apgalvoja, ka realitātei ir jābūt vairāk, nekā kvantu mehānika spēj aprakstīt.

Rakstā tika aplūkots attālu daļiņu pāris īpašā stāvoklī, kas tagad pazīstams kā “sapinies” stāvoklis. Kad abām sapinušajām daļiņām tiek mērīta viena un tā pati īpašība (teiksim, pozīcija vai ātrums), rezultāts būs nejaušs, taču starp katras daļiņas rezultātiem būs korelācija.

Piemēram, novērotājs, kurš mēra pirmās daļiņas pozīciju, varēja lieliski paredzēt attālās daļiņas pozīcijas mērīšanas rezultātu, tai pat nepieskaroties. Vai arī novērotājs tā vietā varētu izvēlēties paredzēt ātrumu. Viņi apgalvoja, ka tam ir dabisks izskaidrojums, ja abas īpašības pastāvēja pirms mērīšanas, pretēji Bora interpretācijai.

Tomēr 1964. gadā Ziemeļīrijas fiziķis Džons Bells atrada Einšteina arguments izjuka, ja veicat sarežģītāku kombināciju savādāk divu daļiņu mērījumi.

Bells parādīja, ka, ja abi novērotāji nejauši un neatkarīgi izvēlas izmērīt vienu vai otru savu daļiņu īpašību, piemēram, pozīciju vai ātrumu, vidējos rezultātus nevar izskaidrot nevienā teorijā, kurā gan pozīcija, gan ātrums bija iepriekš esošas vietējās īpašības.

Tas izklausās neticami, bet tagad ir veikti eksperimenti pārliecinoši pierādīts Bela korelācijas notiek. Daudziem fiziķiem tas ir pierādījums tam, ka Boram bija taisnība: fizikālās īpašības nepastāv, kamēr tās nav izmērītas.

Bet tas rada būtisko jautājumu: kas ir tik īpašs “mērījumā”?

Novērotājs, novērots

1961. gadā ungāru izcelsmes amerikāņu teorētiskais fiziķis Jevgeņijs Vīgners izstrādāja domu eksperimentu, lai parādītu, kas ir tik grūts mērīšanas idejā.

Viņš apsvēra situāciju, kurā viņa draugs ieiet cieši noslēgtā laboratorijā un veic kvantu daļiņas mērījumu - teiksim, tās atrašanās vietu.

Tomēr Vīgners pamanīja, ka, ja viņš izmantoja kvantu mehānikas vienādojumus, lai aprakstītu šo situāciju no ārpuses, rezultāts bija diezgan atšķirīgs. Tā vietā, lai drauga mērījums padarītu daļiņas pozīciju reālu, no Vīgnera viedokļa draugs sapinās ar daļiņu un inficējas ar nenoteiktību, kas to ieskauj.

Tas ir līdzīgs Šrēdingera slavenais kaķis , domu eksperiments, kurā kaķa liktenis kastē sapinās ar nejaušu kvantu notikumu.

Vīgneram tas bija absurds secinājums. Tā vietā viņš uzskatīja, ka reiz apziņa no novērotāja iesaistās sapīšanās “sabruktu”, lai drauga novērojums būtu precīzs.

Bet ja Vīgners kļūdījās?

Mūsu eksperiments

Mūsu pētījumā mēs balstījāmies uz Vīgnera drauga paradoksa paplašināto versiju, pirmais ierosināts Časlavs Brukners no Vīnes universitātes. Šajā scenārijā ir divi fiziķi – sauc viņus par Alisi un Bobu – katrs ar saviem draugiem (Čārliju un Debiju) divās attālās laboratorijās.

Ir vēl viens pavērsiens: Čārlijs un Debija tagad mēra sapinušo daļiņu pāri, piemēram, Bela eksperimentos.

Tāpat kā Vīgnera argumentācijā, kvantu mehānikas vienādojumi mums norāda, ka Čārlijam un Debijam vajadzētu sapīties ar savām novērotajām daļiņām. Bet, tā kā šīs daļiņas jau bija sapinušās viena ar otru, Čārlijam un Debijai pašiem vajadzētu sapīties – teorētiski.

Bet ko tas nozīmē eksperimentāli?

Mūsu eksperiments ir šāds: draugi ieiet savās laboratorijās un mēra savas daļiņas. Pēc kāda laika Alise un Bobs met pa monētu. Ja tās ir galvas, viņi atver durvis un jautā savam draugam, ko viņi redzēja. Ja tās ir astes, tās veic citu mērījumu.

Šis atšķirīgais mērījums vienmēr dod pozitīvu rezultātu Alisei, ja Čārlijs ir sapinies ar savu novēroto daļiņu, kā to aprēķinājis Vīgners. Tāpat Bobam un Debijai.

Tomēr, īstenojot šo mērījumu, jebkurš ieraksts par viņu drauga novērojumiem laboratorijā tiek bloķēts, lai sasniegtu ārējo pasauli. Čārlijs vai Debija neatcerēsies, ka būtu kaut ko redzējuši laboratorijā, it kā būtu pamodušies no pilnīgas anestēzijas.

Bet vai tas tiešām notika, pat ja viņi to neatceras?

Ja trīs intuitīvās idejas šī raksta sākumā ir pareizas, katrs draugs redzēja reālu un unikālu rezultātu savam mērījumam laboratorijā neatkarīgi no tā, vai Alise vai Bobs vēlāk nolēma atvērt durvis. Turklāt tam, ko redz Alise un Čārlijs, nevajadzētu būt atkarīgam no tā, kā Boba tālā monēta piezemējas, un otrādi.

Mēs parādījām, ka, ja tas tā būtu, korelācijām, kuras Alise un Bobs varētu sagaidīt starp saviem rezultātiem, būtu ierobežojumi. Mēs arī parādījām, ka kvantu mehānika paredz, ka Alise un Bobs redzēs korelācijas, kas pārsniedz šīs robežas.

Pēc tam mēs veicām eksperimentu, lai apstiprinātu kvantu mehāniskās prognozes, izmantojot sapinušos fotonu pārus. Katra drauga mērījuma lomu spēlēja viens no diviem ceļiem, ko katrs fotons var veikt iestatījumos, atkarībā no fotona īpašības, ko sauc par “polarizāciju”. Tas nozīmē, ka ceļš “mēra” polarizāciju.

Mūsu eksperiments ir tikai principa pierādījums, jo 'draugi' ir ļoti mazi un vienkārši. Bet tas paver jautājumu, vai tādi paši rezultāti būtu ar sarežģītākiem novērotājiem.

Mēs, iespējams, nekad nevarēsim veikt šo eksperimentu ar īstiem cilvēkiem. Bet mēs apgalvojam, ka kādu dienu var būt iespējams izveidot pārliecinošu demonstrāciju, ja 'draugs' ir cilvēka līmenī mākslīgais intelekts skrienot masīvā tikpat daudz kā dators .

Ko tas viss nozīmē?

Lai gan pārliecinošs tests var būt pēc desmitiem gadu, ja kvantu mehāniskās prognozes turpinās pastāvēt, tas spēcīgi ietekmē mūsu izpratni par realitāti – pat vairāk nekā Bell korelācijas.

Pirmkārt, mūsu atklātās korelācijas nevar izskaidrot, vienkārši sakot, ka fiziskās īpašības nepastāv, kamēr tās nav izmērītas.

Tagad tiek apšaubīta pašu mērījumu rezultātu absolūtā realitāte.

Mūsu rezultāti liek fiziķiem ķerties pie mērīšanas problēmas: vai nu mūsu eksperiments nepalielinās, un kvantu mehānika dod vietu tā sauktajam Objektīva sabrukuma teorija ', vai arī ir jānoraida kāds no mūsu trīs veselā saprāta pieņēmumiem.

Ir teorijas, piemēram de Broglis-Boms , kas postulē “darbība no attāluma”, kurā darbībām var būt tūlītējas sekas citur Visumā. Tomēr tas ir tiešā pretrunā ar Einšteina relativitātes teoriju.

Daži meklē teoriju, kas noraida izvēles brīvību, bet viņi vai nu to pieprasa atpakaļejoša cēloņsakarība , vai šķietami sazvērniecisks fatālisma veids, ko sauc 'superdeterminisms' .

Vēl viens veids, kā atrisināt konfliktu, varētu būt padarīt Einšteina teoriju vēl relatīvāku. Attiecībā uz Einšteinu dažādi novērotāji varētu nepiekrist kad vai kur kaut kas notiek - bet kas tas, kas notiek, bija absolūts fakts.

Tomēr dažās interpretācijās, piemēram, relāciju kvantu mehānika , QBisms , vai daudzu pasauļu interpretācija , paši notikumi var notikt tikai attiecībā uz vienu vai vairākiem novērotājiem. Viena novērots nokritis koks var nebūt fakts visiem pārējiem.

Tas viss nenozīmē, ka jūs varat izvēlēties savu realitāti. Pirmkārt, jūs varat izvēlēties, kādus jautājumus uzdot, bet atbildes sniedz pasaule. Un pat attiecību pasaulē, kad sazinās divi novērotāji, viņu realitāte ir sapinusies. Tādā veidā var rasties kopīga realitāte.

Tas nozīmē, ka, ja mēs abi esam aculiecinieki vienam un tam pašam kokam un jūs sakāt, ka to nedzirdat, jums var būt nepieciešams tikai dzirdes aparāts.

Ēriks Kavalkanti , asociētais profesors (ARC nākotnes līdzstrādnieks), Grifita universitāte .

Šis raksts ir pārpublicēts no Saruna saskaņā ar Creative Commons licenci. Lasīt oriģināls raksts .

Populārākas Kategorijas: Vidi , Dabu , Tech , Skaidrotājs , Sabiedrību , Neklasificēts , Cilvēkiem , Telpa , Fizika , Viedoklis ,

Par Mums

Neatkarīgu, Pārbaudītu Faktu Publicēšana Par Veselību, Telpu, Dabu, Tehnoloģijām Un Vidi.