Наблюдатели-могущественные игроки в квантовом мире. Согласно теории, частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно-это называется суперпозицией.
Но, как ни странно, это происходит только тогда, когда они не наблюдаются. В ту секунду, когда вы наблюдаете квантовую систему, она выбирает определенное место или состояние, нарушая суперпозицию. То, что природа ведет себя подобным образом, было многократно доказано в лаборатории — например, в знаменитом эксперименте с двойной щелью.
В 1961 году физик Юджин Вигнер предложил провокационный мысленный эксперимент. Он задался вопросом, Что произойдет, если применить квантовую механику к наблюдателю, который сам является наблюдаемым.
Представьте себе, что друг Вигнера бросает квантовую монету-которая находится в суперпозиции Орла и решки — внутри закрытой лаборатории. Каждый раз, когда друг бросает монету, они наблюдают определенный результат.
Можно сказать, что друг Вигнера устанавливает факт: результат подбрасывания монеты-это определенно голова или хвост.
Вигнер не имеет доступа к этому факту извне и, согласно квантовой механике, должен описать друга и монету, чтобы оказаться в суперпозиции всех возможных исходов эксперимента. Это потому, что они "запутаны" — жутко связаны так, что если вы манипулируете одним, вы также манипулируете другим.
Теперь Вигнер может в принципе проверить эту суперпозицию, используя так называемый "интерференционный эксперимент" - тип квантового измерения, который позволяет распутать суперпозицию всей системы, подтвердив, что два объекта запутаны.
Позже, когда Вигнер и его друг сравнивают свои наблюдения, друг будет настаивать на том, что они видели определенные результаты для каждого подбрасывания монеты. Вигнер, однако, будет не согласен, когда он наблюдал друга и монету в суперпозиции.
Это представляет собой головоломку. Реальность, воспринимаемая другом, не может быть примирена с реальностью, находящейся снаружи.
Первоначально Вигнер не считал это большим парадоксом, он утверждал, что было бы абсурдно описывать сознательного наблюдателя как квантовый объект. Однако позже он отошел от этой точки зрения, и, согласно официальным учебникам по квантовой механике, это описание совершенно справедливо.
Эксперимент
Сценарий долго оставался интересным мысленным экспериментом. Но отражает ли она реальность?
С научной точки зрения прогресс в этом направлении был незначительным вплоть до недавнего времени, когда Часлав Брукнер из Венского университета показал, что при определенных допущениях идея Вигнера может быть использована для формального доказательства того, что измерения в квантовой механике субъективны для наблюдателей.
Брукнер предложил способ проверки этой идеи, переведя сценарий друга Вигнера в рамки, впервые установленные физиком Джоном Беллом в 1964 году.
Брукнер рассматривал две пары Вигнеров и их друзей в двух отдельных ячейках, проводящих измерения общего состояния-внутри и снаружи их соответствующей ячейки.
Результаты могут быть суммированы, чтобы в конечном итоге быть использованы для оценки так называемого "неравенства Белла"."Если это неравенство будет нарушено, наблюдатели могут иметь альтернативные факты.
Теперь мы впервые провели этот эксперимент в Университете Гериота-Уотта в Эдинбурге на маломасштабном квантовом компьютере, состоящем из трех пар запутанных фотонов.
Первая пара фотонов представляет монеты, а две другие используются для выполнения подбрасывания монеты — измерения поляризации фотонов — внутри их соответствующей коробки. Вне этих двух коробок с каждой стороны остаются два фотона, которые также можно измерить.
Несмотря на использование самых современных квантовых технологий, потребовались недели, чтобы собрать достаточно данных всего из шести фотонов, чтобы создать достаточную статистику. Но в конце концов нам удалось показать, что квантовая механика действительно может быть несовместима с допущением объективных фактов — мы нарушили неравенство.
Теория, однако, основана на нескольких предположениях. Они включают в себя то, что результаты измерений не зависят от сигналов, движущихся со скоростью выше скорости света, и что наблюдатели могут свободно выбирать, какие измерения производить. Это может быть так, а может и не быть.
Другой важный вопрос заключается в том, можно ли считать одиночные фотоны наблюдателями.
Согласно теории Брукнера, наблюдателям не нужно быть сознательными, они должны просто уметь устанавливать факты в форме результатов измерений. Поэтому неодушевленный детектор был бы действительным наблюдателем.
И учебник квантовой механики не дает нам никаких оснований полагать, что детектор, который может быть сделан таким же маленьким, как несколько атомов, не должен быть описан как квантовый объект точно так же, как фотон. Возможно также, что стандартная квантовая механика не применима на больших масштабах длины, но проверка этого-отдельная проблема.
Таким образом, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере для локальных моделей квантовой механики, нам необходимо переосмыслить наше понятие объективности.
Факты, с которыми мы сталкиваемся в нашем макроскопическом мире, по-видимому, остаются в безопасности, но возникает главный вопрос о том, как существующие интерпретации квантовой механики могут учитывать субъективные факты.
Некоторые физики рассматривают эти новые разработки как подкрепляющие интерпретации, которые позволяют получить более одного результата для наблюдения, например существование параллельных вселенных, в которых происходит каждый результат.
Другие рассматривают его как убедительное доказательство для внутренне зависимых от наблюдателя теорий, таких как квантовый Байесизм, в котором действия и опыт агента являются центральными проблемами теории.
Но все же другие считают это сильным указателем на то, что, возможно, квантовая механика сломается выше определенных масштабов сложности.
Ясно, что все это глубоко философские вопросы о фундаментальной природе реальности. Каков бы ни был ответ, нас ждет интересное будущее.
