Почти 60 лет назад лауреат Нобелевской премии физик Юджин Вигнер в мысленном эксперименте уловил одну из многих странностей квантовой механики. Он представил своего друга, запертого в лаборатории, который измеряет такую частицу, как атом, в то время как Вигнер стоит снаружи. Известно, что квантовая механика позволяет частицам занимать множество мест одновременно - так называемая суперпозиция, - но наблюдение друга «коллапсирует» частицу только в одну точку. Тем не менее, для Вигнера суперпозиция остается: коллапс происходит только тогда, когда он некоторое время спустя производит измерение. Хуже того, Вигнер также видит друга в суперпозиции. Их переживания напрямую противоречат друг другу.
Теперь исследователи из Австралии и Тайваня предлагают, пожалуй, самую яркую демонстрацию реальности парадокса Вигнера. В исследовании, опубликованном в августовском в журнале Nature Physics, они превращают мысленный эксперимент в математическую теорему, подтверждающую непримиримое противоречие, лежащее в основе сценария. Команда также проверяет теорему с помощью эксперимента, используя фотоны в качестве заместителей людей. В то время как Вигнер считал, что для разрешения парадокса требуется, чтобы квантовая механика перестала работать в больших системах, таких как люди-наблюдатели, некоторые авторы нового исследования считают, что нечто столь же фундаментальное находится на тонком льду: объективность. Это может означать, что не существует такой вещи, как абсолютный факт, такой же верный для меня, как и для вас.
«Это немного сбивает с толку», - говорит соавтор Нора Тишлер из Университета Гриффита. «Результат измерения - это то, на чем основана наука. Если почему-то это не совсем так, трудно себе представить».
По словам Дастина Лазаровича, физика и философа из Лозаннского университета, который не входил в состав команды, для физиков, которые отвергли мысленные эксперименты, подобные Вигнеровскому, как интерпретирующее пристальное вглядывание в пупок, исследование показывает, что в реальных экспериментах могут возникнуть противоречия. «В газете очень много говорится о том, чтобы говорить на языке тех, кто пытался просто обсудить фундаментальные проблемы, и, таким образом, может заставить по крайней мере некоторых лиц столкнуться с ними», - говорит он.
Мысленный эксперимент Вигнера привлек к себе повышенное внимание в последние годы. В 2015 году Часлав Брукнер из Венского университета проверил наиболее интуитивный способ обойти парадокс: друг в лаборатории на самом деле видел частицу в том или ином месте, а Вигнер просто еще не знает, что это такое. На жаргоне квантовой теории результат друга - это скрытая переменная.
Брукнер исключил этот вывод в собственном мысленном эксперименте, использовав трюк, основанный на квантовой запутанности, чтобы вывести скрытую переменную на поверхность. Он представил, как создать две пары друг-Вигнер и дать каждой частицу, запутанную со своим партнером таким образом, что их атрибуты при измерении коррелируются. Каждый друг измеряет частицу, каждый Вигнер измеряет друга, измеряя частицу, и два Вигнера сравнивают свои записи. Процесс повторяется. Если бы друзья увидели определенные результаты - как вы могли подозревать, - собственные выводы Вигнеров показали бы только слабую корреляцию. Но вместо этого они обнаруживают образец сильной корреляции. «Вы сталкиваетесь с противоречиями» - говорит Брукнер.
Но в 2018 году Ричард Хили, философ физики из Университета Аризоны, указал на лазейку в мысленном эксперименте Брукнера, которую Тишер и ее коллеги закрыли. В своем новом сценарии они делают четыре предположения. Во-первых, результаты, полученные друзьями, реальны: их можно комбинировать с другими измерениями, чтобы сформировать общий корпус знаний. Они также предполагают, что квантовая механика универсальна и применима как для наблюдателей, так и для частиц; что выбор, который делают наблюдатели, свободен от особых предубеждений, вызванных божественным супердетерминизмом; и что физика локальна, свободна от всего, кроме самой ограниченной формы «жуткого действия» на расстоянии.
Однако их анализ показывает, что противоречия парадокса Вигнера сохраняются. Настольный эксперимент команды, в котором они создали запутанные фотоны, также подтверждает парадокс. Оптические элементы направляли каждый фотон по пути, зависящему от его поляризации: эквивалент наблюдений друзей. Затем фотон попал во второй набор элементов и детекторов, которые играли роль Вигнера. Команда снова обнаружила непримиримое несоответствие между друзьями и Вигнерами. Более того, они точно изменили степень запутанности частиц и показали, что несоответствие происходит для других условий, чем в сценарии Брукнера. «Это показывает, что у нас действительно есть что-то новое», - говорит Тишлер.
Это также указывает на то, что одно из четырех предположений должно дать результат. Немногие физики считают, что в этом виноват супердетерминизм. Некоторые считают локальность слабым местом, но ее неудача будет очевидной: действия одного наблюдателя могут повлиять на результаты другого даже на больших расстояниях - более сильный вид нелокальности. Поэтому некоторые ставят под сомнение принцип, согласно которому наблюдатели могут эмпирически объединять свои измерения. «Есть факты для одного наблюдателя и факты для другого; им не нужна сетка», - предлагает соавтор исследования и физик Гриффит Говард Уайзман. Это радикальный релятивизм, который до сих пор многих раздражает. «С классической точки зрения то, что каждый видит, считается объективным, независимо от того, что видят другие», - говорит Олимпия Ломбарди, физик-философ из Университета Буэнос-Айреса.
Кроме того, есть вывод Вигнера о том, что сама квантовая механика не работает. Из предположений это наиболее непосредственно проверяется экспериментами, исследующими квантовую механику во все больших масштабах. «Но единственная позиция, которая не выдерживает анализа, - это отсутствие позиции», - говорит другой соавтор «Гриффит», Эрик Кавальканти. «Большинство физиков думают: «Это просто философская ахинея», - говорит он. «Им придется нелегко».
