Квантовая физика: наше исследование показывает, что объективной реальности не существует

Перевод. Оригинал: Quantum physics: Our study suggests objective reality doesn't exist

Альтернативные факты распространяются как вирус. Теперь кажется, что они заразили даже науку - по крайней мере, квантовую сферу. Это может показаться нелогичным. В конце концов, научный метод основан на надежных понятиях наблюдения, измерения и повторяемости. Факт, установленный измерением, должен быть объективным, чтобы все наблюдатели могли с ним согласиться.

Но в статье, недавно опубликованной в журнале Science Advances, мы показываем, что в микромире атомов и частиц, который управляется странными правилами квантовой механики, два разных наблюдателя имеют право на свои собственные факты. Другими словами, согласно нашей лучшей теории, факты на самом деле могут быть субъективными.

Наблюдатели - сильные 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 в том случае, когда они не наблюдаются. В тот момент, когда вы наблюдаете квантовую систему, она выбирает определенное место или состояние - нарушая суперпозицию. Тот факт, что природа ведет себя таким образом, неоднократно доказывался в лаборатории, например, в знаменитом эксперименте с двумя щелями.

В 1961 году физик Юджин Вигнер предложил провокационный мысленный эксперимент. Он спросил, что произойдет, если применить квантовую механику к наблюдателю, который сам находится под наблюдением. Представьте, что друг Вигнера бросает квантовую монету, которая находится в суперпозиции орлов и решек, в закрытой лаборатории. Каждый раз, когда друг бросает монету, он наблюдает определенный результат. Можно сказать, что друг Вигнера устанавливает факт: результатом броска монеты, безусловно, является орел или решка.

Вигнер не имеет доступа к этому факту извне и, согласно квантовой механике, должен описать друга и монету, как суперпозиции всех возможных результатов эксперимента. Это потому, что они «запутаны» - связаны, так что если вы манипулируете одним, вы также манипулируете другим. Теперь Вигнер может в принципе проверить эту суперпозицию, используя так называемый «эксперимент с интерференцией» - тип квантового измерения, который позволяет вам распутывать суперпозицию всей системы, подтверждая, что два объекта запутаны.

Когда Вигнер и друг будут сравнивать записи позже, друг будет настаивать на том, что он видел определенные результаты для каждого броска монеты. Вигнер, однако, не соглашается всякий раз, когда он видит друга и монету в суперпозиции.

Это представляет собой загадку. Реальность, воспринимаемая другом, не может быть согласована с реальностью снаружи. Первоначально Вигнер не считал это большим парадоксом, он утверждал, что было бы нелепо описывать сознательного наблюдателя как квантовый объект. Однако позже он отошел от этой точки зрения, и согласно формальным учебникам по квантовой механике, описание совершенно справедливо.

Эксперимент

Этот сценарий долгое время оставался интересным мысленным экспериментом. Но отражает ли он реальность? С научной точки зрения, до недавнего времени был только небольшой прогресс в этом вопросе, когда Часлав Брукнер из Венского университета показал, что при определенных предположениях идея Вигнера может быть использована для формального доказательства того, что измерения в квантовой механике субъективны для наблюдателей.

Брукнер предложил способ проверить это понятие, переведя сценарий Вигнера в структуру, впервые созданную физиком Джоном Беллом в 1964 году. Брукнер рассмотрел две пары Вигнера и друга в двух отдельных комнатах, проводя измерения в общем состоянии - внутри и вне их соответствующей комнаты. Результаты можно суммировать, чтобы в конечном итоге использовать для оценки так называемого «неравенства Белла». Если это неравенство нарушается, наблюдатели могут иметь альтернативные реальности.

Сейчас мы впервые провели этот тест экспериментально в университете Хериот-Ватт в Эдинбурге на небольшом квантовом компьютере, состоящем из трех пар запутанных фотонов. Первая пара фотонов представляет монеты, а две другие используются для выполнения броска монеты - измерения поляризации фотонов - внутри соответствующего бокса. За пределами двух боксов с каждой стороны остаются два фотона, которые также могут быть измерены.

Несмотря на использование современной квантовой технологии, потребовались недели, чтобы собрать достаточно данных всего из шести фотонов, чтобы получить достаточно статистики. Но в итоге нам удалось показать, что квантовая механика действительно может быть несовместима с предположением об объективной реальности - мы нарушили неравенство!

Теория, однако, основана на нескольких предположениях. К ним относится то, что на результаты измерений не влияют сигналы, распространяющиеся со скоростью выше скорости света, и что наблюдатели могут сами выбирать, какие измерения проводить. Это может иметь, или может не иметь место.

Исследователи с экспериментальным оборудованием

Другой важный вопрос - можно ли считать одиночные фотоны наблюдателями. В теоретическом предложении Брукнера наблюдатели не должны быть сознательными, они просто должны быть в состоянии установить факты в форме результатов измерения. Поэтому неодушевленный детектор был бы действительным наблюдателем. И учебник квантовой механики не дает нам никаких оснований полагать, что детектор, который может быть представлен всего несколькими атомами, не должен описываться как квантовый объект, как фотон. Также возможно, что стандартная квантовая механика не применима в больших масштабах длины, но тестирование этого предположения отдельная проблема.

Таким образом, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере, для локальных моделей квантовой механики нам необходимо переосмыслить наше понятие объективности. Факты, которые мы наблюдаем в нашем макроскопическом мире, по-видимому, остаются в безопасности, но возникает серьезный вопрос о том, как существующие интерпретации квантовой механики могут учитывать субъективные факты.

Некоторые физики рассматривают эти новые разработки как поддержку интерпретаций, позволяющих получить более одного результата для наблюдения, например, существование параллельных вселенных, в которых происходит каждый исход. Другие видят в этом убедительное доказательство теорий, в сущности зависящих от наблюдателя, таких как квантовый байесовский подход, в которых действия и опыт агента являются центральными вопросами теории. Но все же другие считают это сильным указателем на то, что, возможно, квантовая механика ломается выше определенных масштабов сложности.

Очевидно, что все это глубоко философские вопросы о фундаментальной природе реальности. Каким бы ни был ответ, нас ждет интересное будущее.