Gearoid Hayes/Flickr, CC BY-SA
Alternatywne fakty są rozprzestrzenia się jak wirus w całym społeczeństwie. Teraz wydaje się, że zainfekowali nawet naukę – przynajmniej sferę kwantową. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją. Metoda naukowa opiera się przecież na niezawodnych pojęciach obserwacji, pomiaru i powtarzalności. Fakt ustalony przez pomiar powinien być obiektywny, tak aby wszyscy obserwatorzy mogli się z nim zgodzić.
Ale ostatnio w gazecie opublikowane w Science Advances, pokazujemy, że w mikroświecie atomów i cząstek, którym rządzą dziwne prawa mechaniki kwantowej, dwóch różnych obserwatorów ma prawo do własnych faktów. Innymi słowy, zgodnie z naszą najlepszą teorią budulców samej natury, fakty mogą być w rzeczywistości subiektywne.
Obserwatorzy to potężni gracze w świecie kwantowym. Zgodnie z teorią cząstki mogą znajdować się jednocześnie w kilku miejscach lub stanach – nazywa się to superpozycją. Ale, co dziwne, dzieje się tak tylko wtedy, gdy nie są obserwowane. W chwili, gdy obserwujesz system kwantowy, wybiera on określoną lokalizację lub stan – przerywając superpozycję. Fakt, że natura zachowuje się w ten sposób, został wielokrotnie udowodniony w laboratorium – na przykład w słynnym eksperyment z podwójną szczeliną (patrz wideo poniżej).
{vembed Y=A9tKncAdlHQ}
W 1961 r. Fizyk Eugeniusz Wigner zaproponował prowokacyjny eksperyment myślowy. Zakwestionował, co by się stało, gdyby zastosować mechanikę kwantową do obserwatora, który sam jest obserwowany.
Wyobraź sobie, że przyjaciel Wignera wrzuca kwantową monetę – która jest superpozycją obu orłów i reszek – do zamkniętego laboratorium. Za każdym razem, gdy przyjaciel rzuca monetą, obserwują określony wynik. Można powiedzieć, że przyjaciel Wignera ustala fakt: wynikiem rzutu monetą jest na pewno orzeł lub reszka.
Wigner nie ma dostępu do tego faktu z zewnątrz i zgodnie z mechaniką kwantową musi opisać przyjaciela i monetę tak, aby znajdowały się w superpozycji wszystkich możliwych wyników eksperymentu. To dlatego, że są „splątani” – strasznie połączone więc jeśli manipulujesz jednym, manipulujesz także drugim. Wigner może teraz w zasadzie zweryfikować tę superpozycję za pomocą tak zwanego „eksperyment interferencyjny” – rodzaj pomiaru kwantowego, który pozwala rozwikłać superpozycję całego układu, potwierdzając, że dwa obiekty są splątane.
Kiedy Wigner i przyjaciel porównają później notatki, przyjaciel będzie upierał się, że widzieli określone wyniki każdego rzutu monetą. Wigner jednak nie zgodzi się, ilekroć obserwował przyjaciela i monetę w superpozycji.
Stanowi to zagadkę. Rzeczywistość postrzegana przez przyjaciela nie daje się pogodzić z rzeczywistością na zewnątrz. Wigner początkowo nie uważał tego za paradoks, argumentował, że opisywanie świadomego obserwatora jako obiektu kwantowego byłoby absurdem. Jednak on później odszedł od tego poglądui zgodnie z formalnymi podręcznikami mechaniki kwantowej, opis jest całkowicie poprawny.
Eksperyment
Scenariusz od dawna pozostaje interesującym eksperymentem myślowym. Ale czy odzwierciedla rzeczywistość? Z naukowego punktu widzenia postęp w tej dziedzinie był niewielki aż do niedawna Łasław Brukner na Uniwersytecie Wiedeńskim pokazały, że przy pewnych założeniach pomysł Wignera można użyć do formalnego udowodnienia że pomiary w mechanice kwantowej są subiektywne dla obserwatorów.
Brukner zaproponował sposób przetestowania tego pojęcia, tłumacząc scenariusz przyjaciela Wignera na ramy pierwszy ustalony przez fizyka Johna Bella w 1964 roku. Brukner rozważał dwie pary Wignerów i przyjaciół, w dwóch oddzielnych pudełkach, przeprowadzających pomiary na wspólnym stanie - wewnątrz i na zewnątrz ich odpowiedniego pudełka. Wyniki można podsumować, aby ostatecznie posłużyć do oceny tzw „Nierówność dzwonka”. Jeśli ta nierówność zostanie naruszona, obserwatorzy mogą mieć alternatywne fakty.
Teraz po raz pierwszy przeprowadziliśmy ten test eksperymentalnie na Uniwersytecie Heriot-Watt w Edynburgu na komputerze kwantowym małej skali składającym się z trzech par splątanych fotonów. Pierwsza para fotonów reprezentuje monety, a pozostałe dwie służą do rzutu monetą – pomiaru polaryzacji fotonów – wewnątrz odpowiednich pudełek. Poza dwoma pudełkami po każdej stronie pozostają dwa fotony, które również można zmierzyć.
Badacze z eksperymentem. Autor pod warunkiem
Pomimo zastosowania najnowocześniejszej technologii kwantowej zebranie wystarczającej ilości danych z zaledwie sześciu fotonów zajęło tygodnie, aby wygenerować wystarczającą liczbę statystyk. Ale w końcu udało nam się wykazać, że mechanika kwantowa rzeczywiście może być niezgodna z założeniem obiektywnych faktów – naruszyliśmy nierówność!
Teoria opiera się jednak na kilku założeniach. Należą do nich fakt, że na wyniki pomiarów nie mają wpływu sygnały poruszające się z prędkością większą od prędkości światła oraz że obserwatorzy mogą swobodnie wybierać, jakie pomiary wykonać. Może tak być lub nie.
Innym ważnym pytaniem jest to, czy pojedyncze fotony można uznać za obserwatorów. W propozycji teorii Bruknera obserwatorzy nie muszą być świadomi, muszą jedynie umieć ustalić fakty w postaci wyniku pomiaru. Nieożywiony detektor byłby zatem ważnym obserwatorem. A podręcznikowa mechanika kwantowa nie daje nam powodu, by sądzić, że detektora, który może być tak mały jak kilka atomów, nie należy opisywać jako obiektu kwantowego, tak jak foton. Możliwe jest również, że standardowa mechanika kwantowa nie ma zastosowania w dużych skalach, ale testowanie tego jest osobnym problemem.
Może istnieć wiele światów. Nikk/Flickr, CC BY-SA
Eksperyment ten pokazuje zatem, że przynajmniej w przypadku lokalnych modeli mechaniki kwantowej musimy przemyśleć nasze pojęcie obiektywności. Wydaje się, że fakty, których doświadczamy w naszym makroskopowym świecie, pozostają bezpieczne, ale pojawia się główne pytanie, w jaki sposób istniejące interpretacje mechaniki kwantowej mogą uwzględniać subiektywne fakty.
Niektórzy fizycy postrzegają te nowe osiągnięcia jako wzmacniające interpretacje, które pozwalają na wystąpienie więcej niż jednego wyniku dla obserwacji, na przykład istnienie wszechświatów równoległych w którym dzieje się każdy wynik. Inni postrzegają to jako przekonujący dowód na teorie z natury zależne od obserwatora, takie jak Bayesianizm kwantowy, w którym działania i doświadczenia agenta są głównymi zagadnieniami teorii. Ale jeszcze inni uważają to za mocną wskazówkę, że być może mechanika kwantowa załamie się powyżej pewnych skal złożoności.
Oczywiście są to głęboko filozoficzne pytania dotyczące fundamentalnej natury rzeczywistości. Niezależnie od odpowiedzi, czeka nas ciekawa przyszłość.
O autorach
Alessandro Fedrizzi, profesor fizyki kwantowej, Heriot-Watt University i Massimiliano Proietti, doktorant fizyki kwantowej, Heriot-Watt University
Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.
Książki o poprawie wydajności z listy bestsellerów Amazon
„Szczyt: Sekrety nowej nauki wiedzy specjalistycznej”
autorstwa Andersa Ericssona i Roberta Poola
W tej książce autorzy opierają się na swoich badaniach w dziedzinie wiedzy specjalistycznej, aby zapewnić wgląd w to, jak każdy może poprawić swoje wyniki w dowolnej dziedzinie życia. Książka oferuje praktyczne strategie rozwijania umiejętności i osiągania mistrzostwa, z naciskiem na przemyślaną praktykę i informacje zwrotne.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Atomowe nawyki: łatwy i sprawdzony sposób na budowanie dobrych nawyków i przełamywanie złych”
autorstwa Jamesa Cleara
Ta książka oferuje praktyczne strategie budowania dobrych nawyków i łamania złych, z naciskiem na małe zmiany, które mogą prowadzić do wielkich rezultatów. Książka opiera się na badaniach naukowych i rzeczywistych przykładach, aby zapewnić praktyczne rady dla każdego, kto chce poprawić swoje nawyki i osiągnąć sukces.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Nastawienie: nowa psychologia sukcesu”
przez Carol S. Dweck
W tej książce Carol Dweck bada koncepcję nastawienia i tego, jak może ono wpłynąć na nasze wyniki i powodzenie w życiu. Książka oferuje wgląd w różnicę między nastawieniem na trwałość a nastawieniem na rozwój oraz przedstawia praktyczne strategie rozwijania nastawienia na rozwój i osiągania większych sukcesów.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Siła nawyku: dlaczego robimy to, co robimy w życiu i biznesie”
przez Charlesa Duhigg
W tej książce Charles Duhigg bada naukę stojącą za kształtowaniem nawyków i sposób, w jaki można ją wykorzystać do poprawy naszych wyników we wszystkich dziedzinach życia. Książka oferuje praktyczne strategie rozwijania dobrych nawyków, łamania złych i wprowadzania trwałych zmian.
Kliknij, aby uzyskać więcej informacji lub zamówić
„Mądrzejszy, szybszy, lepszy: Sekrety produktywności w życiu i biznesie”
przez Charlesa Duhigg
W tej książce Charles Duhigg bada naukę o produktywności i o tym, jak można ją wykorzystać do poprawy naszych wyników we wszystkich dziedzinach życia. Książka opiera się na rzeczywistych przykładach i badaniach, aby zapewnić praktyczne porady dotyczące osiągania większej produktywności i sukcesu.
