Издаёт ли звук упавшее в лесу дерево, если звук его падения никто не слышит? Некоторые считают, что, возможно, нет.
А если кто-нибудь услышит? Если вы думаете, что это означает, что звук действительно был, вам, возможно, придётся пересмотреть это мнение.
Обнаружен новый парадокс в квантовой механике (одной из двух самых фундаментальных научных теорий вместе с теорией относительности Эйнштейна), который ставит под сомнение некоторые здравые представления о физической реальности, пишет один из авторов работы доцент Эрик Кавальканти (Eric Cavalcanti) из Университета Гриффита в Австралии.
Anthony Dunnigan, CC BY-NC-N
Квантовая механика против здравого смысла
Взгляните на эти три утверждения:
- Когда кто-то наблюдает за происходящим событием, оно действительно произошло.
- Можно делать свободный выбор или, по крайней мере, статистически случайный выбор.
- Выбор, сделанный в одном месте, не может мгновенно повлиять на отдалённое событие (физики называют это «локальностью»).
Всё это интуитивные идеи и они широко распространены даже среди физиков. Но исследование, опубликованное в Nature Physics, показывает, что все вместе они не могут быть правдой — иначе квантовая механика должна на каком уровне потерпеть неудачу.
Это самый сильный результат из длинной серии открытий в квантовой механике, перевернувших наши представления о реальности. Чтобы понять, почему это так важно, давайте вспомним историю.
Битва за реальность
Квантовая механика очень хорошо работает для описания поведения крошечных объектов, таких как атомы или частицы света (фотоны). Но такое поведение очень странное.
Во многих случаях квантовая теория не даёт однозначных ответов на такие вопросы, как «где сейчас эта частица?». Вместо этого она даёт только вероятность того, где частица может быть найдена при наблюдении.
Согласно Нильсу Бору (Niels Bohr), одному из основателей теории столетие назад, причиной этому является не недостаток информации, а то, что физические свойства, такие как «положение», на самом деле не существуют, пока они не измерены.
Более того, поскольку некоторые свойства частицы, такие как положение и скорость, нельзя полностью наблюдать одновременно, они не могут быть реальными одновременно.
Альберт Эйнштейн (Albert Einstein) посчитал эту идею несостоятельной. В статье 1935 года, написанной с коллегами-теоретиками Борисом Подольским и Натаном Розеном (Boris Podolsky и Nathan Rosen), он утверждал, что в реальности должно быть нечто большее, чем может описать квантовая механика.
В статье рассматривалась пара дистанцированных частиц в особом состоянии, теперь известном как «запутанность». Когда одно и то же свойство (скажем, положение или скорость) измеряется на обеих запутанных частицах, результат будет случайным, но между результатами для каждой частицы будет корреляция.
Например, наблюдатель, измеряющий положение первой частицы, может идеально предсказать результат измерения положения дистанцированной частицы, даже не касаясь её. Или же наблюдатель может вместо этого предсказать скорость. Вопреки интерпретации Бора, они утверждали, что этому есть естественное объяснение, что оба свойства существовали до измерения.
Однако в 1964 году физик из Северной Ирландии Джон Белл (John Bell) обнаружил, что аргумент Эйнштейна не работает, если провести более сложную комбинацию различных измерений этих двух частиц.
Белл показал, что если два наблюдателя случайным образом и независимо выбирают между измерением того или иного свойства своих частиц, например, положения или скорости, усредненные результаты не могут быть объяснены никакой теорией, где и положение, и скорость были уже существующими локальными свойствами.
Это звучит невероятно, но эксперименты убедительно продемонстрировали, что корреляции Белла действительно имеют место. Для многих физиков это свидетельство того, что Бор был прав: физические свойства не существуют, пока они не измерены.
Но возникает важный вопрос: что такого особенного в «измерении»?
Наблюдающий наблюдатель
В 1961 году венгерско-американский физик-теоретик Юджин Вигнер (Eugene Wigner) разработал мысленный эксперимент, чтобы показать, что такого сложного в идее измерения.
Он рассмотрел ситуацию, в которой его друг входит в герметично закрытую лабораторию и выполняет измерение квантовой частицы — скажем, её положения.
Вигнер заметил, что если бы он применил уравнения квантовой механики для описания этой ситуации извне, результат был бы совсем другим. С точки зрения Вигнера, друг вместо измерения, делающего положение частицы реальным, запутывается с частицей и заражается неопределённостью, которая его окружает.
Это похоже на знаменитого кота Шредингера — мысленный эксперимент, в котором судьба кошки в коробке оказывается связанной со случайным квантовым событием.
Для Вигнера это был абсурдный вывод. Вместо этого он считал, что при вовлечении сознания наблюдателя запутанность «схлопнется», чтобы сделать наблюдение друга определённым.
Но что, если Вигнер ошибался?
Новый эксперимент группы учёных
В своём исследовании учёные основывались на расширенной версии парадокса друга Вигнера, впервые предложенной Чаславом Брукнером (Časlav Brukner) из Венского университета. В этом сценарии есть два физика, назовём их Алиса и Боб, каждый со своими друзьями (Чарли и Дебби) в двух удалённых лабораториях.
Есть ещё один поворот: Чарли и Дебби сейчас измеряют пару запутанных частиц, подобно экспериментам Белла.
Как и в аргументе Вигнера, уравнения квантовой механики говорят нам, что Чарли и Дебби должны запутаться в наблюдаемых ими частицах. Но поскольку эти частицы уже запутаны друг с другом, Чарли и Дебби должны были запутаться сами — теоретически.
Но что это означает экспериментально?
Эксперимент проходит так: друзья входят в свои лаборатории и измеряют свои частицы. Некоторое время спустя Алиса и Боб подбрасывают по монетке. Если это орёл, они открывают дверь и спрашивают друга, что он видел. Если это решка, они проводят другое измерение.
Это другое измерение всегда даёт положительный результат для Алисы, если Чарли запутан со своей наблюдаемой частицей способом, рассчитанным Вигнером. То же самое с Бобом и Дебби.
Однако при любой реализации этого измерения любая запись о наблюдении их друга внутри лаборатории не может попасть во внешний мир. Чарли или Дебби не будут помнить, что видели что-либо в лаборатории, как если бы они просыпались от полной анестезии.
Но случилось ли это на самом деле, даже если они этого не помнят?
Если три интуитивных идеи в начале этой статьи верны, каждый друг увидел реальный и уникальный результат своих измерений в лаборатории, независимо от того, решила ли Алиса или Боб позже открыть свою дверь. Кроме того, то, что видят Алиса и Чарли, не должно зависеть от того, как приземляется далёкая монета Боба, и наоборот.
Учёные показали, что если бы это было так, были бы пределы корреляции, которую Алиса и Боб могли бы ожидать увидеть между своими результатами. Было также показано, что квантовая механика предсказывает, что Алиса и Боб увидят корреляции, выходящие за эти пределы.
Затем был проведён эксперимент, чтобы подтвердить квантово-механические предсказания, используя пары запутанных фотонов.
theconversation.com/Kok-Wei Bong
Роль измерения каждого друга выполнялась одним из двух путей, по которым каждый фотон может пройти в установке, в зависимости от свойства фотона, называемого «поляризацией». То есть путь «измеряет» поляризацию.
Этот эксперимент на самом деле является лишь доказательством принципа, поскольку «друзья» очень маленькие и простые. Но это открывает вопрос, будут ли те же результаты справедливыми для более сложных наблюдателей.
Возможно, этот эксперимент никогда не удастся провести с настоящими людьми. Но учёные утверждают, что, возможно, однажды удастся убедительно продемонстрировать, что «друг» — это искусственный интеллект человеческого уровня, работающий в массивном квантовом компьютере.
Что все это значит?
Хотя до окончательной проверки могут потребоваться десятилетия, если квантово-механические предсказания останутся верными, это будет иметь серьёзные последствия для нашего понимания реальности — даже в большей степени, чем корреляции Белла. Во-первых, обнаруженные корреляции нельзя объяснить, просто сказав, что физических свойств не существует, пока они не будут измерены.
Теперь ставится под сомнение абсолютная реальность самих результатов измерений.
Полученные результаты вынуждают физиков вплотную заняться проблемой измерения: либо этот эксперимент не масштабируется и квантовая механика уступает место так называемой «объективной теории коллапса», либо одно из трёх предположений здравого смысла должно быть отвергнуто.
Существуют теории, такие как теория де Бройля — Бома, которые постулируют «действие на расстоянии», когда действия могут оказывать мгновенный эффект в любом месте Вселенной. Однако это прямо противоречит теории относительности Эйнштейна.
Некоторые ищут теорию, которая отвергает свободу выбора, но для этого требуется либо обратная причинность, либо, казалось бы, конспиративная форма фатализма, называемая «супердетерминизмом».
Другой способ разрешить конфликт — сделать теорию Эйнштейна ещё более относительной. По мнению Эйнштейна, разные наблюдатели могут расходиться во мнениях относительно того, когда и где что-то происходит, но то, что происходит, является абсолютным фактом.
Однако в некоторых интерпретациях, таких как реляционная квантовая механика, квантовое байесианство или многомировая интерпретация, сами события могут происходить только относительно одного или нескольких наблюдателей. Упавшее дерево, которое наблюдал один, может не быть фактом для всех остальных.
Всё это не означает, что вы можете выбирать свою собственную реальность. Во-первых, вы можете выбирать, какие вопросы задавать, но ответы даёт мир. И даже в реляционном мире, когда два наблюдателя общаются, их реальности переплетаются. Таким образом может возникнуть общая реальность.
Это означает, что если мы оба видим, как падает одно и то же дерево, и вы говорите, что не слышите его, вам может потребоваться слуховой аппарат.
