Новый квантовый парадокс ставит под сомнение основы наблюдаемой реальности

Если дерево падает в лесу и никто его не слышит, издает ли оно звук? Некоторые говорят, что, возможно, нет.

А если кто-нибудь это услышит? Если вы думаете, что это означает, что он действительно звучал, возможно, вам придется пересмотреть это мнение.

Мы обнаружили новый парадокс в квантовой механике — одной из двух наших самых фундаментальных научных теорий вместе с теорией относительности Эйнштейна — который ставит под сомнение некоторые здравые представления о физической реальности.

Все это интуитивные идеи, и они широко распространены даже среди физиков. Но наше исследование, опубликованное в Nature Physics, показывает, что все они не могут быть правдой — иначе квантовая механика должна сломаться на каком-то уровне.

Это самый сильный результат из длинной серии открытий в квантовой механике, перевернувших наши представления о реальности. Чтобы понять, почему это так важно, давайте взглянем на эту историю.

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 дает однозначных ответов на такие вопросы, как «где сейчас эта частица?» Вместо этого он дает только вероятности того, где частица может быть найдена при наблюдении.

Для Нильса Бора, одного из основоположников теории столетие назад, это не потому, что нам не хватает информации, а потому, что физические свойства, такие как «положение», на самом деле не существуют, пока они не будут измерены.

Более того, поскольку некоторые свойства частицы нельзя полностью наблюдать одновременно, такие как положение и скорость, они не могут быть реальными одновременно.

Не меньшая фигура, чем Альберт Эйнштейн, сочла эту идею несостоятельной. В статье 1935 года с другими теоретиками Борисом Подольским и Натаном Розеном он утверждал, что в реальности должно быть нечто большее, чем то, что может описать квантовая механика.

В статье рассматривалась пара далеких частиц в особом состоянии, теперь известном как «запутанное» состояние. Когда одно и то же свойство (скажем, положение или скорость) измеряется на обеих запутанных частицах, результат будет случайным, но будет корреляция между результатами для каждой частицы.

Например, наблюдатель, измеряющий положение первой частицы, может идеально предсказать результат измерения положения далекой частицы, даже не касаясь ее. Или же наблюдатель может вместо этого предсказать скорость. Они утверждали, что это имело естественное объяснение, если оба свойства существовали до измерения, вопреки интерпретации Бора.

Однако в 1964 году физик из Северной Ирландии Джон Белл 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 ни в какой теории, где и положение, и скорость были ранее существовавшими локальными свойствами.

Это звучит невероятно, но эксперименты теперь убедительно продемонстрировали, что корреляции Белла действительно имеют место. Для многих физиков это доказательство того, что Бор был прав: физические свойства не существуют, пока они не измерены.

В 1961 году венгерско-американский физик-теоретик Юджин Вигнер 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, ее положения.

Однако Вигнер заметил, что если бы он применил уравнения квантовой механики для описания этой ситуации извне, результат был бы совсем другим. Вместо того, чтобы измерения друга делали положение частицы реальным, с точки зрения Вигнера, друг запутывается с частицей и заражается неопределенностью, которая его окружает.

Это похоже на знаменитый кот Шредингера, мысленный эксперимент, в котором судьба кошки в ящике связана со случайным квантовым событием.

Для Вигнера это был абсурдный вывод. Вместо этого он считал, что, как только сознание наблюдателя будет вовлечено, запутанность «схлопнется», чтобы сделать наблюдение друга определенным.

В своем исследовании мы основывались на расширенной версии парадокса друга Вигнера, впервые предложенной Чаславом Брукнером из Венского университета. В этом сценарии есть два физика — назовите их Алиса и Боб — каждый со своими друзьями (Чарли и Дебби) в двух удаленных лабораториях.

Есть еще один поворот: Чарли и Дебби сейчас измеряют пару запутанных частиц, как в экспериментах 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 были сцеплены друг с другом, Чарли и Дебби сами должны были запутаться — теоретически.

Наш эксперимент проходит так: друзья входят в свои лаборатории и измеряют свои частицы. Некоторое время спустя Алиса и Боб каждый переворачивают

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*