Парадокс Вигнера: что нужно знать о двойственности реальности?

Квантовая механика странная, она противоречит здравому смыслу. Результаты исследования, проведенного в 2019 году показали, что итоги различных процессов в квантовом мире зависят от наблюдателя. Еще в 1960-х гг. американский физик венгерского происхождения Юджин Вигнер усложнил знаменитый мысленный эксперимент кота Шредингера, в котором кошка оказывается запертой в коробке с ядом, который высвобождается при распаде радиоактивного атома. Радиоактивность – это квантовый процесс, поэтому история гласит, что атом в коробке и распался и не распался одновременно, оставив несчастное животное в подвешенном состоянии между жизнью и смертью – так называемой квантовой суперпозиции. Но каково это, быть одновременно живым и мертвым?

Парадокс Вигнера – усложненный эксперимент кота Шредингера. Вигнер ввел категорию "друзей" в результате чего кот в коробке остается жив.

Квантовый парадокс

Представьте человека, запертого в лаборатории и измеряющего квантовую систему. Вигнер утверждал, что абсурдно говорить, что он существует в суперпозиции (так как одновременно видит и не видит распад атома), пока дверь лаборатории закрыта. Мысленный эксперимент показывает, что вещи могут стать очень странными, если наблюдатель наблюдает за наблюдателями.

Квантовый физик из университета Гриффита в Брисбене (Австралия) Нора Тишлер и ее коллеги провели версию эксперимента Вигнера, объединив классический мысленный эксперимент с другой квантовой теорией – квантовой запутанностью – феноменом, связывающим частицы на огромных расстояниях. Исследователи также вывели новую теорему, которая накладывает самые сильные ограничения на фундаментальную природу реальности. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Издание Scientific American приводит слова физика-теоретика Эфраима Штейнберга из университета Торонто, который не принимал участия в исследовании, о том, что новая работа является «важным шагом вперед в области экспериментальной метафизики.»

Пока за квантовой системой не наблюдают, она не обязательно будет обладать определенными свойствами.

Квантовая вероятность

До 1920-х годов физики с уверенностью предсказывали результаты экспериментов. Но квантовая теория, по-видимому, изначально вероятностна: до тех пор, пока свойства системы не будут измерены, они могут охватывать мириады значений. Эта суперпозиция коллапсирует в одно состояние только при наблюдении за системой, и физики не могут точно предсказать, каким будет это состояние. Вигнер придерживался популярной тогда точки зрения, что сознание каким-то образом вызывает коллапс суперпозиции. Таким образом, его гипотетический друг определит результат, когда он или она произведут измерения – и Вигнер никогда не увидит его или ее в суперпозиции.

С тех пор эта точка зрения вышла из моды. «Люди, занимающиеся основами квантовой механики, быстро отвергают точку зрения Вигнера как призрачную и неопределенную, потому что она делает наблюдателей особенными»,-говорит Дэвид Чалмерс, философ и когнитивист из Нью-Йоркского университета. Сегодня большинство физиков сходятся во мнении, что неодушевленные объекты могут вывести квантовые системы из суперпозиции с помощью процесса, известного как декогеренция.

Конечно, исследователи, пытающиеся манипулировать сложными квантовыми суперпозициями в лаборатории могут обнаружить, что их тяжелая работа разрушается быстрыми частицами воздуха, сталкивающимися с их системами. Поэтому они проводят испытания при ультракоротких температурах и пытаются изолировать аппараты от вибраций.

Отмечу, что за последние десятилетия появилось несколько конкурирующих интерпретаций, наиболее экзотической из которых является точка зрения «многих миров», согласно которой всякий раз, когда вы делаете квантовое измерение, реальность разрушается, создавая параллельные вселенные. Таким образом, друг Вигнера разделился бы на две копии и действительно смог бы измерить нахождение в суперпозиции вне лаборатории.

Альтернативная «Бомовская» теория (названная в честь физика Дэвида Бома) гласит, что на фундаментальном уровне квантовые системы действительно обладают определенными свойствами; мы просто недостаточно знаем об этих системах, чтобы точно предсказать их поведение. Другая интригующая интерпретация называется ретрокаузальностью. Согласно ей события в будущем влияют на прошлое.

Проблема в том, что каждая интерпретация одинаково хороша или плоха в предсказании результатов квантовых тестов, поэтому выбор между ними – дело вкуса. Никто не знает, что это за решение. Мы даже не знаем, является ли список возможных решений, которыми мы располагаем, исчерпывающим.

Квантовая физика похожа на магию

Другие модели, называемые теориями коллапса, действительно дают проверяемые предсказания. Эти модели опираются на механизм, который заставляет квантовую систему коллапсировать, когда она становится слишком большой, одновременно объясняя, почему кошки, люди и другие макроскопические объекты не могут находиться в суперпозиции. Ведутся эксперименты по поиску сигнатур таких коллапсов, но пока исследователи ничего не нашли. Квантовые физики также помещают все более крупные объекты в суперпозицию: в 2019 команда в Вене сообщила, что делает это с молекулой в 2000 атомов.

Большинство квантовых интерпретаций гласят, что нет никаких причин, по которым эти усилия по сверхразмерным суперпозициям не должны продолжаться вечно, предполагая, что исследователи могут разработать правильные эксперименты в первозданных лабораторных условиях, чтобы избежать декогеренции.

Теории коллапса, однако, утверждают, что однажды будет достигнут предел, независимо от того, насколько тщательно подготовлены эксперименты.

Наблюдатель за наблюдателями

Тишлер и ее коллеги были вдохновлены новой волной теоретических и экспериментальных работ, которые исследовали роль наблюдателя в квантовой теории, привнося запутанность в классический эксперимент Вигнера. Предположим, вы берете две частицы света или фотоны, которые поляризованы таким образом, что могут вибрировать горизонтально или вертикально. Фотоны также могут быть помещены в суперпозицию вибрирующих как горизонтально, так и вертикально одновременно, точно так же, как парадоксальный Кот Шредингера может быть как живым, так и мертвым – но ровно до того момента, как за ним установлено наблюдение.

В общем и целом исследователи в очередной раз подтверждают – квантовая физика сродни магии.