211service.com
Et kvanteeksperiment antyder at det ikke finnes noe som heter objektiv virkelighet
IBM Research | Flickr
Tilbake i 1961 skisserte den nobelprisvinnende fysikeren Eugene Wigner et tankeeksperiment som demonstrerte et av kvantemekanikkens mindre kjente paradokser. Eksperimentet viser hvordan universets merkelige natur lar to observatører – for eksempel Wigner og Wigners venn – oppleve forskjellige virkeligheter.
Siden den gang har fysikere brukt tankeeksperimentet Wigner's Friend for å utforske målingens natur og for å krangle om objektive fakta kan eksistere. Det er viktig fordi forskere utfører eksperimenter for å etablere objektive fakta. Men hvis de opplever forskjellige realiteter, lyder argumentet, hvordan kan de bli enige om hva disse faktaene kan være?
Det har gitt litt underholdende mat for samtaler etter middagen, men Wigners tankeeksperiment har aldri vært mer enn det - bare et tankeeksperiment.
I fjor la imidlertid fysikere merke til at nyere fremskritt innen kvanteteknologi har gjort det mulig å reprodusere Wigners Friend-testen i et ekte eksperiment. Det burde med andre ord være mulig å skape ulike virkeligheter og sammenligne dem i laboratoriet for å finne ut om de kan forenes.
Og i dag sier Massimiliano Proietti ved Heriot-Watt University i Edinburgh og noen få kolleger at de har utført dette eksperimentet for første gang: de har skapt forskjellige virkeligheter og sammenlignet dem. Konklusjonen deres er at Wigner hadde rett – disse realitetene kan gjøres uforenlige slik at det er umulig å bli enige om objektive fakta om et eksperiment.
Wigners opprinnelige tankeeksperiment er i prinsippet enkelt. Det begynner med et enkelt polarisert foton som, når det måles, kan ha enten en horisontal polarisering eller en vertikal polarisering. Men før målingen, i henhold til kvantemekanikkens lover, eksisterer fotonet i begge polarisasjonstilstandene samtidig – en såkalt superposisjon.
Wigner så for seg en venn i et annet laboratorium som målte tilstanden til dette fotonet og lagret resultatet, mens Wigner observerte langveisfra. Wigner har ingen informasjon om vennens måling og blir derfor tvunget til å anta at fotonet og målingen av det er i en superposisjon av alle mulige utfall av eksperimentet.
Wigner kan til og med utføre et eksperiment for å finne ut om denne superposisjonen eksisterer eller ikke. Dette er et slags interferenseksperiment som viser at fotonet og målingen faktisk er i en superposisjon.
Fra Wigners synspunkt er dette et faktum - superposisjonen eksisterer. Og dette faktum tyder på at en måling ikke kan ha funnet sted.
Men dette er i sterk kontrast til synspunktet til vennen, som faktisk har målt fotonets polarisering og registrert det. Vennen kan til og med ringe Wigner og si at målingen er utført (forutsatt at resultatet ikke avsløres).
Så de to virkelighetene er i strid med hverandre. Dette setter spørsmålstegn ved den objektive statusen til fakta etablert av de to observatørene, sier Proietti og co.
Det er teorien, men i fjor kom Caslav Brukner, ved Universitetet i Wien i Østerrike, opp med en måte å gjenskape Wigners Friend-eksperimentet i laboratoriet ved hjelp av teknikker som involverer sammenfiltring av mange partikler på samme tid.
Gjennombruddet som Proietti og co har fått er å gjennomføre dette. I et toppmoderne 6-foton-eksperiment innser vi dette utvidede Wigners vennscenario, sier de.
De bruker disse seks sammenfiltrede fotonene for å skape to alternative virkeligheter – en som representerer Wigner og en som representerer Wigners venn. Wigners venn måler polarisasjonen til et foton og lagrer resultatet. Wigner utfører deretter en interferensmåling for å bestemme om målingen og fotonet er i en superposisjon.
Eksperimentet gir et entydig resultat. Det viser seg at begge virkelighetene kan eksistere side om side selv om de gir uforsonlige utfall, akkurat som Wigner spådde.
Det reiser noen fascinerende spørsmål som tvinger fysikere til å revurdere virkelighetens natur.
Ideen om at observatører til syvende og sist kan forene sine målinger av en slags fundamental virkelighet er basert på flere antakelser. Den første er at universelle fakta faktisk eksisterer og at observatører kan være enige om dem.
Men det er andre forutsetninger også. Den ene er at observatører har friheten til å gjøre hvilke observasjoner de vil. Og en annen er at valgene en observatør gjør, ikke påvirker valgene andre observatører tar – en antakelse som fysikere kaller lokalitet.
Hvis det er en objektiv virkelighet som alle kan være enige om, så holder alle disse forutsetningene.
Men Proietti og cos resultat antyder at objektiv virkelighet ikke eksisterer. Med andre ord antyder eksperimentet at en eller flere av antakelsene – ideen om at det er en virkelighet vi kan bli enige om, ideen om at vi har valgfrihet eller ideen om lokalitet – må være feil.
Selvfølgelig er det en annen utvei for de som henger på det konvensjonelle synet på virkeligheten. Dette er at det er et annet smutthull som forsøkslederne har oversett. Faktisk har fysikere prøvd å tette smutthull i lignende eksperimenter i årevis, selv om de innrømmer at det kanskje aldri vil være mulig å lukke dem alle.
Likevel har arbeidet viktige implikasjoner for forskernes arbeid. Den vitenskapelige metoden er avhengig av fakta, etablert gjennom gjentatte målinger og enighet om universelt, uavhengig av hvem som observerte dem, sier Proietti og co. Og likevel i samme papir undergraver de denne ideen, kanskje fatalt.
Det neste trinnet er å gå videre: å konstruere eksperimenter som skaper stadig mer bisarre alternative virkeligheter som ikke kan forenes. Hvor dette vil ta oss er noens gjetning. Men Wigner, og vennen hans, ville sikkert ikke bli overrasket.
Ref: arxiv.org/abs/1902.05080 : Eksperimentell avvisning av observatøruavhengighet i kvanteverdenen