• Вы находитесь тут:
  • Bad Android
  • Блоги
  • Квантовая механика: эксперимент Алисы, Боба и друзей

Квантовая механика: эксперимент Алисы, Боба и друзей

Квантовая механика, как успешная теория делает удивительно точные предсказания о природе мира в микроскопических масштабах. То о чем спорили в течение почти столетия стало реальностью.

Квантовый парадокс

Существуют бесчисленные толкования, которые предлагают свои собственные взгляды на этот вопрос, каждое из которых требует от нас принятия определенных, еще не подтвержденных утверждений, а следовательно, и предположений о природе реальности.

Теперь новый мысленный эксперимент сталкивается с этими допущениями и встряхивает основы квантовой физики. Эксперимент явно странный. Например, это требует проведения измерений, которые могут стереть любую память о событии, которое только что наблюдалось. Хотя это невозможно для людей, квантовые компьютеры могут быть использованы для проведения этого странного эксперимента и потенциально различают различные интерпретации квантовой физики.

«Время от времени вы получаете документ, который заставляет всех думать и обсуждать, и это один из таких случаев», — сказал Мэтью Лейфер, квантовый физик из Университета Чепмена в Оранже, штат Калифорния, — «это мысленный эксперимент, который будет добавлен в канон странных вещей, о которых мы думаем в квантовых основах».

Эксперимент, разработанный Даниэлой Фраучигер и Ренато Реннером из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, предполагает ряд предположений, которые на первый взгляд кажутся вполне разумными.

Но эксперимент приводит к противоречиям, предполагая, что, по крайней мере, одно из предположений неверно. Выбор того, какое предположение окажется, имеет значение для нашего понимания квантового мира и указывает на возможность того, что квантовая механика не является универсальной теорией и поэтому не может быть применена к сложным системам, таким как люди.

Квантовые физики общеизвестно разделены, когда дело доходит до правильной интерпретации уравнений, которые используются для описания квантовых событий. Но в новом мысленном эксперименте ни один взгляд на квантовый мир не остается невредимым. Каждый попадает в противоречие с тем или иным предположением. Может ли что-то совершенно новое ожидать нас в нашем поиске неоспоримого описания реальности?

Квантовая теория работает очень хорошо в масштабе фотонов, электронов, атомов, молекул, даже макромолекул. Но применимо ли это к системам, которые намного больше макромолекул? «Мы не установили экспериментально тот факт, что квантовая механика применяется в более крупных масштабах, а более крупный означает даже что-то размером с вирус или маленькую клетку», — сказал Реннер. «В частности, мы не знаем, распространяется ли оно на объекты размером с человека и на объекты размером с черные дыры».

Несмотря на отсутствие эмпирических данных, физики считают, что квантовая механика может использоваться для описания систем всех масштабов, то есть универсальных.

Чтобы проверить это утверждение, Фраучигер и Реннер придумали свой мысленный эксперимент, который является продолжением того, о чем физик Юджин Вигнер впервые продумал в 1960-х годах. Новый эксперимент показывает, что в квантовом мире два человека могут в конечном итоге не согласиться с, казалось бы, неопровержимым результатом, таким как результат броска монеты, предполагая, что что-то не так с предположениями о квантовой реальности.

Юджин Вигнер, венгерско-американский физик-теоретик, одна из ключевых фигур развития квантовой теории. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1963 году. (Национальная лаборатория Ок-Риджа, Департамент энергетики США)

В стандартной квантовой механике квантовая система, такая как субатомная частица, представлена ​​математической абстракцией, называемой волновой функцией. Физики вычисляют, как волновая функция частицы развивается со временем.

Но волновая функция не дает нам точного значения для какого-либо свойства частицы, например ее положения. Если мы хотим знать, где находится частица, значение волновой функции в любой точке пространства и времени позволяет нам только рассчитать вероятность нахождения частицы в этой точке, если мы решим посмотреть. Прежде чем мы посмотрим, волновая функция распределена, и она дает разные вероятности для частицы, находящейся в разных местах. Говорят, что частица находится в квантовой суперпозиции, находясь во многих местах одновременно.

В более общем смысле, квантовая система может находиться в суперпозиции состояний, где «состояние» может относиться к другим свойствам, таким как вращение частицы. Большая часть мысленного эксперимента Фраухигера-Реннера включает в себя манипулирование сложными квантовыми объектами — возможно, даже людьми — которые оказываются в суперпозиции состояний.

В эксперименте участвуют четыре агента: Алиса, друг Алисы, Боб и друг Боба. Друг Алисы находится в лаборатории, проводящей измерения на квантовой системе, а Алиса находится снаружи, наблюдая за лабораторией и ее другом. Друг Боба тоже находится в другой лаборатории, и Боб наблюдает за своим другом и лабораторией, рассматривая их обеих как одну систему.

В первой лаборатории друг Алисы измеряет то, что фактически представляет собой бросок монеты, предназначенный для того, чтобы подниматься орлом в одну треть времени и в две трети времени. Если жеребьевка поднимается орлом, друг Алисы готовит частицу с вращением, направленным вниз, но если жеребьевка поднимается решкой, она готовит частицу в суперпозиции равных частей, вращается вверх и вращается вниз.

Друг Алисы отправляет частицу другу Боба, который измеряет вращение частицы. Основываясь на результате, друг Боба теперь может сделать утверждение о том, что подруга Алисы увидела в ее броске монеты. Например, если он находит вращение частицы вверх, он знает, что монета выпала решкой.

Эксперимент продолжается. Алиса измеряет состояние своего друга и своей лаборатории, рассматривая все это как одну квантовую систему, и использует квантовую теорию для предсказаний. Боб делает то же самое со своим другом и лабораторией. Вот первое предположение: агент может анализировать другую систему, даже сложную, включая других агентов, используя квантовую механику. Другими словами, квантовая теория универсальна, и все во вселенной, включая целые лаборатории (и ученых внутри них), следует правилам квантовой механики.

Это предположение позволяет Алисе рассматривать своего друга и лабораторию как единую систему и проводить специальный тип измерения, который помещает всю лабораторию, включая ее содержимое, в суперпозицию состояний. Это не простое измерение, и в этом заключается странность мысленного эксперимента.

Процесс лучше всего понять, если рассмотреть один фотон, который находится в суперпозиции поляризации по горизонтали и вертикали. Допустим, вы измерили поляризацию и обнаружили, что она вертикально поляризована.

Теперь, если вы продолжаете проверять, является ли фотон вертикально поляризованным, вы всегда обнаружите, что это так. Но если вы измеряете вертикально поляризованный фотон, чтобы увидеть, поляризован ли он в другом направлении, скажем, под углом 45 градусов к вертикали, вы обнаружите, что есть 50-процентная вероятность, что это так, и 50-процентная вероятность, что это не так. Теперь, если вы вернетесь к измерению того, что вы считали вертикально поляризованным фотоном, вы обнаружите, что есть шанс, что он вообще больше не будет вертикально поляризован — скорее, он станет горизонтально поляризованным.

Это все очень хорошо для отдельной частицы, и такие измерения были полностью проверены в реальных экспериментах. Но в мысленном эксперименте Фраучигер и Реннер хотят сделать нечто подобное со сложными системами.

Ренато Реннер, физик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе, разработал парадокс совместе с Даниэлой Фраучигер, которая вскоре после этого покинула академию. (ETH Цюрих / Джулия Марталер)

На этой стадии эксперимента друг Алисы уже видел, как монета поднимается либо орлом, либо решкой. Но сложное измерение Алисы ставит лабораторию, включая друга, в суперпозицию наблюдения. Учитывая это странное состояние, это также хорошо, что эксперимент не требует ничего от друга Алисы.

Алиса, основываясь на своем сложном измерении, которое может быть либо ДА, либо НЕТ, может сделать вывод о результате измерения, сделанного другом Боба. С помощью квантовой механики она может сделать вывод, что друг Боба, должно быть, обнаружил, что вращение частицы орлом, и, следовательно, что друг Алисы получил решки в ее броске монеты.

Это утверждение Алисы требует другого предположения о ее использовании квантовой теории. Мало того, что она рассуждает о том, что она знает, но она рассуждает о том, как друг Боба использовал квантовую теорию, чтобы прийти к своему заключению о результате броска монеты. Алиса делает этот вывод самостоятельно. Это предположение о согласованности утверждает, что предсказания, сделанные различными агентами с использованием квантовой теории, не противоречат друг другу.

Тем временем Боб может сделать столь же сложное измерение на своем друге и его лаборатории, поместив их в квантовую суперпозицию. Ответ снова может быть ДА или НЕТ. Если Боб получает ДА, измерение рассчитано таким образом, чтобы он мог заключить, что подруга Алисы видела орла в ее броске монеты.

Понятно, что Алиса и Боб могут проводить измерения и сравнивать свои утверждения о результате броска монеты. Но это предполагает другое предположение: если измерение агента говорит о том, что подбрасывание монеты выпало орлом, то противоположный факт — что подбрасывание монеты выпало решкой — не может быть одновременно истинным.

Противоречие. Когда Алиса получает ДА ​​за свое измерение, она приходит к выводу, что бросок монеты выпал решкой, а когда Боб получает ДА ​​для своего измерения, он делает вывод, что бросок монеты выпал орлом.

Большую часть времени Алиса и Боб получат противоположные ответы. Но Фраучигер и Реннер показали, что в 1/12 случаев и Алиса, и Боб получат ДА в ходе одного и того же эксперимента, в результате чего они не согласятся, есть ли у друга Алисы монеты орлом или решкой. «Итак, они оба говорят о прошедшем событии, и они оба уверены, что это было, но их заявления совершенно противоположны», — сказал Реннер. «И это противоречие. Это показывает, что что-то должно быть не так.

Это привело Фраучигера и Реннера к утверждению, что одно из трех предположений, лежащих в основе мысленного эксперимента, должно быть неверным.

«На этом наука останавливается. Мы просто знаем, что одно из трех утверждений неверно, и мы не можем дать хороший аргумент в отношении того, какой из них нарушен», — сказал Реннер. «Теперь это вопрос интерпретации и вкуса».

К счастью, существует множество толкований квантовой механики, и почти все они связаны с тем, что происходит с волновой функцией при измерении. Перед измерением мы можем говорить только с точки зрения вероятностей, скажем, нахождения частицы где-либо. При измерении частица принимает определенное местоположение. В копенгагенской интерпретации измерение вызывает коллапс волновой функции, и мы не можем говорить о свойствах, таких как положение частицы, до коллапса. Некоторые физики рассматривают копенгагенскую интерпретацию, как аргумент, что свойства нереальны, пока не измерены.

Эта форма «антиреализма» была анафемой для Эйнштейна, как и для некоторых квантовых физиков сегодня. Так же как и понятие измерения, вызывающее коллапс волновой функции, особенно потому, что в копенгагенской интерпретации неясно, что именно представляет собой измерение. Альтернативные интерпретации или теории в основном пытаются продвигать реалистическое представление о том, что квантовые системы обладают свойствами, независимыми от наблюдателей и измерений, или избегать коллапса, вызванного измерением, или обоих.

Например, интерпретация многих миров берет эволюцию волновой функции по номиналу и отрицает, что она когда-либо разрушается. Если бросок квантовой монеты может быть либо орлом, либо решкой, то в сценарии с множеством миров происходят оба результата, каждый в другом мире. Учитывая это, предположение о том, что для измерения есть только один результат, и что если подбрасывание монеты является орлом, оно не может быть одновременно решкой, становится несостоятельным.

Во многих мирах результатом броска монеты являются как орлом, так и решкой, и поэтому тот факт, что Алиса и Боб могут иногда получать противоположные ответы, не является противоречием.

«Я должен признать, что если бы вы спросили меня два года назад, я бы сказал, что [наш эксперимент] просто показывает, что многие миры — это действительно хорошая интерпретация, и вы должны отказаться — требование, чтобы измерения имели только один результат» — сказал Реннер.

Это также точка зрения физика-теоретика Дэвида Дойча из Оксфордского университета, который узнал о работе Фраухигера-Реннера.

В этой версии статьи авторы предпочитали сценарий многих миров. Дойч считает, что мысленный эксперимент продолжит поддерживать многие миры. «Мое предположение, вероятно, заключается в том, что это убивает версии квантовой теории, связанные с коллапсом волновых функций или единой вселенной, но они уже были мертвыми», — сказал он. «Я не уверен, с какой целью он снова атакует их более мощным оружием».

Реннер, однако, передумал. Он считает, что предположение, скорее всего, неверно, это идея, что квантовая механика универсально применима.

Это предположение нарушается, например, так называемыми теориями спонтанного коллапса, которые, как следует из названия, приводят аргументы в пользу спонтанного и случайного коллапса волновой функции, но независимой от измерения. Эти модели гарантируют, что небольшие квантовые системы, такие как частицы, могут оставаться в суперпозиции состояний почти вечно, но по мере того, как системы становятся более массивными, становится все более вероятным, что они самопроизвольно разрушатся до классического состояния. Измерения просто обнаруживают состояние разрушенной системы.

В теориях спонтанного коллапса квантовая механика больше не может быть применена к системам, превышающим некоторую пороговую массу. И хотя эти модели еще не проверены эмпирически, они также не исключены.

Николас Гизен из Женевского университета поддерживает теории спонтанного коллапса, как способ разрешения противоречия в эксперименте Фраучигера-Реннера. «Я выхожу из их головоломки, говоря: «Нет, в какой-то момент принцип суперпозиции больше не действует «, — сказал он.

Если вы хотите придерживаться предположения, что квантовая теория универсально применима, и что измерения имеют только один результат, то вы должны отказаться от оставшегося предположения о согласованности: предсказания, сделанные различными агентами, использующими квантовую теорию, не будет противоречивой.

Используя слегка измененную версию эксперимента Фраухигера-Реннера, Лейфер показал, что это окончательное предположение или его вариант должны применяться, если верны теории копенгагенского стиля.

В анализе Лайфера эти теории имеют определенные атрибуты в том смысле, что они универсально применимы, антиреалистичны (это означает, что квантовые системы не имеют четко определенных свойств, таких как положение, перед измерением) и завершены (это означает, что скрытых нет). Учитывая эти признаки, его работа подразумевает, что не существует единого результата данного измерения, который объективно справедлив для всех наблюдателей. Так что, если детектор щелкнул друга Алисы в лаборатории, это объективный факт для него, но не для Алисы, которая находится за пределами лаборатории и моделирует всю лабораторию, используя квантовую теорию. Результаты измерений зависят от точки зрения наблюдателя.

«Если вы хотите сохранить копенгагенский тип взгляда, кажется, что лучший шаг к этой перспективной версии», — сказал Лейфер.

Он указывает, что некоторые интерпретации, такие как квантовое байесианство или QBism, уже приняли позицию, что результаты измерений субъективны для наблюдателя.

Реннер считает, что отказ от этого предположения полностью разрушил бы способность теории быть эффективной как средство, позволяющее агентам узнавать о состоянии знаний друг друга; такая теория может быть отклонена, как солипсистская.

Таким образом, любая теория, которая движется в направлении субъективности фактов, должна восстанавливать некоторые средства передачи знаний, которые удовлетворяют двум противоположным ограничениям. Во-первых, он должен быть достаточно слабым, чтобы не провоцировать парадокс, наблюдаемый в эксперименте Фраучигера-Реннера. Тем не менее, он также должен быть достаточно сильным, чтобы избежать обвинений в солипсизме. Никто еще не сформулировал такую ​​теорию, чтобы все были довольны.

Эксперимент Фраучигера-Реннера порождает противоречия среди трех, казалось бы, разумных предположений. По словам Роба Спеккенса из Института теоретической физики, Канада, сделана попытка объяснить, как различные интерпретации квантовой теории нарушают предположения, была «чрезвычайно полезным упражнением».

«Этот мысленный эксперимент является отличной линзой, с помощью которой можно исследовать различия мнений между различными лагерями по интерпретации квантовой теории», — сказал Спеккенс. «Я не думаю, что на самом деле исключены варианты, которые люди одобряли до начала работы, но он четко прояснил, во что должны верить разные интерпретационные лагеря, чтобы избежать этого противоречия. Это помогло прояснить позицию людей по некоторым из этих вопросов».

Учитывая, что теоретики не могут отличить интерпретации друг от друга, экспериментаторы думают о том, как осуществить мысленный эксперимент, в надежде на дальнейшее освещение проблемы. Но это будет сложной задачей, потому что эксперимент выдвигает некоторые странные требования. Например, когда Алиса проводит особые измерения в отношении своего друга и его лаборатории, она помещает все, включая мозг друга, в суперпозицию состояний.

Математически это сложное измерение аналогично первому обращению эволюции системы во времени — так, что память агента стирается, а квантовая система (такая как частица, которую измерял агент) возвращается в исходное состояние — и затем выполнил более простое измерение только для частицы, сказал Говард Уайзман из Университета Гриффит в Брисбене, Австралия. Измерение может быть простым, но, как указывает Гизин, довольно дипломатично, «обращение агента, включая мозг и память этого агента, является тонкой частью».

Тем не менее, Гизин не упускает возможности, что однажды эксперимент можно будет провести с использованием сложных квантовых компьютеров в качестве агентов внутри лабораторий (выступая в роли друга Алисы и друга Боба).

В принципе, временная эволюция квантового компьютера может быть обращена вспять. Одна возможность состоит в том, что такой эксперимент будет повторять предсказания стандартной квантовой механики, даже когда квантовые компьютеры становятся все более и более сложными. Но это не так. «Другой альтернативой является то, что в какой-то момент, когда мы разрабатываем эти квантовые компьютеры, мы достигаем границы принципа суперпозиции и [обнаруживаем], что на самом деле квантовая механика не универсальна», — сказал Гисин.

Лейфер, со своей стороны, тянется к чему-то новому. «Я думаю, что правильная интерпретация квантовой механики не является чем-то из вышеперечисленного», — сказал он.

Он сравнивает текущую ситуацию с квантовой механикой до того времени, когда Эйнштейн выдвинул свою специальную теорию относительности. Эксперименталисты не обнаружили никаких признаков «светоносного эфира» — среды, через которую, как предполагалось, распространяются световые волны в ньютоновской вселенной. Эйнштейн утверждал, что нет эфира. Вместо этого он показал, что пространство и время податливы. «До Эйнштейна я не мог вам сказать, что структура пространства и времени должна была измениться», — сказал Лейфер.

Квантовая механика сейчас в похожей ситуации, считает он. «Вполне вероятно, что мы делаем неявное предположение о том, каким должен быть мир, что просто не соответствует действительности», — сказал он. «Как только мы изменим это, как только мы изменим это предположение, все внезапно станет на свои места. Это своего рода надежда. Любой, кто скептически относится ко всем интерпретациям квантовой механики, должен думать примерно так.

0

Комментарии


Чтобы оставить комментарий, пожалуйста, авторизируйтесь!
  • Вы находитесь тут:
  • Bad Android
  • Блоги
  • Квантовая механика: эксперимент Алисы, Боба и друзей
  • Вы находитесь тут:
  • Bad Android
  • Блоги
  • Квантовая механика: эксперимент Алисы, Боба и друзей