Содержание
простыми словами о сути опыта с котом
Наверняка многие сталкивались с этой загадочной формулировкой. А большинство до конца не могли понять, в чем суть дела. Кот Шредингера – это эксперимент, который назван по фамилии создателя, австрийского физика и одного из основоположника квантовой механики. В нашем материале мы просто и кратко рассказываем про смысл эксперимента. Для чего он был нужен?
Эрвин Шредингер – известный физик-теоретик. В 1935 году он решил провести виртуальный эксперимент с котом. Все это, чтобы доказать, что копенгагенская интерпретация суперпозиции (смешения двух состояний) не совсем верна в отношении к квантовой теории.
В чем суть эксперимента?
Шредингер мысленно помещает живого кота в стальную камеру вместе с молотом, флаконом синильной кислоты и очень небольшим количеством радиоактивного вещества. Если хотя бы один атом радиоактивного вещества распадется в течение испытательного периода, механизм реле спустит молот. А вот тот уже перевернет флакон с ядовитым газом и заставит кота умереть.
Для чего Шредингер это придумывает?
В квантовой механике считается, что если за ядром никто и ничто не наблюдает, то он находится в смешанном, неопределенном состоянии. И распавшемся, и не распавшемся сразу. А вот когда появляется наблюдатель, ядро оказывается в одном из состояний. Кстати, эксперимент Шредингера имел цель – выяснить, в какой именно момент «кот одновременно мертвый и живой». А также когда выявляется конкретное состояние. Ученый хочет доказать, что квантовая механика невозможна без тонких деталей. А они определяют, при каких именно условиях случается коллапс волновой функции (изменение состояния). А также определяют, когда объект остается в одном из возможных состояний (никак не в нескольких сразу).
Эрвин Шредингер хотел указать на странное заключение квантовых теоретиков. Они считали, что обычный человек может увидеть истинное состояние материи невооруженным глазом. Копенгагенская интерпретация квантовой физики была доминирующей в то время. Она считала, что атомы или фотоны существуют в нескольких состояниях в один момент (находятся в суперпозиции) и не переходят в определенное, пока они не наблюдаются.
Эксперимент Шредингера гововит о том, что наблюдатель не может знать, распался атом вещества или нет. К тому же наблюдатель не знает, разбился ли флакон и погиб ли кот. В соответствии с копенгагенской интерпретацией, кот будет жив и мертв, пока кто-то не заглянет в коробку. В квантовой механике способность кошки быть живой и мертвой до тех пор, пока ее не наблюдают, называется квантовой неопределенностью или парадоксом наблюдателя. Логика, лежащая в основе парадокса наблюдателя, заключается в том, что наблюдения могут определять результаты.
Шредингер согласился с тем, что суперпозиция существует. Кстати, при его жизни ученые смогли доказать это, изучая интерференцию в световых волнах. Но он задавался вопросом о том, когда на самом деле суперпозиция сменяется определенным состояние. Эксперимент Шредингера заставил людей задаться вопросом. На самом ли деле возможно определить исход жизни кота, открыв коробку (посмотреть на него)?
Но будет кот жив или мертв, даже если коробку не открывать?
Этим парадоксальным мысленным экспериментом Шредингер доказал ошибочность копенгагенской интерпретации в квантовой физике.
Эта интерпретация может срабатывать на микроскопическом уровне. Но к макроскопическому миру она не имеет отношения (кот взят как пример макроскопического мира). То, что ученые знали о природе материи на микроскопическом уровне и то, что люди наблюдают на макроскопическом уровне, еще полностью не изучено. Роль наблюдателя остается важным вопросом в изучении квантовой физики и является бесконечным источником предположений.
Текст: Flytothesky.ru
Читайте также:
Безумные изобретения Теслы, которые опередили свое время
Поделитесь постом с друзьями!
Физики из Йеля выяснили, как можно «спасти» кота Шредингера
https://ria.ru/20190603/1555227523.html
Физики из Йеля выяснили, как можно «спасти» кота Шредингера
Физики из Йеля выяснили, как можно «спасти» кота Шредингера — РИА Новости, 03.06.2019
Физики из Йеля выяснили, как можно «спасти» кота Шредингера
Американские ученые выяснили, как можно предвидеть «непредсказуемые» квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их.
.. РИА Новости, 03.06.2019
2019-06-03T19:32
2019-06-03T19:32
2019-06-03T19:32
наука
сша
йельский университет
открытия — риа наука
альберт эйнштейн
физика
эрвин шредингер
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdnn21.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:321:830:787_1920x0_80_0_0_769f2fc6b6ab2b8511d50cf9ca8e4239.jpg
МОСКВА, 3 июн – РИА Новости. Американские ученые выяснили, как можно предвидеть «непредсказуемые» квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно «спасти» знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.Кот Шредингера — «участник» мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома.
Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин «квантовая суперпозиция» – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу «ящика Шредингера» будет влиять его «классическая» часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.Отсутствие инструментов, позволяющих «увидеть» кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как «суперпозиция» живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух «классических» состояний.
Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и «перепрыгивает» на более высокую позицию, он фактически «телепортируется» с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций. Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные «квантовые прыжки», можно ли их предсказать и манипулировать ими.Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов.
Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.Эти «синтетические» атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, «светлое», ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в «темное» состояние и затем возвращался в изначальную позицию. Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между «светлым» и основным состоянием.Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в «темное» состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в «светлом» состоянии, резко снижалась. Подобные «затмения» были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу «накачки» атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.
Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.
https://ria.ru/20190409/1552521750.html
https://ria.ru/20181213/1547930177.html
https://ria.ru/20170501/1493352186.html
сша
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.
xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
1920
1080
true
1920
1440
true
https://cdnn21.img.ria.ru/images/155522/41/1555224127_0:243:830:865_1920x0_80_0_0_2067c6b7baeff0f44ab9497c425dbba8.jpg
1920
1920
true
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
1
5
4.7
96
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
сша, йельский университет, открытия — риа наука, альберт эйнштейн, физика, эрвин шредингер
Наука, США, Йельский университет, Открытия — РИА Наука, Альберт Эйнштейн, Физика, Эрвин Шредингер
МОСКВА, 3 июн – РИА Новости.
Американские ученые выяснили, как можно предвидеть «непредсказуемые» квантовые переходы внутри атомов и использовать эти данные для того, чтобы обращать их вспять. Подобным образом можно «спасти» знаменитого кота Шредингера от мучительной смерти, пишут ученые в журнале Nature.
«Квантовые переходы в атомах в чем-то похожи на извержения вулканов. Их нельзя предсказать в долгосрочном плане, однако, если правильно следить за подобным объектом, то мы можем получить достаточно точное предупреждение о грядущей катастрофе и начать действовать еще до того, как она произойдет», — рассказывает Златко Минев из Йельского университета (США).
Кот Шредингера — «участник» мысленного эксперимента, который был предложен австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1935 году для демонстрации абсурдности квантовой механики. В его ходе в закрытый ящик помещается кот и механизм, открывающий емкость с ядом в случае распада радиоактивного атома. Это может произойти в любой момент времени, однако точный момент распада не известен.
В соответствии с принципами квантовой физики, кот одновременно и жив, и мертв. Отсюда берет свое начало термин «квантовая суперпозиция» – совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот или другой объект квантового мира. Сегодня физики активно пытаются создать такую кошку Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом.
9 апреля 2019, 16:44Наука
Физики создали квантовый «предсказатель» непредсказуемого будущего
В реальности осуществить подобный эксперимент не так-то просто, если даже это в принципе возможно, так как на работу «ящика Шредингера» будет влиять его «классическая» часть, гравитационное замедление времени и целый ряд других факторов.
Отсутствие инструментов, позволяющих «увидеть» кота Шредингера, заставляет ученых активно спорить о том, где находится граница между квантовой и ньютоновско-эйнштейновской физикой, существует ли она вообще и влияет ли первая на поведение окружающих нас объектов.
Минев и его коллеги заинтересовались не самим четвероногим добровольцем или его коробкой, а более фундаментальной частью этого мысленного эксперимента – тем, как «суперпозиция» живого и мертвого кота совершает так называемый квантовый переход и становится одним из двух «классических» состояний.
Дело в том, что до недавнего времени ученые не знали, как именно происходит этот процесс. Многие физики, такие как Нильс Бор, считали, что квантовые переходы в принципе нельзя предсказать и что они происходят фактически мгновенно.
Грубо говоря, если один из электронов атома получает дополнительную порцию энергии и «перепрыгивает» на более высокую позицию, он фактически «телепортируется» с одного уровня на другой, не двигаясь через пространство. Другие теоретики, в том числе сам Шредингер и Альберт Эйнштейн, не соглашались с этим и считали, что их можно детерминистически просчитать и увидеть.
Только в 1980 годах ученые смогли впервые проследить за реальными переходами внутри атомов и подтвердить, что Бор и его сподвижники были ближе к истине, чем сторонники альтернативных концепций.
Это, как отмечает Минев, однако не закрыло вопроса о том, как именно происходят подобные «квантовые прыжки», можно ли их предсказать и манипулировать ими.
13 декабря 2018, 14:30Наука
Физики создали прозрачную «клетку» для кота Шредингера
Йельские физики и их коллеги из Франции и Новой Зеландии получили ответы на все эти вопросы и одновременно поставили под сомнение теорию Бора, экспериментируя с котами Шредингера, построенными на базе сверхпроводящих кубитов. Они представляют собой искусственные аналоги атома или другие квантовые конструкции, способные хранить в себе одновременно и ноль, и единицу.
Эти «синтетические» атомы, собранные из особых сверхпроводниковых структур, были устроены таким образом, что они могли находиться в двух возбужденных состояниях, одно из которых, «светлое», ученые могли увидеть, а второе оставалось скрытым от наблюдателей.
Кубиты накачивались таким образом, что атом постоянно переходил в «темное» состояние и затем возвращался в изначальную позицию.
Одновременно с этим, ученые дополнительно манипулировали их работой таким образом, что в кубитах возникали аналогичные переходы между «светлым» и основным состоянием.
Наблюдая за работой этой системы, ученые натолкнулись на необычный феномен – перед тем, как атом готовился перейти в «темное» состояние, частота вспышек света, вырабатываемых атомом в «светлом» состоянии, резко снижалась. Подобные «затмения» были очень короткими – их длина составляла всего 45 микросекунд, однако этого времени вполне хватит, чтобы поменять программу «накачки» атома и предотвратить переход электрона в новое состояние.
Это, как показали дальнейшие опыты, можно сделать не просто до начала квантового перехода, а во время него. Подобный результат эксперимента, как считает Минев, говорит о том, что, по крайней мере, часть теории Бора не верна – на самом деле, квантовые переходы не мгновенны и их можно предсказать в краткосрочной перспективе.
Иными словами, жизнь кота Шредингера не обязательно должна всецело зависеть от случая – при определенной сноровке и обстоятельствах, его можно спасти, заключают ученые.
1 мая 2017, 18:09Наука
Российские физики научились «откармливать» котов Шредингера
Что доказал эксперимент с котом Шредингера?
Категория: Физика Опубликовано: 30 июля 2013 г.
Образ общественного достояния, источник: CDC.
«Кот Шредингера» не был настоящим экспериментом и поэтому ничего научно не доказывал. Кот Шредингера даже не является частью какой-либо научной теории. «Кот Шредингера» был просто учебным пособием, которое Шредингер использовал, чтобы проиллюстрировать, как некоторые люди неправильно интерпретируют квантовую теорию. Шредингер построил свой воображаемый эксперимент с кошкой, чтобы продемонстрировать, что простые неверные толкования квантовой теории могут привести к абсурдным результатам, не соответствующим реальному миру. К сожалению, многие популяризаторы науки в наши дни приняли абсурдность кота Шрёдингера и утверждают, что мир действительно устроен именно так.
В квантовой теории квантовые частицы могут одновременно существовать в суперпозиции состояний и коллапсировать в одно состояние при взаимодействии с другими частицами.
Некоторые ученые в то время, когда разрабатывалась квантовая теория (1930-е годы), переместились из области науки в область философии и заявили, что квантовые частицы коллапсируют в одно состояние только тогда, когда их видит сознательный наблюдатель. Шредингер счел эту концепцию абсурдной и разработал свой мысленный эксперимент, чтобы прояснить абсурдный, но логичный результат таких утверждений.
В воображаемом эксперименте Шредингера вы помещаете кошку в коробку с небольшим количеством радиоактивного вещества. Когда радиоактивное вещество распадается, оно запускает счетчик Гейгера, который вызывает выброс яда или взрыв, который убивает кошку. Теперь распад радиоактивного вещества подчиняется законам квантовой механики. Это означает, что атом изначально находится в комбинированном состоянии «распадется» и «не распадется». Если мы применим к этому случаю идею, управляемую наблюдателем, сознательный наблюдатель отсутствует (все находится в запечатанной коробке), поэтому вся система остается комбинацией двух возможностей.
Кошка оказывается и мертвой, и живой одновременно. Поскольку существование кошки, которая одновременно и мертва, и жива, абсурдно и не происходит в реальном мире, этот мысленный эксперимент показывает, что коллапс волновой функции вызван не только сознательными наблюдателями.
Эйнштейн увидел ту же проблему с идеей, управляемой наблюдателем, и поздравил Шредингера с его умной иллюстрацией, сказав: «Эта интерпретация, однако, самым элегантным образом опровергается вашей системой радиоактивного атома + счетчик Гейгера + усилитель + заряд пороха + кот в ящике, в котором пси-функция системы содержит кота как живого, так и разорванного на куски. Может ли состояние кота быть создано только тогда, когда физик исследует ситуацию в какой-то определенный момент времени?»
С тех пор появилось достаточно доказательств того, что коллапс волновой функции вызывается не только сознательными наблюдателями. На самом деле каждое взаимодействие, которое совершает квантовая частица, может привести к коллапсу ее состояния.
Тщательный анализ показывает, что «эксперимент» с котом Шредингера в реальном мире будет происходить следующим образом: как только радиоактивный атом взаимодействует со счетчиком Гейгера, он коллапсирует из своего нераспавшегося/распавшегося состояния в одно определенное состояние. Счетчик Гейгера определенно срабатывает, и Кот определенно погибает. Или счетчик Гейгера точно не срабатывает и кот точно жив. Но обоих не бывает.
Таким образом, коллапс квантового состояния управляется не только сознательными наблюдателями, а «Кот Шредингера» был всего лишь учебным пособием, изобретенным для того, чтобы попытаться сделать этот факт более очевидным, доведя до абсурда идею, управляемую наблюдателем. К сожалению, многие научно-популярные авторы и в наши дни продолжают распространять заблуждение о том, что квантовое состояние (и, следовательно, сама реальность) определяется сознательными наблюдателями. Они используют это ошибочное утверждение как трамплин для необоснованных и ненаучных дискуссий о природе реальности, сознания и даже восточного мистицизма.
Для них «Кот Шрёдингера» — не неприятный признак того, что их утверждения ошибочны, а доказательство того, что мир так же абсурден, как они утверждают. Такие авторы либо неправильно понимают Кота Шредингера, либо намеренно искажают его для продажи книг.
Темы:
Кот Шрёдингера, наблюдение, квант, суперпозиция, коллапс волновой функции
Этот поворот парадокса кота Шредингера имеет важное значение для квантовой теории
Каково это быть одновременно живым и мертвым?
Этот вопрос раздражал и вдохновлял венгерско-американского физика Юджина Вигнера в 1960-х годах. Его разочаровывали парадоксы, возникающие из-за капризов квантовой механики — теории, управляющей микроскопическим миром, которая предполагает, среди многих других противоречащих интуиции вещей, что до тех пор, пока квантовая система не будет обнаружена, она не обязательно будет обладать определенными свойствами. Возьмем знаменитый мысленный эксперимент его коллеги-физика Эрвина Шредингера, в котором кошка оказывается в ловушке в ящике с ядом, который высвобождается при распаде радиоактивного атома.
Радиоактивность — это квантовый процесс, поэтому, как гласит история, до того, как ящик будет открыт, атом и распался, и не распался, оставив несчастного кота в подвешенном состоянии — так называемая суперпозиция между жизнью и смертью. Но испытывает ли кошка нахождение в суперпозиции?
Вигнер обострил парадокс, представив своего друга (человека), запертого в лаборатории, измеряющего квантовую систему. Он утверждал, что абсурдно говорить, что его друг существует в суперпозиции того, что он видел и не видел распад, пока Вигнер не откроет дверь лаборатории. «Мысленный эксперимент «друг Вигнера» показывает, что вещи могут стать очень странными, если за наблюдателем тоже наблюдают», — говорит Нора Тишлер, квантовый физик из Университета Гриффита в Брисбене, Австралия.
Теперь Тишлер и ее коллеги провели версию теста друга Вигнера. Объединив классический мысленный эксперимент с другой квантовой головоломкой, называемой запутанностью — явлением, которое связывает частицы на огромных расстояниях, — они также вывели новую теорему, которая, как они утверждают, накладывает сильнейшие ограничения на фундаментальную природу реальности.
Их исследование, появившееся в Nature Physics от 17 августа имеет значение для той роли, которую сознание может играть в квантовой физике, и даже для того, нужно ли заменить квантовую теорию.
Новая работа — «важный шаг вперед в области экспериментальной метафизики», — говорит квантовый физик Эфраим Стейнберг из Университета Торонто, не участвовавший в исследовании. «Это начало того, что, как я ожидаю, станет огромной программой исследований».
Дело вкуса
До появления квантовой физики в 19В 20-х годах физики ожидали, что их теории будут детерминированными, что позволит с уверенностью предсказывать результаты экспериментов. Но квантовая теория кажется вероятностной по своей сути. Версия учебника — иногда называемая копенгагенской интерпретацией — говорит, что пока свойства системы не измерены, они могут охватывать бесчисленное множество значений. Эта суперпозиция коллапсирует в одно состояние только тогда, когда за системой наблюдают, и физики никогда не могут точно предсказать, каким будет это состояние.
Вигнер придерживался популярной в то время точки зрения, согласно которой сознание каким-то образом вызывает коллапс суперпозиции. Таким образом, его гипотетический друг увидит определенный результат, когда она или он произведет измерение, и Вигнер никогда не увидит ее или его в суперпозиции.
С тех пор эта точка зрения потеряла популярность. «Люди, занимающиеся основами квантовой механики, быстро отвергают точку зрения Вигнера как призрачную и нечеткую, 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 выводить квантовые системы из состояния суперпозиции посредством процесса, известного как декогеренция. Конечно, исследователи, пытающиеся манипулировать сложными квантовыми суперпозициями в лаборатории, могут обнаружить, что их тяжелая работа разрушена столкновением быстрых частиц воздуха с их системами. Поэтому они проводят свои испытания при сверхнизких температурах и стараются изолировать свои аппараты от вибраций.
За десятилетия возникло несколько конкурирующих квантовых интерпретаций, использующих менее мистические механизмы, такие как декогеренция, для объяснения того, как суперпозиции разрушаются без обращения к сознанию. Другие интерпретации придерживаются еще более радикальной позиции, что коллапса вообще нет. У каждого есть свой странный и замечательный подход к тесту Вигнера. Наиболее экзотическим является взгляд на «множество миров», который гласит, что всякий раз, когда вы проводите квантовое измерение, реальность расщепляется, создавая параллельные вселенные, чтобы приспособиться к каждому возможному результату. Таким образом, друг Вигнера разделился бы на две копии и, «с достаточно хорошей супертехнологией», он действительно мог измерить, что человек находится в суперпозиции вне лаборатории, говорит квантовый физик и поклонник многих миров Лев Вайдман из Тель-Авивского университета.
Альтернативная «Бомовская» теория (названная в честь физика Дэвида Бома) утверждает, что на фундаментальном уровне квантовые системы обладают определенными свойствами; мы просто недостаточно знаем об этих системах, чтобы точно предсказать их поведение.
В этом случае у друга есть единственный опыт, но Вигнер все же может определить, что этот человек находится в суперпозиции из-за его собственного невежества. Напротив, относительный новичок в блоке, называемый интерпретацией КБизма, искренне охватывает вероятностный элемент квантовой теории (КБизм, произносится как «кубизм», на самом деле является сокращением от квантового байесовства, отсылки к работе математика 18-го века Томаса Байеса о вероятности.) QBисты утверждают, что человек может использовать квантовую механику только для расчета того, как откалибровать его или ее убеждения о том, что он или она будет измерять в эксперименте. «Результаты измерения должны рассматриваться как личные для агента, который проводит измерение», — говорит Рюдигер Шак из Ройал Холлоуэй, Лондонский университет, один из основателей QBism. Согласно постулатам кбизма, квантовая теория ничего не может сказать вам о лежащем в основе состоянии реальности, и Вигнер не может использовать ее, чтобы размышлять об опыте своего друга.
Другая интригующая интерпретация, называемая ретропричинностью, позволяет событиям в будущем влиять на прошлое. «С точки зрения ретрокаузального подхода друг Вигнера действительно что-то переживает», — говорит Кен Уортон, физик из Университета штата Сан-Хосе, который является сторонником этой точки зрения, искажающей время. Но то «что-то», что друг переживает в точке измерения, может зависеть от выбора Вигнером того, как наблюдать за этим человеком позже.
Проблема в том, что каждая интерпретация одинаково хороша — или плоха — для предсказания результатов квантовых тестов, так что выбор между ними зависит от вкуса. «Никто не знает, каково решение, — говорит Стейнберг. «Мы даже не знаем, является ли список потенциальных решений, которые у нас есть, исчерпывающим».
Другие модели, называемые теориями коллапса, делают проверяемые предсказания. Эти модели опираются на механизм, который заставляет квантовую систему коллапсировать, когда она становится слишком большой, объясняя, почему кошки, люди и другие макроскопические объекты не могут находиться в суперпозиции.
Ведутся эксперименты по поиску сигнатур таких обвалов, но пока ничего не нашли. Квантовые физики также помещают в суперпозицию все более крупные объекты: в прошлом году команда из Вены сообщила, что сделала это с молекулой из 2000 атомов. Большинство квантовых интерпретаций говорят, что нет никаких причин, по которым эти усилия по увеличению суперпозиций не должны продолжаться вечно, предполагая, что исследователи могут разработать правильные эксперименты в чистых лабораторных условиях, чтобы можно было избежать декогеренции. Теории коллапса, однако, утверждают, что предел однажды будет достигнут, независимо от того, насколько тщательно были подготовлены эксперименты. «Если вы попытаетесь манипулировать классическим наблюдателем — скажем, человеком — и рассматривать его как квантовую систему, он немедленно рухнет», — говорит Анджело Басси, квантовый физик и сторонник теорий коллапса из Университета Триеста в Италии.
Способ наблюдать за другом Вигнера
Тишлер и ее коллеги считали, что анализ и проведение эксперимента с другом Вигнера может пролить свет на ограничения квантовой теории.
Они были вдохновлены новой волной теоретических и экспериментальных работ, в которых исследовалась роль наблюдателя в квантовой теории путем включения запутанности в классическую установку Вигнера. Скажем, вы берете две частицы света или фотоны, поляризованные так, что они могут колебаться горизонтально или вертикально. Фотоны также могут быть помещены в суперпозицию вибраций горизонтально и вертикально одновременно, точно так же, как парадоксальный кот Шредингера может быть и живым, и мертвым до того, как его увидят.
Такие пары фотонов могут быть приготовлены вместе — запутаны — так, что при наблюдении их поляризации всегда оказываются противоположными. Это не может показаться странным, если только вы не помните, что эти свойства не фиксированы, пока они не измерены. Даже если один фотон передается физику по имени Алиса в Австралии, а другой транспортируется ее коллеге Бобу в лабораторию в Вене, запутанность гарантирует, что, как только Алиса наблюдает за своим фотоном и, например, обнаруживает, что его поляризация горизонтальна.
, поляризация фотона Боба мгновенно синхронизируется с вертикальной вибрацией. Поскольку кажется, что два фотона сообщаются со скоростью, превышающей скорость света, что запрещено его теориями относительности, это явление глубоко обеспокоило Альберта Эйнштейна, который назвал его «жутким действием на расстоянии».
Эти опасения оставались теоретическими до 1960-х годов, когда физик Джон Белл изобрел способ проверить, действительно ли реальность пугает или может ли существовать более приземленное объяснение корреляции между запутанными партнерами. Белл представил теорию здравого смысла, которая была бы локальной, то есть такой, в которой влияния не могли бы передаваться между частицами мгновенно. Кроме того, она была детерминистской, а не вероятностной по своей сути, поэтому экспериментальные результаты в принципе можно было бы предсказать с уверенностью, если бы только физики лучше понимали скрытые свойства системы. И это было реалистично, что для квантового теоретика означает, что системы будут обладать этими определенными свойствами, даже если на них никто не смотрит.
Затем Белл рассчитал максимальный уровень корреляций между рядом запутанных частиц, который могла поддерживать такая локальная, детерминированная и реалистичная теория. Если этот порог был нарушен в эксперименте, то одно из предположений, лежащих в основе теории, должно быть ложным.
С тех пор были проведены такие «тесты Белла» с серией водонепроницаемых версий, выполненных в 2015 году, и они подтвердили жуткость реальности. «Квантовые основы — это область, которая была экспериментально начата [теоремой] Белла, которой уже более 50 лет. И мы потратили много времени на повторную реализацию этих экспериментов и обсуждение того, что они означают», — говорит Стейнберг. «Очень редко люди могут придумать новый тест, выходящий за рамки Белла».
Цель команды из Брисбена состояла в том, чтобы вывести и проверить новую теорему, которая сделает именно это и наложит еще более строгие ограничения — границы «локального дружелюбия» — на природу реальности. Как и теория Белла, воображаемая исследователями теория носит локальный характер.
Они также явно запрещают «супердетерминизм», то есть настаивают на том, что экспериментаторы свободны выбирать, что измерять, не подвергаясь влиянию событий в будущем или далеком прошлом. (Белл неявно предполагал, что экспериментаторы тоже могут делать свободный выбор.) Наконец, команда предписывает, что когда наблюдатель производит измерение, результатом является реальное единичное событие в мире — оно не связано ни с кем и ни с чем.
Для проверки дружелюбия к местным жителям требуется хитрая установка с участием двух «супернаблюдателей», Алисы и Боба (которые играют роль Вигнера), которые наблюдают за своими друзьями Чарли и Дебби. У Алисы и Боба есть собственный интерферометр — устройство, используемое для управления пучками фотонов. Перед измерением поляризации фотонов находятся в суперпозиции горизонтальной и вертикальной. Пары запутанных фотонов подготавливаются таким образом, что если поляризация одного из них считается горизонтальной, поляризация его партнера должна немедленно измениться на вертикальную.
Один фотон из каждой запутанной пары отправляется в интерферометр Алисы, а его партнер — в интерферометр Боба. В этом тесте Чарли и Дебби на самом деле не друзья. Скорее, они являются вытеснителями луча перед каждым интерферометром. Когда фотон Алисы попадает в вытеснитель, его поляризация эффективно измеряется, и он отклоняется либо влево, либо вправо, в зависимости от направления поляризации, в котором он попадает. Это действие играет роль друга Алисы Чарли, «измеряющего» поляризацию. (Дебби также находится в интерферометре Боба.)
Затем Алиса должна сделать выбор: она может немедленно измерить новый отклоненный путь фотона, что было бы эквивалентно открытию двери лаборатории и спрашиванию Чарли, что он видел. Или она может позволить фотону продолжить свое путешествие, пройдя через второй вытеснитель луча, который рекомбинирует левый и правый пути — это эквивалентно закрытой двери лаборатории. Затем Алиса может напрямую измерить поляризацию своего фотона, когда он выходит из интерферометра.
На протяжении всего эксперимента Алиса и Боб независимо друг от друга выбирают, какие измерения использовать, а затем сравнивают записи, чтобы вычислить корреляции, наблюдаемые в серии запутанных пар.
Тишлер и ее коллеги провели 90 000 экспериментов. Как и ожидалось, корреляции нарушили первоначальные границы Белла — и, что особенно важно, они также нарушили новый порог локальности. Команда также может изменить установку, чтобы уменьшить степень запутанности между фотонами, отправив один из пары в обход, прежде чем он войдет в свой интерферометр, мягко нарушив идеальную гармонию между партнерами. Когда исследователи провели эксперимент с этим немного более низким уровнем запутанности, они обнаружили точку, в которой корреляции все еще нарушали границу Белла, но не локальную дружественность. По словам Тишлера, этот результат доказал, что два набора границ не эквивалентны и что новые ограничения локального удобства более строгие. «Если вы нарушаете их, вы больше узнаете о реальности», — добавляет она. А именно, если ваша теория говорит, что «друзей» можно рассматривать как квантовые системы, то вы должны либо отказаться от локальности, признать, что измерения не имеют единого результата, с которым должны соглашаться наблюдатели, либо допустить супердетерминизм. Каждый из этих вариантов имеет глубокие — и, по мнению некоторых физиков, явно неприятные — последствия.
Reconsidering Reality
«Документ представляет собой важное философское исследование, — говорит Мишель Рейли, соучредитель Turing, компании, занимающейся квантовыми вычислениями, базирующейся в Нью-Йорке, которая не участвовала в работе. Она отмечает, что физики, изучающие квантовые основы, часто изо всех сил пытались придумать осуществимый тест, подтверждающий их большие идеи. «Я в восторге от того, что за философскими исследованиями стоит эксперимент, — говорит Рейли. Стейнберг называет эксперимент «чрезвычайно элегантным» и хвалит команду за решение тайны роли наблюдателя в измерении.
Хотя неудивительно, что квантовая механика вынуждает нас отказываться от допущения здравого смысла — физики знали это от Белла — «прогресс здесь в том, что мы сужаемся до того, какое из этих предположений оно есть», — говорит Уортон, который был также не является частью исследования.
Тем не менее, отмечает он, сторонники большинства квантовых интерпретаций не потеряют сна. Поклонники ретрокаузальности, такие как он сам, уже примирились с супердетерминизмом: по их мнению, их не шокирует то, что будущие измерения влияют на прошлые результаты. Между тем сторонники квантовой биологии и сторонники теории многих миров давно отбросили требование, согласно которому квантовая механика предписывает единственный результат, с которым должен согласиться каждый наблюдатель.
И механика Бома, и модели спонтанного коллапса уже благополучно отказались от локальности в ответ на Белла. Кроме того, модели коллапса говорят, что настоящим макроскопическим другом нельзя манипулировать как квантовой системой.
Вайдман, который также не принимал участия в новой работе, однако менее воодушевлен ею и критикует отождествление друга Вигнера с фотоном. Методы, использованные в статье, «смехотворны; друг должен быть макроскопическим», — говорит он. Философ физики Тим Модлин из Нью-Йоркского университета, который не участвовал в исследовании, согласен.
«Никто не считает фотон наблюдателем, если только вы не панпсихик», — говорит он. Поскольку ни один физик не задается вопросом, можно ли поместить фотон в суперпозицию, Модлин считает, что в эксперименте не хватает остроты. «Это что-то исключает — просто то, что никто никогда не предлагал», — говорит он.
Тишлер принимает критику. «Мы не хотим преувеличивать то, что мы сделали», — говорит она. Ключом к будущим экспериментам будет увеличение размера «друга», добавляет член команды Говард Уайзман, физик из Университета Гриффита. По его словам, наиболее драматичным результатом будет использование искусственного интеллекта, воплощенного в квантовом компьютере, в качестве друга. Некоторые философы размышляли о том, что такая машина может иметь опыт, подобный человеческому, и эта позиция известна как гипотеза сильного ИИ, отмечает Уайзман, хотя пока никто не знает, окажется ли эта идея верной. Но если гипотеза верна, общий искусственный интеллект (ИИК) на квантовой основе будет микроскопическим.
Таким образом, с точки зрения моделей спонтанного коллапса, он не вызовет коллапс из-за своего размера. Если бы такой тест был проведен и граница дружественности к местным условиям не была нарушена, этот результат означал бы, что сознание ОИИ не может быть помещено в суперпозицию. В свою очередь, этот вывод предполагает, что Вигнер был прав в том, что сознание вызывает коллапс. «Не думаю, что доживу до такого эксперимента, — говорит Уайзман. — Но это было бы революционно.
Рейли, однако, предупреждает, что физики, надеющиеся, что будущий ОИИ поможет им разобраться в фундаментальном описании реальности, ставят телегу впереди лошади. «Для меня не исключено, что квантовые компьютеры станут тем сдвигом парадигмы, который приведет нас к ОИИ», — говорит она. «В конечном счете, нам нужна теория всего, чтобы построить ОИИ на квантовом компьютере, и точка, и точка».
Это требование может исключить более грандиозные планы. Но команда также предлагает более скромные промежуточные тесты с участием систем машинного обучения в качестве друзей, что нравится Стейнбергу.
Такой подход «интересен и провокационен», говорит он. «Становится возможным, что вычислительные устройства большего и большего масштаба могут быть фактически измерены квантовым способом».
Ренато Реннер, квантовый физик из Швейцарского федерального технологического института Цюриха (ETH Zurich), делает еще более сильное заявление: независимо от того, можно ли будет проводить будущие эксперименты, новая теорема говорит нам, что квантовая механика необходимо заменить. В 2018 году Реннер и его коллега Даниэла Фраухигер из ETH Zurich опубликовали мысленный эксперимент, основанный на подруге Вигнера, и использовали его для вывода нового парадокса. Их установка отличается от установки команды из Брисбена, но также включает четырех наблюдателей, чьи измерения могут запутаться. Реннер и Фраухигер подсчитали, что если наблюдатели применяют квантовые законы друг к другу, они могут прийти к разным результатам в одном и том же эксперименте.
«Новая статья — еще одно подтверждение того, что у нас есть проблемы с современной квантовой теорией», — говорит Реннер, не участвовавший в работе.
Он утверждает, что ни одна из сегодняшних квантовых интерпретаций не может выйти из так называемого парадокса Фраухигера-Реннера, если ее сторонники не признают, что им все равно, дает ли квантовая теория согласованные результаты. По словам Реннера, КБисты предлагают наиболее приемлемые способы побега, потому что с самого начала они говорят, что квантовую теорию нельзя использовать для вывода о том, что будут измерять другие наблюдатели. «Однако меня все еще беспокоит: если все это только личное для меня, как я могу сказать что-то важное для вас?» он добавляет. Сейчас Реннер работает над новой теорией, которая предлагает набор математических правил, позволяющих одному наблюдателю понять, что другой должен увидеть в квантовом эксперименте.
Тем не менее, те, кто твердо верит, что их любимая интерпретация верна, не видят особой ценности в исследовании Тишлера. «Если вы считаете, что квантовая механика нездорова и нуждается в замене, то это полезно, потому что она сообщает вам новые ограничения», — говорит Вайдман.