Если вы дочитаете этот материал, то можете ли вы быть уверены, что он действительно существует? Для тебя, читатель, есть веб-страница с текстом прямо перед глазами, возможно, на ноутбуке или, может быть, на смартфоне. Обычно этого достаточно, чтобы доказать, что каждое видимое вами слово реально.
Но давайте предположим, что вы находитесь в "квантовой суперпозиции", причудливом физическом термине, который означает, что ваш опыт чтения существует одновременно в нескольких отдельных квантовых состояниях — других временных шкалах или измерениях, если хотите. В одном сценарии вы читаете эту статью, а в другом случае переход по ссылке отобразил ошибку 404.
Прямо сейчас вы находитесь в первом квантовом состоянии, то есть вы воспринимаете определенный результат. Между тем, сторонний наблюдатель, который наблюдает за вами, может оценить обе возможности — что вы читаете статью и что вы смотрите на неработающую ссылку — противопоставляя ваши реальности. Вы видите одно, этот наблюдатель видит и то, и другое.
Этот парадокс хорошо известен в физических кругах как мысленный эксперимент "Друг Вигнера", и он якобы доказывает, что вы не можете принимать знания других наблюдателей как свои собственные. Но группа исследователей из Венского университета, Австрийской академии наук и Института теоретической физики Периметра в Онтарио доказала, что реальность гораздо сложнее: нельзя доверять даже своим глазам.
В примере с веб-страницей это означает, что вы не можете предположить, что только потому, что этот материал открылся в вашем браузере в прошлом, он появится снова — при условии, что это представляет собой версию мысленного эксперимента "Друг Вигнера". Другими словами, вы даже не можете поверить в то, что ваши собственные наблюдения в прошлом подтвердятся, если вы снова попробуете это в настоящем. Давайте разберемся, что здесь происходит, и что это означает для всей нашей концепции реальности (и квантовой физики), какой мы ее знаем.
Без Кота Шредингера — одного из величайших парадоксов квантовой физики — у нас не было бы Друга Вигнера. Этот мысленный эксперимент, который австрийско-ирландский физик Эрвин Шредингер придумал в 1935 году во время разговора с Альбертом Эйнштейном, описывает ситуацию, когда гипотетическая кошка может считаться как мертвой, так и живой, поскольку внутри находится радиоактивный изотоп.
Кошка находится в состоянии квантовой суперпозиции, потому что субатомная частица может распадаться, а может и не распадаться, пока кошка находится внутри, и мы не можем увидеть распад микроскопической частицы собственными глазами. Другими словами, мы не можем узнать, жива кошка или мертва, распалась ли частица или осталась нетронутой, пока мы не откроем коробку, чтобы увидеть результаты эксперимента: живая или мертвая кошка. Только тогда мы имеем определенный результат.
Шредингер придумал мысленный эксперимент, более или менее в шутку (он назвал его "довольно нелепым" сценарием), чтобы доказать свою точку зрения. В квантовой механике этот вопрос наблюдения называется "проблемой измерения". Когда кошка — или, возможно, субатомная частица — находится в состоянии квантовой суперпозиции, она колеблется между вероятностями. Нет двоичного кода 0-1, с которым можно было бы работать. Другими словами, квантовая физика не допускает детерминированных черно-белых результатов. Кошка не просто жива или мертва, субатомная частица — это не просто материя или антивещество. Скорее, квантовая теория требует вероятностных результатов, которые находятся между 0 и 1, так сказать. Это спектр возможностей.
Однако, когда ученый делает наблюдение, например, заглядывает в коробку, чтобы проверить котенка, он обнаруживает, что система находится в определенном состоянии: 1 или 0, мертвая или живая. Это бросает вызов квантовой физике, потому что результаты вероятностные, а не однозначные. Эта "Копенгагенская интерпретация" утверждает, что система имеет бесконечное количество результатов — до момента, когда вы проводите измерение.
Так что на самом деле, если мы измеряем систему (то есть делаем наблюдение), мы также влияем на будущие измерения, поскольку мы основываем новые наблюдения на прошлом, определенном результате. Другими словами, наблюдение за квантовой системой фундаментально меняет систему. Это контрастирует с классической физикой, которая позволяет вам определять состояние системы в любое более позднее время по отношению к состоянию в любое более раннее время.
Откуда мы это знаем? Эксперименты по квантовой физике показали, что субатомные частицы действительно действуют по-разному, когда их наблюдают — вы не можете определить скорость частицы, поскольку она всегда находится в движении, пока вы ее не измерите.
Что такое друг Вигнера?
В 1961 году физик-теоретик Юджин Вигнер предложил новый мысленный эксперимент, чтобы усложнить парадокс Шредингеровского кота, еще больше подтолкнув к проблеме измерения в квантовой физике. Он выглядит так:
Вы дружите с Вигнером и соглашаетесь провести для него измерение квантовой системы в лаборатории. Допустим, это эксперимент с котом Шредингера. Прежде чем вы войдете и понаблюдаете за кошкой, убедитесь, что она находится в состоянии квантовой суперпозиции, как описано выше. Но когда вы сделаете свое наблюдение, проверяя, жив ли кот или мертв, вы обнаружите один из двух бинарных результатов: мертвый или живой.
В то же время Вигнер моделирует ваш эксперимент за дверью лаборатории. Он знает, что вы подтвердите один из этих двух сценариев. Теперь ваш эксперимент с кошкой находится в состоянии квантовой запутанности с Вигнером. Пока он не запишет ваши наблюдения, его наблюдение постоянно меняется. Следовательно, только когда Вигнер узнает ваши результаты, они станут реальными, определенными.
Но в этом весь парадокс: если вы нашли кошку мертвой и ваши наблюдения повлияли на эксперимент в соответствии с копенгагенской интерпретацией, умерла ли она, когда вы ее нашли, или когда Вигнер сознательно записал эти результаты? В конце концов, Вигнер мог наблюдать, как вы одновременно наблюдаете две разные возможности.
Ясно, что в этом сценарии между вами и Вигнером возникнут проблемы с доверием. Таким образом, перед учеными стоит задача решить два вопроса: Если наблюдатель может доверять тому, что они видят во время проведения измерений в квантовой суперпозиции? и если они могли бы использовать эти данные, чтобы делать прогнозы относительно будущих измерений? Другими словами, команда внимательно изучила ограничения мысленного эксперимента "Друг Вигнера" в мире квантовой механики.
Проведя анализ, комнада исследвоателей пришла к выводу, что мысленный эксперимент "Друг Вигнера" должен был бы нарушить по крайней мере одно из следующих трех предположений, чтобы они остались верными:
- Восприятие друга имеет реальность, которая сохраняется с течением времени. Это означает, что мы можем рассматривать как знания из прошлого, так и знания из настоящего как реальные или сосуществующие. В математике это называется "совместной вероятностью", и это статистическая мера, объясняющая вероятность того, что два события произойдут одновременно.
- Квантовая теория эмпирически верна. Это идея, что предсказания Вигнера, основанные на его применении квантовой теории, эмпирически верны.
- Вы не можете изменить правила квантовой физики, чтобы выполнить первое условие. Идея заключается в том, что, если предположение 1 верно, мы не меняем квантовый формализм для расчета вероятности предполагаемых восприятий друга с течением времени.
Итак, что все это значит для вас, когда вы сидите, читаете эту статью, не зная, можете ли вы доверять своим глазам или верить в то, что то, что вы читаете, правда? Ученые говорят, что главный вывод состоит в том, что даже друг не должен предполагать, что ее результат, наблюдаемый в прошлом, и ее результат, наблюдаемый в более поздних измерениях, сосуществуют как реальные.
Другими словами, нельзя доверять тому, что только потому, что вы видели эту статью в воскресенье, вы увидите ее снова в понедельник. Но вы также не можете предполагать, что только потому, что вы не видели историю в понедельник, вы больше не увидите ее во вторник.
Так что да, объективной реальности практически не существует.