Переосмысление эксперимента с котом Шредингера ломает квантовую механику (2 фото)

В самом известном в мире мысленном эксперименте физик Эрвин Шредингер описал, как кот в коробке может оказаться в неопределенном положении. Своеобразные правила квантовой теории означали, что он может быть как мертвым, так и живым, пока коробка не будет открыта и не будет измерено его состояние. Но два ученых разработали современную версию парадокса, заменив животное физиком, проводящим эксперименты с шокирующими последствиями.
Квантовая теория имеет долгую историю мысленных экспериментов, и в большинстве случаев они используются, чтобы указать на слабые места в различных интерпретациях квантовой механики. Но последняя версия, в которой участвуют несколько игроков, необычна: она показывает, что если стандартная интерпретация квантовой механики верна, то разные экспериментаторы могут прийти к противоположным выводам о том, что измерил физик в коробке. Это означает, что квантовая теория противоречит сама себе.

Концептуальный эксперимент обсуждался более двух лет и оставил большинство исследователей в тупике даже в области, привыкшей к странным понятиям. «Я думаю, что это совершенно новый уровень странности», — говорит Мэтью Лейфер, физик-теоретик из Chapman University in Orange в Калифорнии.
Даниэла Фраучигер и Ренато Реннер из Swiss Federal Institute of Technology (ETH) в Цюрихе опубликовали свою первую версию аргумента в Интернете в апреле 2016 года. Последняя статья появилась 18 сентября 2018г. в Nature Communications (Фраучигер покинула академию).

Странный мир

Квантовая механика лежит в основе почти всей современной физики, объясняя все от структуры атомов до того, почему магниты прилипают друг к другу. Но ее концептуальные основы снова и снова заставляют исследователей искать ответы. Ее уравнения не могут предсказать точный результат измерения. Например, положение электрона – только вероятность того, что он может дать определенные значения.

Таким образом, квантовые объекты – электроны – живут в облаке неопределенности, математически закодированном в "волновой функции", которая плавно меняет форму, подобно обычным волнам в море. Но когда измеряется такое свойство, как положение электрона, оно всегда дает одно точное значение (и дает то же значение снова, если измеряется сразу после).

Наиболее распространенный способ понимания этого был сформулирован в 1920-х годах пионерами квантовой теории Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом и назван копенгагенской интерпретацией, в честь города, где жил Бор. В нем говорится, что акт наблюдения квантовой системы делает волновую функцию "коллапсом" от кривой распространения до одной точки данных.

Копенгагенская интерпретация оставила открытым вопрос о том, почему различные правила должны применяться к квантовому миру атома и классическому миру лабораторных измерений (и повседневного опыта). Но это также было обнадеживающим: хотя квантовые объекты живут в неопределенных состояниях, экспериментальное наблюдение происходит в классической области и дает однозначные результаты.

Теоретические рассуждения Фраучигер и Реннер говорят о том, что основная картина Копенгагена, а также другие интерпретации, которые разделяют некоторые из его основных предположений, не являются внутренне непротиворечивыми.

Что в коробке?

Их сценарий значительно сложнее, чем предложенный в 1935 году Шредингером, в котором кот жил в коробке с механизмом, пускавшем яд на основе случайного явления, такого как распад атомного ядра. В этом случае состояние кота было неопределенным, пока экспериментатор не открыл коробку и не проверил ее.

В 1967 году венгерский физик Евгений Вигнер предложил версию парадокса, в которой он заменил кота и яд другом-физиком, живущим внутри коробки с измерительным устройством, которое могло бы вернуть один из двух результатов, как монета с орлом и решкой. Разрушается ли волновая функция, когда друг Вигнера узнает о результате? Одна школа говорит, что это так, предполагая, что сознание находится вне квантовой области. Но если квантовая механика относится к физику, то она должна быть в неопределенном состоянии, которое сочетает в себе оба результата, пока Вигнер не откроет коробку.

У Фраучигер и Реннера еще более сложная версия. У них есть два Вигнера – каждый из них проводит эксперимент с другом физика, которого они держат в коробке. Один из двух друзей (назовем его Элис) может бросить монету и, используя свои знания о квантовой физике, подготовить квантовое сообщение для отправки другому другу (назовем его Боб). Используя свои знания квантовой теории, Боб может обнаружить сообщение Элиса и угадать результат ее броска. Когда два Вигнера открывают свои ящики, в некоторых ситуациях они могут с уверенностью заключить, на какую сторону приземлилась монета, но иногда их выводы непоследовательны. Один уверен в том, что это решка, а второй в том, что орел.

Эксперимент не может быть реализован на практике, потому что это потребует от Вигнера измерения всех квантовых свойств своих друзей, включая чтение их умов, указывает теоретик Лидия Дель Рио, коллега Реннера в ETH Zurich.

Тем не менее, вполне возможно, что два квантовых компьютера сыграют роль Элиса и Боба: логика аргумента требует только того, чтобы они знали правила физики и принимали решения на их основе, и в принципе можно обнаружить полное квантовое состояние квантового компьютера. Проблема в том, что квантовые компьютеры, способные поучаствовать в этом исследовании, еще не существуют.

Дуэль интерпретаций

Эксперимент вызвал острую реакцию экспертов квантовой теории. Некоторые уже допускают представления о реальности, зависящие от перспективы. Это может быть менее неприятно, чем признать, что квантовая теория не применима к сложным вещам, таким как люди.

Роберт Спеккенс, физик-теоретик из Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo в Канаде, говорит, что выход из парадокса может скрываться в некоторых тонких предположениях в аргументе, в частности в связи между Элисом и Бобом. Возможно, непоследовательность возникает из-за того, что Боб неправильно интерпретирует сообщение Элиса. Но решения пока нет.

На данный момент физики, вероятно, продолжат дебаты. «Я не думаю, что мы это поняли», — говорит Лейфер.

Отменятина:

А просто в этом Мире реализуются все возможные состояния. Но кто сказал, что они должны происходить с одними и теми же или взаимосвязанными персонажами? Или другой вариант, отсылающий к теории Эверетта: все персонажи существуют в 2 разных реальностях. В конце-концов способ связи между ними не оговорен.