Et kvanteeksperiment antyder, at der ikke er noget, der hedder objektiv virkelighed

IBM Research | Flickr

Tilbage i 1961 skitserede den nobelprisvindende fysiker Eugene Wigner et tankeeksperiment, der demonstrerede et af kvantemekanikkens mindre kendte paradokser. Eksperimentet viser, hvordan universets mærkelige natur tillader to iagttagere - for eksempel Wigner og Wigners ven - at opleve forskellige virkeligheder.

Siden da har fysikere brugt Wigners Friend-tankeeksperimentet til at udforske målingens natur og til at diskutere, om objektive fakta kan eksistere. Det er vigtigt, fordi videnskabsmænd udfører eksperimenter for at fastslå objektive fakta. Men hvis de oplever forskellige virkeligheder, lyder argumentet, hvordan kan de blive enige om, hvad disse fakta kan være?

Det har givet noget underholdende foder til samtalen efter middagen, men Wigners tankeeksperiment har aldrig været mere end det - bare et tankeeksperiment.

Sidste år bemærkede fysikere dog, at de seneste fremskridt inden for kvanteteknologier har gjort det muligt at gengive Wigners Friend-testen i et rigtigt eksperiment. Det burde med andre ord være muligt at skabe forskellige virkeligheder og sammenligne dem i laboratoriet for at finde ud af, om de kan forenes.

Og i dag siger Massimiliano Proietti ved Heriot-Watt University i Edinburgh og nogle få kolleger, at de har udført dette eksperiment for første gang: de har skabt forskellige virkeligheder og sammenlignet dem. Deres konklusion er, at Wigner havde ret - disse realiteter kan gøres uforenelige, så det er umuligt at blive enige om objektive fakta om et eksperiment.

Wigners oprindelige tankeeksperiment er i princippet ligetil. Det begynder med en enkelt polariseret foton, der, når den måles, kan have enten en vandret polarisering eller en vertikal polarisering. Men før målingen eksisterer fotonen ifølge kvantemekanikkens love i begge polarisationstilstande på samme tid - en såkaldt superposition.

Wigner forestillede sig en ven i et andet laboratorium, der målte denne fotons tilstand og lagrede resultatet, mens Wigner observerede langvejs fra. Wigner har ingen information om sin vens måling og er derfor tvunget til at antage, at fotonen og målingen af ​​den er i en superposition af alle mulige resultater af eksperimentet.

Wigner kan endda udføre et eksperiment for at afgøre, om denne superposition eksisterer eller ej. Dette er en slags interferenseksperiment, der viser, at fotonen og målingen faktisk er i en superposition.

Fra Wigners synspunkt er dette et faktum - superpositionen eksisterer. Og dette faktum tyder på, at en måling ikke kan have fundet sted.

Men dette står i skarp kontrast til vennens synspunkt, som faktisk har målt fotonens polarisering og registreret den. Vennen kan endda ringe til Wigner og sige, at målingen er udført (forudsat at resultatet ikke afsløres).

Så de to realiteter er i modstrid med hinanden. Dette sætter spørgsmålstegn ved den objektive status af de fakta, som de to observatører, siger Proietti og co.

Det er teorien, men sidste år fandt Caslav Brukner på universitetet i Wien i Østrig på en måde at genskabe Wigners Friend-eksperimentet i laboratoriet ved hjælp af teknikker, der involverer sammenfiltring af mange partikler på samme tid.

Det gennembrud, som Proietti og co har lavet, er at udføre dette. I et state-of-the-art 6-foton eksperiment indser vi dette udvidede Wigners vennescenarie, siger de.

De bruger disse seks sammenfiltrede fotoner til at skabe to alternative virkeligheder - en repræsenterer Wigner og en repræsenterer Wigners ven. Wigners ven måler polariseringen af ​​en foton og gemmer resultatet. Wigner udfører derefter en interferensmåling for at bestemme, om målingen og fotonen er i en superposition.

Forsøget giver et entydigt resultat. Det viser sig, at begge virkeligheder kan eksistere side om side, selvom de producerer uforsonlige resultater, præcis som Wigner forudsagde.

Det rejser nogle fascinerende spørgsmål, der tvinger fysikere til at genoverveje virkelighedens natur.

Ideen om, at iagttagere i sidste ende kan forene deres målinger af en form for fundamental virkelighed, er baseret på flere antagelser. Den første er, at universelle fakta faktisk eksisterer, og at observatører kan blive enige om dem.

Men der er også andre antagelser. Den ene er, at observatører har frihed til at foretage de observationer, de vil. Og en anden er, at de valg, en iagttager træffer, ikke påvirker de valg, andre iagttagere træffer - en antagelse, som fysikere kalder lokalitet.

Hvis der er en objektiv virkelighed, som alle kan blive enige om, så holder disse antagelser alle.

Men Proietti og cos resultat tyder på, at objektiv virkelighed ikke eksisterer. Med andre ord antyder eksperimentet, at en eller flere af antagelserne – ideen om, at der er en virkelighed, vi kan blive enige om, ideen om, at vi har valgfrihed eller idéen om lokalitet – må være forkerte.

Selvfølgelig er der en anden vej ud for dem, der hænger på det konventionelle syn på virkeligheden. Dette er, at der er et andet smuthul, som forsøgslederne har overset. Faktisk har fysikere forsøgt at lukke smuthuller i lignende eksperimenter i årevis, selvom de indrømmer, at det måske aldrig vil være muligt at lukke dem alle.

Ikke desto mindre har arbejdet vigtige implikationer for videnskabsmænds arbejde. Den videnskabelige metode er afhængig af fakta, etableret gennem gentagne målinger og aftalt universelt, uafhængigt af hvem der observerede dem, siger Proietti og co. Og alligevel undergraver de i samme papir denne idé, måske fatalt.

Det næste skridt er at gå videre: at konstruere eksperimenter, der skaber stadig mere bizarre alternative virkeligheder, som ikke kan forenes. Hvor det vil føre os hen, er enhvers gæt. Men Wigner og hans ven ville bestemt ikke blive overrasket.

Ref: arxiv.org/abs/1902.05080 : Eksperimentel afvisning af observatør-uafhængighed i kvanteverdenen

skjule