Reimagining of Schrödinger's Cat Breaks Quantum Mechanics-and Stumps Physics


Getty Images I verdens mest berømte tankeeksperiment beskrev fysikeren Erwin Schrödinger hvordan en katt i en boks kunne være i en usikker situasjon. De spesielle reglene for kvantteori betydde at det kunne være både død og levende, til boksen ble åpnet og kattens tilstand ble målt. Nå har to fysikere utviklet en moderne versjon av paradokset ved å erstatte katten med en fysiker som gjør eksperimenter - med sjokkerende implikasjoner. Kvanteteo

Getty Images

I verdens mest berømte tankeeksperiment beskrev fysikeren Erwin Schrödinger hvordan en katt i en boks kunne være i en usikker situasjon. De spesielle reglene for kvantteori betydde at det kunne være både død og levende, til boksen ble åpnet og kattens tilstand ble målt. Nå har to fysikere utviklet en moderne versjon av paradokset ved å erstatte katten med en fysiker som gjør eksperimenter - med sjokkerende implikasjoner.

Kvanteteori har en lang historie med tankeeksperimenter, og i de fleste tilfeller brukes disse til å peke på svakheter i ulike tolkninger av kvantemekanikk. Men den nyeste versjonen, som involverer flere spillere, er uvanlig: det viser at hvis standardtolkningen av kvantemekanikk er korrekt, kan forskjellige eksperimenter nå motsatte konklusjoner om hva fysikeren i boksen har målt. Dette betyr at kvantteori motsiger seg selv.

Begrepet eksperimentet har blitt debattert med gusto i fysikk sirkler i mer enn to år - og har forlatt de fleste forskere stumped, selv i et felt vant til rare konsepter. "Jeg tror dette er et helt nytt nivå av raritet, " sier Matthew Leifer, en teoretisk fysiker ved Chapman University i Orange, California.

Forfatterne, Daniela Frauchiger og Renato Renner fra Det sveitsiske føderale institutt for teknologi (ETH) i Zürich, skrev sin første versjon av argumentet online i april 2016. Det endelige papiret vises i Nature Communications den 18. september. (Frauchiger har nå forlatt akademia.)

Merkelig verden

Kvantemekanikk ligger til grunn for nesten all moderne fysikk, og forklarer alt fra atomenes struktur til hvorfor magneter holder seg til hverandre. Men konseptuelle grunnlag fortsetter å la forskere gripe til svar. Dens likninger kan ikke forutsi det nøyaktige resultatet av en måling, for eksempel av plasseringen av en elektron-bare sannsynlighetene for at den kan gi spesielle verdier.

Kvantumobjekter som elektroner lever derfor i en usikkerhetssky, matematisk kodet i en "bølgefunksjon" som forandrer seg jevnt, som vanlige bølger i havet. Men når en egenskap som en elektronens posisjon måles, gir den alltid en presis verdi (og gir samme verdi igjen hvis den måles umiddelbart etter).

Den vanligste måten å forstå dette på ble formulert på 1920-tallet av kvantumteorispionisterne Niels Bohr og Werner Heisenberg, og kalles København-tolkningen, etter byen Bohr bodde. Det står at handlingen med å observere et kvantesystem gjør bølgefunksjonen "kollaps" fra en spredningskurve til et enkelt datapunkt.

København-tolkningen igjen åpnet spørsmålet om hvorfor ulike regler skulle gjelde atomets kvanteverdi og den klassiske verden av laboratoriemålinger (og hverdagen). Men det var også beroligende: selv om kvanteobjekter lever i usikre stater, foregår eksperimentell observasjon i det klassiske riket og gir entydige resultater.

Nå rister Frauchiger og Renner fysikere ut av denne trøstende posisjonen. Deres teoretiske begrunnelse sier at det grunnleggende København-bildet - samt andre tolkninger som deler noen av sine grunnleggende forutsetninger - er ikke internt konsistent.

Hva er i boksen?

Deres scenarium er betydelig mer involvert enn Schrödinger katt foreslått i 1935, hvor felinen bodde i en boks med en mekanisme som ville frigjøre en gift på grunnlag av en tilfeldig forekomst, som for eksempel en atomkjernees forfall. I så fall var kattens tilstand usikker til eksperimentøren åpnet boksen og sjekket den.

I 1967 foreslo den ungarske fysikeren Eugene Wigner en versjon av paradokset der han erstattet katten og giftet med en fysikvenn som bodde inne i en boks med en måleenhet som kunne returnere ett av to resultater, for eksempel en mynt som viser hoder eller haler. Bryter bølgefunksjonen når Wigners venn blir oppmerksom på resultatet? En tankegang sier at den gjør det, og tyder på at bevisstheten er utenfor quantum-riket. Men hvis kvantemekanikk gjelder fysikeren, burde hun være i en usikker tilstand som kombinerer begge resultatene inntil Wigner åpner boksen.

Frauchiger og Renner har en enda mer sofistikert versjon (Se nye katter i byen grafisk). De har to Wigners, som hver gjør et eksperiment på en fysikvenn som de holder i en boks. En av de to vennene (kaller Alice) kan kaste en mynt og bruke sin kunnskap om kvantfysikk - lag en kvantemelding til å sende til den andre vennen (kaller ham Bob). Ved hjelp av hans kunnskap om kvantteori kan Bob oppdage Alice's melding og gjette resultatet av hennes myntkast. Når de to Wigners åpner sine bokser, kan de i noen situasjoner med sikkerhet bestemme hvilken side mynten landet på, sier Renner-men noen ganger er deres konklusjoner inkonsekvente. "En sier, " Jeg er sikker på at det er haler, "og den andre sier:" Jeg er sikker på at det er hodet, "sier Renner.

18. september 2018; doi: 10, 1038 / d41586-018-06749-8

Forsøket kan ikke tråkkes, fordi det ville kreve at Wigners måler alle kvanteegenskapene til vennene sine, som inkluderer å lese sine tanker, peker ut teoretikeren Lídia Del Rio, en kollega til Renner på ETH Zürich.

Likevel kan det være mulig å få to kvante datamaskiner til å spille delene av Alice og Bob. Argumentets logikk krever bare at de kjenner fysikkens regler og tar avgjørelser basert på dem, og i prinsippet kan man oppdage fullstendig kvante tilstand av en kvantecomputer. (Quantum datamaskiner sofistikerte nok til å gjøre dette eksisterer ikke, Renner peker ut.)

Dueller fortolkninger

Fysikere kommer fremdeles til uttrykk for konsekvensene av resultatet. Det har utløst oppvarmede svar fra eksperter i grunnlaget for kvantteori, hvorav mange har en tendens til å være beskyttende for deres kjæledyrsfortolkning. "Noen blir følelsesmessige, " sier Renner. Og ulike forskere har en tendens til å trekke forskjellige konklusjoner. "De fleste hevder at eksperimentet viser at deres tolkning er den eneste som er riktig."

For Leifer burde produsere inkonsekvente resultater ikke nødvendigvis være en avtalebryter. Noen tolkninger av kvantemekanikk tillater allerede visninger av virkelighet som er avhengig av perspektiv. Det kan være mindre ubehagelig enn å innrømme at kvanteorienteringen ikke gjelder for komplekse ting som mennesker, sier han.

Robert Spekkens, en teoretisk fysiker ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, sier at veien ut av paradokset kunne skjule seg i noen subtile antagelser i argumentet, særlig i kommunikasjonen mellom Alice og Bob.

"I mine tanker er det mange situasjoner hvor å ta en persons kunnskap ombord, innebærer noen oversettelse av deres kunnskaper." Kanskje oppstår uoverensstemmelsen fra Bob, som ikke tolker Alice's melding riktig, sier han. Men han innrømmer at han ikke har funnet en løsning ennå.

For nå vil fysikere sannsynligvis fortsette å diskutere. «Jeg tror ikke vi har gjort noe for det, » sier Leifer.

Denne artikkelen er reprodusert med tillatelse og ble først publisert 18. september 2018.

Hva betyr Trumps nye "åpne sinn" på klimatakkordet?Den overraskende opprinnelsen til evolusjonær kompleksitet"Star Wars" Planeter Migrere inn i posisjon rundt StellarUniversets kuleste lab satt til Open Quantum WorldØkofriendly Tolls ?: Congestion Pricing Fremmer Mass TransitEvolusjon og klimavitenskap gjør graden i statlige utdanningsstandarderDen afrikanske grønne revolusjonen (utvidet versjon)99 Prosent Chance 2016 blir det heteste året på posten