Το κβαντικό παράδοξο παραπέμπει σε σαθρά θεμέλια της πραγματικότητας

Πριν από σχεδόν 60 χρόνια, ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Eugene Wigner κατέγραψε μια από τις πολλές παραξενιές της κβαντικής μηχανικής σε ένα σκεπτικό πείραμα. Φαντάστηκε έναν φίλο του, σφραγισμένο σε ένα εργαστήριο, να μετράει ένα σωματίδιο όπως ένα άτομο ενώ ο Wigner στεκόταν έξω. Η κβαντομηχανική επιτρέπει στα σωματίδια να καταλαμβάνουν πολλές θέσεις ταυτόχρονα —μια λεγόμενη υπέρθεση— αλλά η παρατήρηση του φίλου «καταρρέει» το σωματίδιο σε ένα μόνο σημείο. Ωστόσο, για τον Wigner, η υπέρθεση παραμένει:Η κατάρρευση συμβαίνει μόνο όταν αυτός κάνει μέτρηση λίγο αργότερα. Ακόμη χειρότερα, ο Wigner βλέπει επίσης τον φίλο σε μια υπέρθεση. Οι εμπειρίες τους έρχονται σε άμεση σύγκρουση.

Τώρα, ερευνητές στην Αυστραλία και την Ταϊβάν προσφέρουν ίσως την πιο έντονη απόδειξη ότι το παράδοξο του Wigner είναι πραγματικό. Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε αυτήν την εβδομάδα στο Nature Physics , μετατρέπουν το πείραμα σκέψης σε ένα μαθηματικό θεώρημα που επιβεβαιώνει την ασυμβίβαστη αντίφαση στην καρδιά του σεναρίου. Η ομάδα δοκιμάζει επίσης το θεώρημα με ένα πείραμα, χρησιμοποιώντας φωτόνια ως υποκατάστατα για τους ανθρώπους. Ενώ ο Wigner πίστευε ότι η επίλυση του παραδόξου απαιτεί τη διάσπαση της κβαντικής μηχανικής για μεγάλα συστήματα όπως οι ανθρώπινοι παρατηρητές, ορισμένοι από τους συγγραφείς της νέας μελέτης πιστεύουν ότι κάτι εξίσου θεμελιώδες υπάρχει στον λεπτό πάγο:η αντικειμενικότητα. Θα μπορούσε να σημαίνει ότι δεν υπάρχει απόλυτο γεγονός, που να ισχύει τόσο για μένα όσο και για εσάς.

«Είναι λίγο ανησυχητικό», λέει η συν-συγγραφέας Nora Tischler του Πανεπιστημίου Griffith. "Ένα αποτέλεσμα μέτρησης είναι αυτό στο οποίο βασίζεται η επιστήμη. Εάν κατά κάποιο τρόπο αυτό δεν είναι απόλυτο, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς."

Για τους φυσικούς που έχουν απορρίψει τα πειράματα σκέψης όπως αυτό του Wigner ως ερμηνευτική ομφαλική ματιά, η μελέτη δείχνει ότι οι αντιφάσεις μπορούν να προκύψουν σε πραγματικά πειράματα, λέει ο Dustin Lazarovici, ένας φυσικός και φιλόσοφος στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης που δεν ήταν μέλος της ομάδας. "Η εφημερίδα καταβάλλει κάθε δυνατή προσπάθεια για να μιλήσει τη γλώσσα εκείνων που προσπάθησαν να συζητήσουν απλώς θεμελιώδη ζητήματα και έτσι μπορεί να αναγκάσουν τουλάχιστον κάποιους να τα αντιμετωπίσουν", λέει.

Το πείραμα σκέψης του Wigner έχει ξαναδώσει την προσοχή τα τελευταία χρόνια. Το 2015, ο Časlav Brukner από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης δοκίμασε τον πιο διαισθητικό τρόπο για να αντιμετωπίσει το παράδοξο:ότι ο φίλος μέσα στο εργαστήριο, στην πραγματικότητα, είδε το σωματίδιο σε ένα μέρος ή στο άλλο, και ο Wigner απλά δεν ξέρει τι είναι ακόμα. . Στην ορολογία της κβαντικής θεωρίας, το αποτέλεσμα του φίλου είναι μια κρυφή μεταβλητή.

Ο Μπρούκνερ απέκλεισε αυτό το συμπέρασμα σε ένα δικό του πείραμα σκέψης, χρησιμοποιώντας ένα τέχνασμα -βασισμένο στην κβαντική εμπλοκή- για να φέρει την κρυμμένη μεταβλητή στο ανοιχτό. Φαντάστηκε να στήνει δύο ζεύγη φίλων-Wigner και να δίνει στο καθένα ένα σωματίδιο, μπλεγμένο με τον σύντροφό του με τέτοιο τρόπο ώστε τα χαρακτηριστικά τους, κατά τη μέτρηση, να συσχετίζονται. Κάθε φίλος μετρά το σωματίδιο, κάθε Wigner μετρά τον φίλο που μετρά το σωματίδιο και οι δύο Wigner συγκρίνουν τις νότες. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Αν οι φίλοι έβλεπαν σίγουρα αποτελέσματα -όπως μπορεί να υποψιάζεστε- τα ίδια τα ευρήματα του Wigners θα έδειχναν μόνο ασθενείς συσχετισμούς. Αντίθετα, όμως, βρίσκουν ένα μοτίβο ισχυρών συσχετισμών. «Έχετε αντιφάσεις», λέει ο Brukner. Το πείραμά του και ένα παρόμοιο πείραμα το 2016 από την Daniela Frauchiger και τον Renato Renner του ETH Zürich οδήγησαν σε μια έκρηξη εργασιών και έντονη συζήτηση σε συνέδρια.

Αλλά το 2018, ο Richard Healey, ένας φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, επεσήμανε ένα κενό στο πείραμα σκέψης του Brukner, το οποίο η Tischler και οι συνεργάτες της έχουν πλέον κλείσει. Στο νέο τους σενάριο κάνουν τέσσερις υποθέσεις. Το ένα είναι ότι τα αποτελέσματα που αποκτούν οι φίλοι είναι πραγματικά:Μπορούν να συνδυαστούν με άλλες μετρήσεις για να σχηματίσουν ένα κοινό σώμα γνώσης. Υποθέτουν επίσης ότι η κβαντική μηχανική είναι καθολική και ισχύει τόσο για τους παρατηρητές όσο και για τα σωματίδια. ότι οι επιλογές που κάνουν οι παρατηρητές είναι απαλλαγμένες από περίεργες προκαταλήψεις που προκαλούνται από έναν θεϊκό υπερντετερμινισμό. και ότι η φυσική είναι τοπική, απαλλαγμένη από όλες εκτός από την πιο περιορισμένη μορφή "απόκοσμης δράσης" σε απόσταση.

Ωστόσο, η ανάλυσή τους δείχνει ότι οι αντιφάσεις του παραδόξου του Wigner εξακολουθούν να υφίστανται. Το επιτραπέζιο πείραμα της ομάδας, στο οποίο δημιούργησαν μπερδεμένα φωτόνια, υποστηρίζει επίσης το παράδοξο. Τα οπτικά στοιχεία οδήγησαν κάθε φωτόνιο σε μια διαδρομή που εξαρτιόταν από την πόλωσή του:το ισοδύναμο των παρατηρήσεων των φίλων. Στη συνέχεια, το φωτόνιο εισήλθε σε ένα δεύτερο σύνολο στοιχείων και ανιχνευτών που έπαιξαν το ρόλο των Wigners. Η ομάδα διαπίστωσε, ξανά, μια ασυμβίβαστη αναντιστοιχία μεταξύ των φίλων και των Wigners. Επιπλέον, διαφοροποίησαν ακριβώς το πόσο μπερδεμένα ήταν τα σωματίδια και έδειξαν ότι η αναντιστοιχία συμβαίνει για διαφορετικές συνθήκες από ό,τι στο σενάριο του Brukner. "Αυτό δείχνει ότι έχουμε πραγματικά κάτι νέο εδώ", λέει ο Tischler.

Υποδεικνύει επίσης ότι μία από τις τέσσερις υποθέσεις πρέπει να δώσει. Λίγοι φυσικοί πιστεύουν ότι ο υπερντετερμινισμός μπορεί να ευθύνεται. Μερικοί βλέπουν την εντοπιότητα ως το αδύναμο σημείο, αλλά η αποτυχία της θα ήταν ολοφάνερη:Οι ενέργειες ενός παρατηρητή θα επηρέαζαν τα αποτελέσματα ενός άλλου ακόμη και σε μεγάλες αποστάσεις—ένα ισχυρότερο είδος μη τοπικότητας από ό,τι θεωρούν συχνά οι κβαντικοί θεωρητικοί. Έτσι, ορισμένοι αμφισβητούν το δόγμα ότι οι παρατηρητές μπορούν να συγκεντρώσουν τις μετρήσεις τους εμπειρικά. «Μπορεί να υπάρχουν γεγονότα για έναν παρατηρητή και γεγονότα για έναν άλλο· δεν χρειάζεται να συνδυάζονται», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης και φυσικός του Γκρίφιθ, Χάουαρντ Γουάιζμαν. Είναι ένας ριζοσπαστικός σχετικισμός, που εξακολουθεί να ενοχλεί πολλούς. "Από μια κλασική προοπτική, αυτό που βλέπει ο καθένας θεωρείται αντικειμενικό, ανεξάρτητα από αυτό που βλέπει οποιοσδήποτε άλλος", λέει η Olimpia Lombardi, φιλόσοφος της φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μπουένος Άιρες.

Και μετά υπάρχει το συμπέρασμα του Wigner ότι η ίδια η κβαντική μηχανική καταρρέει. Από τις υποθέσεις, είναι η πιο άμεσα ελεγχόμενη, με πειράματα που διερευνούν την κβαντομηχανική σε όλο και μεγαλύτερες κλίμακες. Αλλά η μία θέση που δεν επιβιώνει της ανάλυσης είναι να μην έχεις θέση, λέει ένας άλλος συν-συγγραφέας στο Griffith, ο Eric Cavalcanti. «Οι περισσότεροι φυσικοί, σκέφτονται:«Αυτό είναι απλώς φιλοσοφικό τζάμπο», λέει. "Θα περάσουν δύσκολα."

*Διευκρίνιση, 18 Αυγούστου, 10:10 π.μ.: Τα σχόλια του Howard Wiseman σχετικά με την αντικειμενικότητα έχουν διευκρινιστεί.