Альтернативные псевдонаучные теории были раньше и существуют даже сейчас — взять хотя бы полушутливое движение «плоскоземельщиков». Но теперь, похоже, уже настоящие ученые сталкиваются со схожей проблемой — по крайней мере, в квантовой сфере. Это может показаться нелогичным. В конце концов, научный подход основан на надежных понятиях наблюдения, измерения и повторяемости. Факт, установленный измерением, должен быть объективным, таким, чтобы все наблюдатели могли его проверить.
Наблюдатели — могущественные игроки в квантовом мире. Согласно теории, частицы могут находиться в нескольких местах или состояниях одновременно — это называется суперпозицией. Но, как ни странно, только в том случае, когда они не наблюдаются. В тот момент, когда вы наблюдаете квантовую систему, она выбирает определенное место или состояние, тем самым разрушая суперпозицию.
Тот факт, что природа ведет себя таким образом, неоднократно доказывался в лаборатории — например, в знаменитом эксперименте с двумя щелями. Допустим, что вы пускаете электроны через две щели и смотрите, какая картинка будет на экране за ними. Думаю, многие согласятся с тем, что должно получиться как-то так:
Однако на деле получается... вот так:
Это так называемое явление корпускулярно-волнового дуализма, когда тот же электрон ведет себя и как частица, и как волна. А две волны в двух щелях, с одинаковыми максимумами и минимумами, создают красивую дифракционную картину:
Более того — дифракционная картина будет даже в том случае, если мы будем пускать электроны по одному, то есть каждый из них должен пройти через обе щели, но при этом на экране каждый из них оставит лишь один след.
Это кажется странным, ведь не может же одна частица быть в двух местах одновременно. Поэтому поставим рядом с одной из щелей детектор, и что же мы увидим? На экране будет всего две полосы как раз напротив щелей (первая картинка), то есть наше наблюдение за суперпозицией разрушает ее, и каждый электрон начинает проходить только через одну щель.
Теоретический эксперимент Вигнера
Про кота Шредингера знают даже далекие от науки люди: есть закрытая коробка с котом и механизмом, который убьет животное с вероятностью 50% за час. Поэтому до открытия коробки мы не знаем, жив в ней кот или нет — для нас он находится в суперпозиции, в состоянии «ни жив ни мертв».
В 1961 году физик Юджин Вигнер предложил усложненную версию эксперимента. Он ввел категорию «друзей». После завершения опыта экспериментатор открывает коробку и видит живого кота. Суперпозиция разрушается, так как он пронаблюдал состояние кота. Таким образом, в лаборатории кот признан живым.
За пределами лаборатории находится друг экспериментатора. Друг ещё не знает, жив кот или мёртв. Друг признает кота живым только тогда, когда экспериментатор сообщит ему исход эксперимента. И все остальные люди ещё не признали кота живым, и признают только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым (или полностью мёртвым) только тогда, когда все люди во Вселенной узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе Вселенной кот, согласно Вигнеру, остаётся живым и мёртвым одновременно.
Это представляет собой загадку. Реальность, воспринимаемая экспериментатором в лаборатории, не может быть согласована с реальностью снаружи. Первоначально Вигнер не считал это большим парадоксом: он утверждал, что было бы нелепо описывать сознательного наблюдателя как квантовый объект. Однако позже он отошел от этой точки зрения, и согласно учебникам по квантовой механике, в таком эксперименте нет противоречий.
Проверка мысленного эксперимента на практике
Сценарий долгое время оставался интересным мысленным экспериментом. С научной точки зрения прогресс в этом направлении был незначительным до недавнего времени, когда Часлав Брукнер из Венского университета показал, что при определенных предположениях идея Вигнера может быть использована для формального доказательства того, что измерения в квантовой механике субъективны для наблюдателей.
Брукнер предложил способ проверить это понятие, переведя сценарий друзей Вигнера в рамки, впервые установленные физиком Джоном Беллом в 1964 году. Брюкнер рассматривал две пары Вигнеров и их друзей, находящихся в двух отдельных лабораториях и проводящих измерения: Вигнеры находились внутри, а друзья снаружи. Результаты измерений каждой пары можно суммировать, чтобы проверить, выполняются ли так называемые неравенства Белла.
Их суть заключается в том, что даже если мы точно не знаем, есть ли в квантовой теории скрытые параметры, можно провести такой серийный эксперимент, результаты которого либо подтвердят, либо опровергнут наличие таких параметров.
Ученые из университета Хериот-Ватт в Эдинбурге решили проверить эти неравенства на небольшом квантовом компьютере, состоящем из трех пар запутанных фотонов — то есть тех, чьи квантовые состояния связаны друг с другом. Проще всего это объяснить на примере... двух носков: как только вы надеваете один на правую ногу, второй автоматически становится левым, то есть эти носки — «квантово запутанные».
Первая пара фотонов представляет собой «монеты», вторая пара используется для выполнения «бросков монет» — измерения поляризации фотонов — внутри каждой «коробки». Последняя пара остается за пределами «двух коробок», но все еще квантово запутанна с соответствующими частицами внутри, то есть позволяет узнать их состояния, не открывая «коробок».
Несмотря на использование современных квантовых технологий, потребовались недели, чтобы собрать нужное количество данных всего от шести фотонов. Но в итоге им удалось показать, что квантовая механика действительно может быть несовместима с предположением об объективных фактах — говоря научным языком, неравенства Белла были нарушены.
Однако этот эксперимент базировался на нескольких предположениях. Они включают в себя то, что результаты измерений не зависят от сигналов, движущихся выше скорости света, и что наблюдатели могут свободно выбирать, какие измерения делать. Как это влияет на исход эксперимента — сказать пока что невозможно.
Другой важный вопрос — можно ли считать одиночные фотоны наблюдателями. В теоретическом предположении Брукнера наблюдатели совсем не обязаны быть сознательными, они просто должны быть в состоянии установить один из двух результатов эксперимента и не более того.
Поэтому неодушевленный детектор вполне может быть работающим наблюдателем. И учебник по квантовой механике не дает нам никаких оснований полагать, что детектор не может быть такой же частицой, за которой он «наблюдает». Также возможно, что стандартная квантовая механика не работает на макроскопических масштабах, но тестирование этого — отдельная проблема.
Таким образом, этот эксперимент показывает, что, по крайней мере, для локальных моделей квантовой механики нам необходимо переосмыслить наше понятие объективности. Факты, которые мы наблюдаем в нашем макроскопическом мире, по-видимому, остаются в безопасности, но возникает серьезный вопрос о том, как существующие интерпретации квантовой механики будут учитывать субъективные факты.
Интерпретировать полученные результаты можно по-разному. Например, в этом эксперименте можно найти подтверждение сосуществования рядом множества параллельных вселенных, в каждой из которых получается свой результат эксперимента (привет, Рик).
Другие ученые рассматривают новый эксперимент как убедительное доказательство правильности зависимых от наблюдателя теорий, таких как квантовый байесовский подход, в котором действия и опыт наблюдателя являются центральными вопросами теории. Но все же многие считают это явным указателем на то, что, возможно, квантовая механика перестает нормально работать дальше определенных масштабов.
Очевидно, что все это глубоко философские вопросы о фундаментальной природе реальности. Каким бы ни был ответ, нас ждет очень интересное будущее.
