Могут ли две версии реальности существовать одновременно? Физики говорят, что могут - на квантовом уровне, то есть.
Исследователи недавно провели эксперименты, чтобы ответить на давний вопрос теоретической физики о дуэльных реальностях. Этот хитрый мысленный эксперимент предположил, что два человека, наблюдающие один и тот же фотон, могут прийти к разным выводам о состоянии этого фотона - и все же оба их наблюдения будут правильными.
Впервые ученые воспроизвели условия, описанные в мысленном эксперименте. Их результаты, опубликованные 13 февраля в препринтном журнале arXiv, подтвердили, что даже когда наблюдатели описывали разные состояния в одном и том же фотоне, обе противоречивые реальности могли быть правдой.
«Вы можете проверить их обоих», - сказал соавтор исследования Мартин Рингбауэр, научный сотрудник факультета экспериментальной физики Инсбрюкского университета в Австрии.
Друг Вигнера
Эта озадачивающая идея была детищем Юджина Вигнера, лауреата Нобелевской премии по физике в 1963 году. В 1961 году Вигнер представил мысленный эксперимент, который стал известен как «друг Вигнера». Все начинается с фотона - частицы света. Когда наблюдатель в изолированной лаборатории измеряет фотон, он обнаруживает, что поляризация частицы - ось, на которой она вращается, - вертикальная или горизонтальная.
Однако, прежде чем фотон измеряется, он отображает обе поляризации одновременно, как это диктуется законами квантовой механики; он существует в «суперпозиции» двух возможных состояний.
Как только человек в лаборатории измеряет фотон, частица приобретает фиксированную поляризацию. Но для кого-то за пределами этой закрытой лаборатории, который не знает результатов измерений, неизмеренный фотон все еще находится в состоянии суперпозиции.
Поэтому наблюдение этого постороннего - их реальность - расходится с реальностью человека в лаборатории, который измерял фотон. Тем не менее, согласно квантовой механике, ни одно из этих противоречивых наблюдений не считается ошибочным.
Измененные состояния
На протяжении десятилетий внушительное предложение Вигнера было просто интересным мысленным экспериментом. Но в последние годы важные достижения в области физики наконец позволили экспертам проверить предложение Вигнера, сказал Рингбауэр.
«Теоретические достижения были необходимы, чтобы сформулировать проблему таким образом, чтобы ее можно было проверить. Затем экспериментальной стороне потребовались разработки по управлению квантовыми системами для реализации чего-то подобного», - пояснил он.
Рингбауэр и его коллеги проверили оригинальную идею Вигнера с еще более строгим экспериментом, который удвоил сценарий. Они определили две «лаборатории», в которых будут проводиться эксперименты, и представили две пары запутанных фотонов, что означает, что их судьбы связаны, так что знание состояния одного автоматически говорит вам о состоянии другого. (Фотоны в установке были реальными. Четыре «человека» в сценарии - «Алиса», «Боб» и «друг» каждого - не были реальными, а вместо этого представляли наблюдателей эксперимента).
Два друга Алисы и Боба, которые находились «внутри» каждой из лабораторий, каждый измеряли один фотон в запутанной паре. Это разрушило запутанность и разрушило суперпозицию, означая, что фотон, который они измеряли, существовал в определенном состоянии поляризации. Они записали результаты в квантовую память - скопировали поляризацию второго фотона.
Алисе и Бобу, которые находились «вне» закрытых лабораторий, затем предоставили два варианта проведения собственных наблюдений. Они могли бы измерить результаты своих друзей, которые были сохранены в квантовой памяти, и таким образом прийти к тем же выводам о поляризованных фотонах.
Но они также могут провести свой собственный эксперимент между запутанными фотонами. В этом эксперименте, известном как эксперимент с интерференцией, если фотоны действуют как волны и все еще существуют в суперпозиции состояний, то Алиса и Боб увидят характерную картину светлых и темных полос, где пики и долины световых волн добавляют вверх или отменить друг друга. Если частицы «выбрали» свое состояние, вы бы увидели другую картину, чем если бы они этого не сделали. Ранее Вигнер предполагал, что это покажет, что фотоны все еще находятся в запутанном состоянии.
Авторы нового исследования обнаружили, что даже при их двойном сценарии результаты, описанные Вигнером, держатся. Алиса и Боб могли прийти к выводам о фотонах, которые были правильными и доказуемыми, и которые все же отличались от наблюдений их друзей - которые также были правильными и доказуемыми, согласно исследованию.
Квантовая механика описывает, как мир работает в таких малых масштабах, что нормальные правила физики больше не применяются; По словам Рингбауэра, в течение многих десятилетий эксперты, изучающие эту область, предлагали многочисленные толкования того, что это значит.
Однако, если сами измерения не являются абсолютными - как показывают эти новые результаты - это бросает вызов самому значению квантовой механики.
«Кажется, что, в отличие от классической физики, результаты измерений нельзя считать абсолютной правдой, но их следует понимать относительно наблюдателя, который выполнял измерения», - сказал Рингбауэр.
«Истории, которые мы рассказываем о квантовой механике, должны адаптироваться к этому», - сказал он.
