Alternatywne fakty rozprzestrzeniają się jak wirus w całym społeczeństwie. Wygląda na to, że nawet zainfekowali naukę - przynajmniej królestwo kwantowe. Może się to wydawać sprzeczne z intuicją. Metoda naukowa opiera się przecież na wiarygodnych pojęciach obserwacji, pomiaru i powtarzalności. Fakt ustalony na podstawie pomiaru powinien być obiektywny, aby wszyscy obserwatorzy mogli się z nim zgodzić.
Ale w artykule opublikowanym niedawno w Science Advances pokazujemy, że w mikroświecie atomów i cząstek rządzonych dziwnymi zasadami mechaniki kwantowej dwaj różni obserwatorzy mają prawo do własnych faktów. Innymi słowy, zgodnie z naszą najlepszą teorią samych elementów budulcowych natury, fakty mogą faktycznie być subiektywne.
Obserwatorzy to potężni gracze w świecie kwantowym. Zgodnie z teorią cząstki mogą znajdować się jednocześnie w kilku miejscach lub stanach - nazywa się to superpozycją. Ale, co dziwne, dzieje się tak tylko wtedy, gdy nie są obserwowane. Gdy tylko zauważysz układ kwantowy, wybiera on określoną lokalizację lub stan - przełamując superpozycję. Fakt, że przyroda zachowuje się w ten sposób, został wielokrotnie udowodniony w laboratorium - na przykład w słynnym eksperymencie z podwójną szczeliną.
W 1961 roku fizyk Eugene Wigner zaproponował prowokujący eksperyment myślowy. Zakwestionował, co by się stało, gdyby zastosował mechanikę kwantową u obserwatora, który sam jest obserwowany. Wyobraź sobie, że przyjaciel Wignera rzuca monetę kwantową - która jest superpozycją zarówno głów, jak i ogonów - wewnątrz zamkniętego laboratorium. Za każdym razem, gdy przyjaciel rzuca monetą, obserwuje określony wynik. Można powiedzieć, że przyjaciel Wignera potwierdza fakt: wynikiem rzutu monetą jest zdecydowanie głowa lub ogon.
Wigner nie ma dostępu do tego faktu z zewnątrz i zgodnie z mechaniką kwantową musi opisać przyjaciela i monetę, aby znaleźć się w superpozycji wszystkich możliwych wyników eksperymentu. Jest tak, ponieważ są one „splątane” - upiornie połączone, tak więc jeśli manipulujesz jednym, manipulujesz również drugim. Wigner może teraz w zasadzie zweryfikować tę superpozycję za pomocą tak zwanego „eksperymentu interferencyjnego” - rodzaju pomiaru kwantowego, który pozwala rozwikłać superpozycję całego układu, potwierdzając, że dwa obiekty są splątane.
Kiedy Wigner i przyjaciel porównają później notatki, przyjaciel będzie nalegał, aby zobaczyli określone wyniki dla każdego rzutu monetą. Wigner jednak się nie zgodzi, ilekroć zobaczy przyjaciela i monetę w superpozycji.
To stanowi zagadkę. Rzeczywistości postrzeganej przez przyjaciela nie da się pogodzić z rzeczywistością na zewnątrz. Wigner początkowo nie uważał tego za paradoks, argumentował, że absurdem byłoby opisanie świadomego obserwatora jako obiektu kwantowego. Później jednak odszedł od tego poglądu i według oficjalnych podręczników z mechaniki kwantowej opis jest całkowicie poprawny.
Eksperyment
Scenariusz od dawna pozostaje interesującym eksperymentem myślowym. Ale czy odzwierciedla rzeczywistość? Z naukowego punktu widzenia postępy w tej dziedzinie były niewielkie do niedawna, kiedy Časlav Brukner z Uniwersytetu Wiedeńskiego wykazał, że przy pewnych założeniach pomysł Wignera można formalnie udowodnić, że pomiary w mechanice kwantowej są subiektywne dla obserwatorów.
Brukner zaproponował sposób przetestowania tego pojęcia poprzez przełożenie scenariusza przyjaciela Wignera na środowisko opracowane po raz pierwszy przez fizyka Johna Bella w 1964 r. Brukner rozważał dwie pary Wignera i przyjaciół w dwóch osobnych polach, przeprowadzając pomiary wspólnego stanu - wewnątrz i poza odpowiednim polem. Wyniki można podsumować, aby ostatecznie wykorzystać je do oceny tzw. „Nierówności Bell”. W przypadku naruszenia tej nierówności obserwatorzy mogą mieć alternatywne fakty.
Po raz pierwszy przeprowadziliśmy ten test eksperymentalnie na Uniwersytecie Heriot-Watt w Edynburgu na małym komputerze kwantowym złożonym z trzech par splątanych fotonów. Pierwsza para fotonów reprezentuje monety, a pozostałe dwie służą do wykonania rzutu monetą - pomiaru polaryzacji fotonów - wewnątrz odpowiedniego pudełka. Poza dwoma pudełkami po każdej stronie pozostają dwa fotony, które również można zmierzyć.
Pomimo zastosowania najnowocześniejszej technologii kwantowej, zgromadzenie wystarczających danych z zaledwie sześciu fotonów zajęło tygodnie, aby wygenerować wystarczającą liczbę statystyk. Ale ostatecznie udało nam się wykazać, że mechanika kwantowa może być rzeczywiście niezgodna z założeniem obiektywnych faktów - naruszyliśmy nierówność.
Teoria opiera się jednak na kilku założeniach. Obejmują one, że na wyniki pomiaru nie mają wpływu sygnały przemieszczające się powyżej prędkości światła i że obserwatorzy mają swobodę wyboru, jakie pomiary wykonać. Tak może być lub nie.
Innym ważnym pytaniem jest to, czy pojedyncze fotony można uznać za obserwatorów. W teorii Bruknera obserwatorzy nie muszą być świadomi, muszą jedynie być w stanie ustalić fakty w postaci wyniku pomiaru. Detektor nieożywionych byłby zatem ważnym obserwatorem. A podręcznik mechaniki kwantowej nie daje podstaw, by sądzić, że detektor, który może być tak mały jak kilka atomów, nie powinien być opisywany jako obiekt kwantowy tak jak foton. Możliwe jest również, że standardowa mechanika kwantowa nie ma zastosowania w dużych skalach długości, ale testowanie jest osobnym problemem.
Ten eksperyment pokazuje zatem, że przynajmniej w przypadku lokalnych modeli mechaniki kwantowej musimy przemyśleć nasze pojęcie obiektywności. Fakty, których doświadczamy w naszym makroskopowym świecie, wydają się być bezpieczne, ale pojawia się główne pytanie, w jaki sposób istniejące interpretacje mechaniki kwantowej mogą uwzględniać subiektywne fakty.
Niektórzy fizycy postrzegają te nowe osiągnięcia jako wzmacniające interpretacje, które pozwalają na więcej niż jeden wynik obserwacji, na przykład istnienie równoległych wszechświatów, w których każdy rezultat ma miejsce. Inni uważają to za przekonujący dowód na teorie zależne od obserwatora, takie jak bayesianizm kwantowy, w którym działania i doświadczenia agenta są głównymi zagadnieniami teorii. Ale jeszcze inni uważają to za silny wskaźnik, że być może mechanika kwantowa załamie się powyżej pewnych skali złożoności.
Oczywiście są to głęboko filozoficzne pytania dotyczące fundamentalnej natury rzeczywistości. Niezależnie od odpowiedzi czeka ciekawa przyszłość.
