Czy mogą istnieć dwie wersje rzeczywistości w tym samym czasie? Fizycy twierdzą, że mogą - to znaczy na poziomie kwantowym.
Naukowcy przeprowadzili niedawno eksperymenty, aby odpowiedzieć na dziesięcioletnie teoretyczne pytanie fizyki dotyczące rzeczywistości pojedynków. W tym podstępnym eksperymencie myślowym zaproponowano, że dwie osoby obserwujące ten sam foton mogą dojść do różnych wniosków na temat stanu tego fotonu - a mimo to obie ich obserwacje byłyby prawidłowe.
Po raz pierwszy naukowcy odtworzyli warunki opisane w eksperymencie myślowym. Ich wyniki, opublikowane 13 lutego w przedrukowym dzienniku arXiv, potwierdziły, że nawet gdy obserwatorzy opisują różne stany na tym samym fotonie, obie sprzeczne rzeczywistości mogą być prawdą.
„Możesz zweryfikować oba z nich” - powiedział Live Science współautor badania Martin Ringbauer, doktorant z Wydziału Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu w Innsbrück w Austrii.
Przyjaciel Wignera
Ten kłopotliwy pomysł był pomysłem Eugene'a Wignera, zdobywcy Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1963 roku. W 1961 roku Wigner wprowadził eksperyment myślowy, który stał się znany jako „przyjaciel Wignera”. Zaczyna się od fotonu - cząsteczki światła. Gdy obserwator w izolowanym laboratorium mierzy foton, okazuje się, że polaryzacja cząstki - oś, na której wiruje - jest pionowa lub pozioma.
Jednak zanim foton zostanie zmierzony, foton wyświetla obie polaryzacje naraz, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej; istnieje w „superpozycji” dwóch możliwych stanów.
Gdy osoba w laboratorium mierzy foton, cząstka przyjmuje stałą polaryzację. Ale dla kogoś spoza tego zamkniętego laboratorium, który nie zna wyniku pomiarów, niezmierzony foton jest nadal w stanie superpozycji.
Obserwacja osoby z zewnątrz - ich rzeczywistość - odbiega zatem od rzeczywistości osoby w laboratorium, która mierzyła foton. Jednak żadna z tych sprzecznych obserwacji nie jest uważana za błędną, zgodnie z mechaniką kwantową.
Odmienne stany
Przez dziesięciolecia zaskakująca propozycja Wignera była interesującym eksperymentem myślowym. Jednak w ostatnich latach ważne postępy w dziedzinie fizyki umożliwiły ekspertom przetestowanie propozycji Wignera, powiedział Ringbauer.
„Potrzebne były postępy teoretyczne, aby sformułować problem w sposób dający się przetestować. Następnie strona eksperymentalna potrzebowała ulepszeń w zakresie kontroli układów kwantowych w celu wdrożenia czegoś takiego” - wyjaśnił.
Ringbauer i jego koledzy przetestowali oryginalny pomysł Wignera za pomocą bardziej rygorystycznego eksperymentu, który podwoił scenariusz. Wyznaczili dwa „laboratoria”, w których miałyby się odbywać eksperymenty, i wprowadzili dwie pary splątanych fotonów, co oznacza, że ich losy były powiązane, tak że znajomość stanu jednego automatycznie informuje o stanie drugiego. (Fotony w zestawie były prawdziwe. Cztery „osoby” w scenariuszu - „Alice”, „Bob” i „przyjaciel” każdego z nich - nie były prawdziwe, ale reprezentowały obserwatorów eksperymentu).
Dwaj przyjaciele Alice i Boba, którzy byli „wewnątrz” każdego laboratorium, zmierzyli jeden foton w splątanej parze. To przerwało zaplątanie i zawaliło superpozycję, co oznacza, że mierzony foton istniał w określonym stanie polaryzacji. Zapisali wyniki w pamięci kwantowej - skopiowane w polaryzacji drugiego fotonu.
Alice i Bob, którzy byli „poza” zamkniętymi laboratoriami, mieli następnie dwie możliwości przeprowadzenia własnych obserwacji. Mogli mierzyć wyniki swoich przyjaciół przechowywane w pamięci kwantowej, a tym samym dojść do takich samych wniosków na temat spolaryzowanych fotonów.
Ale mogli również przeprowadzić własny eksperyment między splątanymi fotonami. W tym eksperymencie, znanym jako eksperyment interferencyjny, jeśli fotony działają jak fale i nadal istnieją w superpozycji stanów, wtedy Alice i Bob zobaczyliby charakterystyczny wzór jasnych i ciemnych obrzeży, w których dodają szczyty i doliny fal świetlnych w górę lub anuluj się nawzajem. Jeśli cząstki „wybrały” swój stan, zobaczyłbyś inny wzór niż gdyby tego nie zrobił. Wigner wcześniej zaproponował, że ujawni to, że fotony nadal są w stanie splątania.
Autorzy nowego badania stwierdzili, że nawet w podwójnym scenariuszu wyniki opisane przez Wignera były takie same. Alice i Bob mogli dojść do wniosków na temat fotonów, które były poprawne i możliwe do udowodnienia, a które wciąż różniły się od obserwacji ich przyjaciół - które również były prawidłowe i możliwe do udowodnienia, zgodnie z badaniem.
Mechanika kwantowa opisuje, w jaki sposób świat działa w skali tak małej, że nie obowiązują już normalne zasady fizyki; Ringbauer powiedział, że przez wiele dziesięcioleci eksperci badający tę dziedzinę przedstawili wiele interpretacji tego, co to oznacza.
Jeśli jednak same pomiary nie są absolutne - jak sugerują te nowe odkrycia - podważa to samo znaczenie mechaniki kwantowej.
„Wydaje się, że w przeciwieństwie do fizyki klasycznej wyników pomiaru nie można uznać za absolutną prawdę, ale należy je rozumieć w stosunku do obserwatora, który dokonał pomiaru”, powiedział Ringbauer.
„Opowiadane przez nas historie o mechanice kwantowej muszą się do tego dostosować” - powiedział.
