Квантовый эксперимент показал, что объективной реальности не существует

Еще в 1961 году физик и нобелевский лауреат Юджин Вигнер изложил мысленный эксперимент, который продемонстрировал один из наименее известных парадоксов квантовой механики. Эксперимент показывает, как странная природа вселенной позволяет двум наблюдателям — скажем, Вигнеру и другу Вигнера — испытывать различные реальности. С тех пор физики используют мысленный эксперимент «друга Вигнера» для исследования природы измерений и споров о том, существуют ли объективные факты.

Сперва расскажем про мысленный эксперимент Вигнера:

Предположим, что два человека одновременно открывают ящик с котом Шрёдингера. Если результат (коллапса волновой функции) выбирает наблюдатель, как подразумевает идеалистическое решение, то если два наблюдателя делают разный выбор — возникает проблема. Если мы называем один из двух исходов, то выбор может делать только один из наблюдателей, и сторонники реализма справедливо считают это решение неудовлетворительным.

«В парадоксе друга Вигнера, сформулированном физиком Юджином Вигнером, происходит следующее: предположим, что вместо того чтобы самому наблюдать кошку, Вигнер просит это сделать своего друга. Его друг открывает ящик, видит кошку и затем сообщает результаты своего наблюдения Вигнеру. На этом этапе мы можем говорить, что Вигнер только что актуализировал реальность, которая включает в себя его друга и кошку. Здесь есть парадокс: была ли кошка жива или мертва, когда друг Вигнера ее наблюдал, но до того, как он сообщил результат наблюдения? Говорить, что когда друг Вигнера наблюдал кошку, ее состояние не коллапсировало, значит утверждать, что его друг пребывал в бессознательном состоянии, пока Вигнер его не спросил — что сознание его друга не могло решить, жива кошка или мертва, без побуждения со стороны Вигнера».

Парадокс стал важным, потому что ученые проводят эксперименты, чтобы установить объективные факты. Но если они сталкиваются с разными реальностями, как им договориться о том, какими могут быть эти факты? Мысленный эксперимент Вигнера никогда не был чем-то большим — просто мысленным экспериментом.

Но в прошлом году, физики заметили, что последние достижения в области квантовых технологий позволили воспроизвести тест друга Вигнера в реальном эксперименте Другими словами, появилась возможность создавать различные реальности и сравнивать их в лаборатории, дабы выяснить, можно ли их примирить.

Существует ли объективная реальность?

И сегодня Массимилиано Пройетти из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге и несколько его коллег заявили, что впервые провели этот эксперимент: создали разные реальности и сравнили их. И пришли к выводу, что Вигнер был прав: эти реальности могут быть непримиримыми насколько, что невозможно прийти к единому мнению об объективных фактах в эксперименте.

Изначально мысленный эксперимент Вигнера начинался с одного поляризованного фотона, который при измерении может иметь горизонтальную или вертикальную поляризацию. Но перед измерением, согласно законам квантовой механики, фотон существует в обоих состояниях поляризации одновременно — так называемая суперпозиция.

Вигнер представил себе друга в другой лаборатории, который измеряет состояние этого фотона и сохраняет результат, тогда как Вигнер наблюдает издалека. Вигнер не располагает информацией об измерениях своего друга и поэтому вынужден предположить, что фотон и его измерение находятся в суперпозиции всех возможных результатов эксперимента.

Вигнер может даже провести эксперимент, чтобы определить, существует эта суперпозиция или нет. Своего рода интерференционный эксперимент, который покажет, что фотон и измерение действительно находятся в суперпозиции.

С точки зрения Вигнера, это «факт» — суперпозиция существует. И этот факт говорит о том, что измерение не могло быть проведено.

Но его друг с этим не согласится, поскольку он измерил поляризацию фотона и записал ее. Друг может даже позвонить Вигнеру и сказать, что измерение было сделано (при условии, что результат не раскрыт).

Две реальности противоречат одна другой. «Это ставит под сомнение объективный статус фактов, установленных двумя наблюдателями», говорит Пройетти.

Такова теория, но в прошлом году Каслав Брукнер из Венского университета в Австраии придумал способ воссоздать «вигнеровского друга» в лаборатории с помощью методов, включающих запутывание множества частиц одновременно.

Прорыв Пройетти же состоял в том, что они проделали это на самом деле. Они реализовали расширенный сценарий «друга Вигнера» в современном эксперименте с шестью фотонами.

Шесть фотонов были запутаны, чтобы создать две альтернативные реальности — одну, представляющую Вигнера, а вторую — Вигнеровского друга. Друга Вигнера измеряет поляризацию фотона и сохраняет результат. Затем Вигнер выполняет измерение интерференции, чтобы понять, находятся ли измерение и фотон в суперпозиции.

Эксперимент дал неоднозначный результат. Оказывает, обе реальности могут сосуществовать, даже если они дают непримиримые результаты, как и предсказывал Вигнер. Это поднимает ряд интересных вопросов, побуждающих физиков пересмотреть природу реальности.

Идея того, что наблюдатели могут в конечном итоге согласовать свои измерения в какой-нибудь фундаментальной реальности, основана на нескольких предположениях. Во-первых, универсальные факты действительно существуют и наблюдатели могут о них договориться.

Но есть и другие предположения. Одно из них заключается в том, что наблюдатели вольны делать любые наблюдения, какие захотят. И еще одно: выбор, который делает один наблюдатель, не влияет на выбор других наблюдателей. Это предположение физики называют локальностью.

Если существует объективная реальность, с которой все могут согласиться, все эти допущения будут верными.

Но результат Пройетти и его коллег предполагает, что объективной реальности не существует. Другими словами, эксперимент предполагает, что одно или больше допущений — о том, что существует реальность, с которой мы согласимся; что есть свобода выбора; или о локальности — должно быть неверным.

Конечно, есть и другой вариант. Вариант того, что существует лазейка, которую экспериментаторы пропустили. В действительности, физики пытались закрыть лазейки в подобных экспериментах много лет, однако они признают, что, возможно, никогда не смогут закрыть их все.

Тем не менее, работа имеет важные последствия для науки. Следующий шаг — пойти дальше: создать эксперименты, создающие все более причудливые альтернативные реальности, которые невозможно примирить. Куда это приведет нас, никто не знает.