Ein neues Quantenparadox stellt die Grundlagen der beobachteten Realität in Frage

Wenn ein Baum im Wald umfällt und niemand da ist, um ihn zu hören, gibt es dann ein Geräusch? Vielleicht nicht, sagen manche.

Und wenn jemandistda, um es zu hören? Wenn Sie denken, dass es offensichtlich bedeutethattemach ein Geräusch, du musst diese Meinung möglicherweise revidieren.

Wir haben ein neues Paradox gefunden in der Quantenmechanik – eine unserer beiden grundlegendsten wissenschaftlichen Theorien, zusammen mit Einsteins Relativitätstheorie – das wirft Zweifel an einigen vernünftigen Vorstellungen über die physikalische Realität auf.

Quantenmechanik vs gesunder Menschenverstand

Schau dir diese drei Aussagen an:

1. Wenn jemand ein Ereignis beobachtet, dann wirklich ist passiert.

2. Es ist möglich, freie oder zumindest statistisch zufällige Entscheidungen zu treffen.

3. Eine an einem Ort getroffene Wahl kann sich nicht sofort auf ein entferntes Ereignis auswirken. Physiker nennen dies „Ort“.

Dies sind alles intuitive Ideen und werden sogar von Physikern weithin geglaubt. Aber unsere Forschung, veröffentlicht in Naturphysik, zeigt, dass nicht alle wahr sein können – oder die Quantenmechanik selbst muss auf einer bestimmten Ebene zusammenbrechen.

Dies ist das bisher stärkste Ergebnis in einer langen Reihe von Entdeckungen in der Quantenmechanik, die unsere Vorstellungen von der Realität auf den Kopf gestellt haben. Um zu verstehen, warum sie so wichtig ist, schauen wir uns diese Geschichte an.

Der Kampf um die Realität

Die Quantenmechanik funktioniert sehr gut, um das Verhalten von winzigen Objekten wie Atomen oder Lichtteilchen Photonen zu beschreiben. Aber dieses Verhalten ist … sehr seltsam.

In vielen Fällen gibt die Quantentheorie keine eindeutigen Antworten auf Fragen wie „Wo ist dieses Teilchen gerade?“ Stattdessen liefert sie nur Wahrscheinlichkeiten dafür, wo das Teilchen bei der Beobachtung gefunden werden könnte.

Für Niels Bohr, einen der Begründer der Theorie vor einem Jahrhundert, liegt das nicht daran, dass uns Informationen fehlen, sondern weil physikalische Eigenschaften wie „Position“ nicht wirklich existieren, bis sie gemessen werden.

Und außerdem, weil einige Eigenschaften eines Teilchens nicht gleichzeitig perfekt beobachtet werden können – wie zum Beispiel Position und Geschwindigkeit – können sie nicht sein echt gleichzeitig.

Kein geringerer als Albert Einstein fand diese Idee unhaltbar. In aArtikel von 1935zusammen mit seinen Theoretikern Boris Podolsky und Nathan Rosen argumentierte er, dass die Realität mehr sein muss, als die Quantenmechanik beschreiben könnte.

Der Artikel betrachtete ein Paar entfernter Teilchen in einem speziellen Zustand, der heute als „verschränkter“ Zustand bekannt ist. Wenn dieselbe Eigenschaft z. B. Position oder Geschwindigkeit an beiden verschränkten Teilchen gemessen wird, ist das Ergebnis zufällig – aber es wirdeine Korrelation zwischen den Ergebnissen von jedem Partikel sein.

Zum Beispiel könnte ein Beobachter, der die Position des ersten Teilchens misst, das Ergebnis der Messung der Position des entfernten Teilchens perfekt vorhersagen, ohne es auch nur zu berühren. Oder der Beobachter könnte stattdessen die Geschwindigkeit vorhersagen. Dies hatte eine natürliche Erklärung,sie argumentierten, wenn beide Eigenschaften existierten, bevor sie gemessen wurden, im Gegensatz zu Bohrs Interpretation.

Allerdings 1964 nordirischer PhysikerJohn Bell gefundenEinsteins Argument brach zusammen, wenn Sie eine kompliziertere Kombination von ausgeführt habenanders Messungen an den beiden Teilchen.

Bell zeigte, dass, wenn die beiden Beobachter zufällig und unabhängig zwischen der Messung der einen oder anderen Eigenschaft ihrer Teilchen, wie Position oder Geschwindigkeit, wählen, die durchschnittlichen Ergebnisse in keiner Theorie erklärt werden können, in der sowohl Position als auch Geschwindigkeit bereits vorhandene lokale Eigenschaften waren.

Das klingt unglaublich, aber Experimente haben jetzt schlüssig nachgewiesenBells Korrelationen treten auf. Für viele Physiker ist dies ein Beweis dafür, dass Bohr Recht hatte: physikalische Eigenschaften existieren nicht, bis sie gemessen werden.

Aber das wirft die entscheidende Frage auf: Was ist das Besondere an einer „Messung“?

Der Beobachter, beobachtet

1961 der ungarisch-amerikanische theoretische PhysikerEugene Wigner hat ein Gedankenexperiment entwickelt, um zu zeigen, was an der Idee der Messung so knifflig ist.

Er dachte an eine Situation, in der sein Freund in ein dicht verschlossenes Labor geht und eine Messung an einem Quantenteilchen durchführt – etwa seiner Position.

Wigner bemerkte jedoch, dass, wenn er die Gleichungen der Quantenmechanik anwendete, um diese Situation von außen zu beschreiben, das Ergebnis ganz anders ausfiel. Anstatt dass die Messung des Freundes die Position des Teilchens real macht, verschränkt sich der Freund aus Wigners Perspektive mit dem Teilchenund infiziert mit der Ungewissheit, die es umgibt.

Dies ist ähnlich wieSchrödingers berühmte Katze, ein Gedankenexperiment, bei dem das Schicksal einer Katze in einer Kiste mit einem zufälligen Quantenereignis verstrickt wird.

Für Wigner war dies eine absurde Schlussfolgerung. Stattdessen glaubte er, dass, sobald das Bewusstsein eines Beobachters involviert ist, die Verstrickung „zusammenbrechen“ würde, um die Beobachtung des Freundes definitiv zu machen.

Aber was, wenn Wigner falsch lag?

Unser Experiment

Bei unseren Recherchen haben wir auf einer erweiterten Version des Wigners-Freund-Paradoxons aufgebaut, erster Vorschlag von Časlav Brukner von der Universität Wien. In diesem Szenario gibt es zwei Physiker – nennen sie Alice und Bob – jeder mit ihren eigenen Freunden Charlie und Debbie in zwei entfernten Labors.

Es gibt noch eine Wendung: Charlie und Debbie messen jetzt ein Paar verschränkter Teilchen, wie in den Bell-Experimenten.

Wie in Wigners Argumentation sagen uns die Gleichungen der Quantenmechanik, dass Charlie und Debbie sich mit ihren beobachteten Teilchen verschränken sollten. Aber da diese Teilchen bereits miteinander verschränkt waren, sollten Charlie und Debbie selbst verschränkt werden – theoretisch.

Aber was bedeutet das experimentell?

Unser Experiment geht so: Die Freunde betreten ihre Labors und messen ihre Teilchen. Einige Zeit später werfen Alice und Bob jeweils eine Münze. Wenn es Kopf ist, öffnen sie die Tür und fragen ihren Freund, was sie gesehen haben.sie führen eine andere Messung durch.

Diese andere Messung ergibt für Alice immer ein positives Ergebnis, wenn Charlie mit seinem beobachteten Teilchen wie von Wigner berechnet verschränkt ist. Ebenso für Bob und Debbie.

Bei jeder Realisierung dieser Messung wird jedoch jede Aufzeichnung der Beobachtungen ihres Freundes im Labor daran gehindert, die Außenwelt zu erreichen. Charlie oder Debbie werden sich nicht erinnern, etwas im Labor gesehen zu haben, als ob sie aus einer Vollnarkose aufwachen würden.

Aber ist es wirklich passiert, auch wenn sie sich nicht daran erinnern?

Wenn die drei intuitiven Ideen am Anfang dieses Artikels richtig sind, hat jeder Freund ein echtes und einzigartiges Ergebnis für seine Messung im Labor gesehen, unabhängig davon, ob Alice oder Bob später beschlossen haben, ihre Tür zu öffnen. Außerdem, was Aliceund Charlie sehen, sollte nicht davon abhängen, wie Bobs entfernte Münze landet und umgekehrt.

Wir haben gezeigt, dass es in diesem Fall Grenzen für die Korrelationen gibt, die Alice und Bob zwischen ihren Ergebnissen erwarten könnten. Wir haben auch gezeigt, dass die Quantenmechanik vorhersagt, dass Alice und Bob Korrelationen sehen werden, die über diese Grenzen hinausgehen.

Als nächstes haben wir ein Experiment durchgeführt, um die quantenmechanischen Vorhersagen unter Verwendung von Paaren verschränkter Photonen zu bestätigen. Die Rolle der Messung jedes Freundes wurde durch einen von zwei Wegen gespielt, die jedes Photon im Setup nehmen kann, abhängig von einer Eigenschaft des Photons namens „Polarisation.“ Das heißt, der Pfad „misst“ die Polarisation.

Unser Experiment ist nur wirklich ein Prinzipbeweis, da die „Freunde“ sehr klein und einfach sind. Es stellt sich jedoch die Frage, ob die gleichen Ergebnisse auch bei komplexeren Beobachtern gelten würden.

Wir werden dieses Experiment vielleicht nie mit echten Menschen durchführen können. Aber wir argumentieren, dass es eines Tages möglich sein könnte, eine schlüssige Demonstration zu erstellen, wenn der „Freund“ eine künstliche Intelligenz auf menschlicher Ebene ist, die in einem massiven System läuftQuantencomputer.

Was bedeutet das alles?

Obwohl ein schlüssiger Test noch Jahrzehnte entfernt sein mag, wenn die quantenmechanischen Vorhersagen weiterhin gültig sind, hat dies starke Auswirkungen auf unser Verständnis der Realität – noch mehr als die Bell-Korrelationen. Zum einen können die von uns entdeckten Korrelationen nicht nur durch erklärt werdensagen, dass physikalische Eigenschaften nicht existieren, bis sie gemessen werden.

Jetzt wird die absolute Realität der Messergebnisse selbst in Frage gestellt.

Unsere Ergebnisse zwingen Physiker, sich direkt mit dem Messproblem auseinanderzusetzen: Entweder skaliert unser Experiment nicht und die Quantenmechanik weicht einem sogenannten “objektive Kollapstheorie“, oder eine unserer drei vernünftigen Annahmen muss abgelehnt werden.

Es gibt Theorien, wie de Broglie-Bohm, das „Handlung aus der Ferne“ postuliert, bei der Handlungen an anderer Stelle im Universum sofortige Auswirkungen haben können. Dies steht jedoch in direktem Widerspruch zu Einsteins Relativitätstheorie.

Einige suchen nach einer Theorie, die die Wahlfreiheit ablehnt, aber sie verlangen entweder Rückwärtskausalität oder eine scheinbar verschwörerische Form des Fatalismus namens “Superdeterminismus”.

Eine andere Möglichkeit, den Konflikt zu lösen, könnte darin bestehen, Einsteins Theorie noch relativer zu machen. Für Einstein könnten verschiedene Beobachter anderer Meinung sein.wann oder wo etwas passiert – aber was passiert, war eine absolute Tatsache.

Allerdings in einigen Interpretationen wie relationale Quantenmechanik, QBismus oder die Viel-Welten-Interpretation, Ereignisse selbst können nur relativ zu einem oder mehreren Beobachtern auftreten. Ein umgestürzter Baum, der von einem beobachtet wird, ist möglicherweise nicht für alle anderen eine Tatsache.

All dies bedeutet nicht, dass Sie Ihre eigene Realität wählen können. Erstens können Sie wählen, welche Fragen Sie stellen, aber die Antworten werden von der Welt gegeben. Und selbst in einer relationalen Welt, wenn zwei Beobachter kommunizieren, sind ihre Realitätenverschränkt. Auf diese Weise kann eine gemeinsame Realität entstehen.

Das bedeutet, dass Sie möglicherweise nur ein Hörgerät benötigen, wenn wir beide Zeugen des Fallens desselben Baumes sind und Sie sagen, dass Sie ihn nicht hören können.

VonEric Cavalcanti, Griffith-Universität. Dieser Artikel wurde neu veröffentlicht von Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lesen Sie die Originalartikel.