Phillip Hopkins
0 
4586
1094
Alternativa fakta sprider sig som ett virus över hela samhället. Nu verkar det som om de till och med har infekterat vetenskapen - åtminstone kvantområdet. Detta kan verka mot intuitivt. Den vetenskapliga metoden bygger trots allt på tillförlitliga uppfattningar om observation, mätning och repeterbarhet. Ett faktum, som fastställts genom en mätning, bör vara objektivt, så att alla observatörer kan komma överens med det.
Men i ett papper som nyligen publicerats i Science Advances visar vi att två mikroobservatörer har rätt till sina egna fakta i mikrovärlden av atomer och partiklar som styrs av kvantmekanikens konstiga regler. Med andra ord, enligt vår bästa teori om naturens byggstenar, kan fakta faktiskt vara subjektiva.
Observatörer är kraftfulla spelare i kvantvärlden. Enligt teorin kan partiklar finnas på flera platser eller tillstånd på en gång - detta kallas en superposition. Men konstigt är detta bara fallet när de inte observeras. Den andra du observerar ett kvantsystem, det väljer en specifik plats eller tillstånd - bryter superpositionen. Det faktum att naturen bete sig på detta sätt har bevisats flera gånger i labbet - till exempel i det berömda dubbelspaltsexperimentet.
Relaterad: De 18 största olösta mysterierna i fysik
1961 föreslog fysiker Eugene Wigner ett provocerande tankeexperiment. Han ifrågasatte vad som skulle hända när man applicerar kvantmekanik på en iakttagare som själva observeras. Föreställ dig att en vän till Wigner kastar ett kvantmynt - som ligger i en superposition av både huvuden och svansarna - i ett slutet laboratorium. Varje gång vänen kastar myntet, observerar de ett bestämt resultat. Vi kan säga att Wigners vän konstaterar ett faktum: resultatet av myntkastet är definitivt huvud eller svans.
Wigner har inte tillgång till detta faktum från utsidan, och enligt kvantmekanik måste han beskriva kompisen och myntet för att vara i en superposition av alla möjliga resultat av experimentet. Det beror på att de är "intrasslade" - spöklikt anslutna så att om du manipulerar den ena manipulerar du också den andra. Wigner kan nu i princip verifiera denna superposition med hjälp av ett så kallade "interferensexperiment" - en typ av kvantmätning som gör att du kan ta upp superpositionen för ett helt system, vilket bekräftar att två objekt är sammankopplade.
När Wigner och kompisen jämför senare anteckningar kommer vännen att insistera på att de såg bestämda resultat för varje myntkastning. Wigner kommer emellertid att vara oenig när han observerade vän och mynt i en superposition.
Detta ger en svårighet. Den verklighet som vänen uppfattar kan inte förenas med verkligheten på utsidan. Wigner ansåg ursprungligen inte så mycket som en paradox, han hävdade att det skulle vara absurd att beskriva en medveten observatör som ett kvantobjekt. Men han avvecklade senare från denna uppfattning, och enligt formella läroböcker om kvantmekanik är beskrivningen helt giltig.
Experimentet
Scenariot har länge varit ett intressant tankeexperiment. Men återspeglar det verkligheten? Vetenskapligt har det gjorts små framsteg på detta tills mycket nyligen, när Časlav Brukner vid universitetet i Wien visade att Wiggers idé under vissa antaganden kan användas för att formellt bevisa att mätningar i kvantmekanik är subjektiva för observatörer.
Brukner föreslog ett sätt att testa denna uppfattning genom att översätta Wiggers vänsscenario till ett ramverk som först inrättades av fysikern John Bell 1964. Brukner betraktade två par Wigners och vänner, i två separata lådor, och utförde mätningar på ett delat tillstånd - inuti utanför deras respektive låda. Resultaten kan sammanfattas för att i slutändan användas för att utvärdera en så kallad "Bell-ojämlikhet". Om denna ojämlikhet bryts kan observatörer ha alternativa fakta.
Vi har nu för första gången utfört detta test experimentellt vid Heriot-Watt University i Edinburgh på en småskalig kvantdator som består av tre par intrasslade fotoner. Det första fotonparet representerar mynten, och de andra två används för att utföra myntkastet - mäta fotonernas polarisering - i deras respektive låda. Utanför de två rutorna finns två fotoner kvar på varje sida som också kan mätas.
Trots att man använder modern kvantteknologi tog det veckor att samla in tillräckligt med data från bara sex fotoner för att generera tillräckligt med statistik. Men så småningom lyckades vi visa att kvantmekanik verkligen kan vara oförenlig med antagandet av objektiva fakta - vi kränkte ojämlikheten.
Teorin bygger dock på några antaganden. Dessa inkluderar att mätresultaten inte påverkas av signaler som rör sig över ljushastigheten och att observatörerna är fritt att välja vilka mätningar de ska göra. Det kanske eller inte är fallet.
En annan viktig fråga är om enstaka fotoner kan betraktas som observatörer. I Brukners teoriförslag behöver observatörer inte vara medvetna, de måste bara kunna fastställa fakta i form av ett mätresultat. En livlösa detektor skulle därför vara en giltig observatör. Och läroboken kvantmekanik ger oss ingen anledning att tro att en detektor, som kan göras så liten som några få atomer, inte bör beskrivas som ett kvantobjekt precis som en foton. Det kan också vara möjligt att standardkvantmekanik inte tillämpas i stor skalor, men testning är ett separat problem.
Detta experiment visar därför att vi, åtminstone för lokala modeller av kvantmekanik, måste tänka om vår uppfattning om objektivitet. Fakta som vi upplever i vår makroskopiska värld verkar förbli säkra, men en viktig fråga uppstår om hur befintliga tolkningar av kvantmekanik kan rymma subjektiva fakta.
Vissa fysiker ser dessa nya utvecklingar som stärker tolkningar som gör att mer än ett resultat kan inträffa för en observation, till exempel att det finns parallella universer där varje utfall händer. Andra ser det som övertygande bevis för inre observatörberoende teorier som kvantbayesianism, där en agens handlingar och erfarenheter är centrala problem i teorin. Men ännu andra tar detta som en stark pekare för att kanske kvantmekanik kommer att bryta ner över vissa komplexitetsskalor.
Det är uppenbart att allt är djupt filosofiska frågor om verklighetens grundläggande natur. Oavsett svar, väntar en intressant framtid.
Denna artikel publicerades ursprungligen kl Konversationen. Publikationen bidrog med artikeln till Expertröster: Op-Ed & Insights.