Експеримент с фотон: Може да има две реалности, но само на квантово ниво

Могат ли да съществуват едновременно две версии на реалността? Физиците казват, че могат – на квантово ниво.

Изследователи наскоро проведоха експерименти, за да отговорят на десетилетен теоретичен въпрос от физиката, за двойната реалност.

Този сложен мисловен експеримент предполага, че двама индивиди, които наблюдават един и същ фотон, могат да стигнат до различни заключения за състоянието на фотона – и въпреки това и двете заключения ще бъдат правилни.

За първи път учените повториха условията, описани в известният мисловен експеримент на Вигнер. Техните резултати са публикувани в списанието arXiv, като потвърдиха, че дори когато наблюдателите описват различни състояния на един и същ фотон, двете конфликтни реалности могат да бъдат истина.

„Можете да проверите и двете“, съобщава съавторът на изследването Мартин Рингбауер, изследовател в отдел „Експериментална физика“ в Университета на Инсбрук в Австрия.

Объркващата идея за двете реалности е на Евгений Вигнер, носител на Нобелова награда за физика през 1963 г. През 1961 г. Вигнер въвежда мисловен експеримент, известен като „приятелят на Вигнер“. Експериментът започва с фотон – частица светлина. Когато наблюдател в изолирана лаборатория измерва фотона, открива, че поляризацията на частицата – оста, върху която се върти – е или вертикална или хоризонтална.

Въпреки това, преди фотонът да бъде измерен, той показва и двете поляризации едновременно, както е продиктувано от законите на квантовата механика; той съществува в „суперпозиция“ на две възможни състояния.

След като човекът в лабораторията измерва фотона, частицата приема фиксирана поляризация. Но за някой извън затворената лаборатория, който не знае резултата от измерванията, не измереният фотон е все още в състояние на суперпозиция.

Следователно наблюдението на външния човек – неговата реалност – се отклонява от реалността на човека в лабораторията, който измерва фотона. Въпреки това, според квантовата механика, нито едно от тези противоречиви наблюдения не се смята за погрешно.

В продължение на десетилетия мисловният експеримент на Вигнер беше приеман просто като интересно мислене. През последните години значителният напредък във физиката, даде възможност на експертите да поставят предложението на Вигнер на тест, казва Рингбауер.

„Теоретичните постижения бяха необходими, за да се формулира проблемът по начин, който може да бъде проверен. Тогава експерименталната страна се нуждаеше от развитие на контрола на квантовите системи, за да приложи нещо подобно“, обяснява той.

Рингбауер и колегите му тестват оригиналната идея на Вигнер с още по-строг експеримент, който удвоява сценария. Те определят две „лаборатории“, където ще се проведат експериментите, и въвеждат две двойки заплетени фотони, което означава, че техните съдби са свързани, така че познаването на състоянието на единия автоматично ви показва състоянието и на другия. (Фотоните в инсталацията са били реални. Четиримата „души“ в сценария – „Алис“, „Боб“ и по един „приятел“ на всеки от тях – не са реални, като са представлявали „наблюдателите“ на експеримента).

Двамата приятели на Алис и Боб, които са били разположени „във вътрешността“ на всяка лаборатория, измерват по един фотон в заплетена двойка. Това прекъсва заплитането и срутва суперпозицията, което означава, че измерваният фотон съществува в определено състояние на поляризация. Те записват резултатите в квантовата памет, копирани в поляризацията на втория фотон.

Алис и Боб, които са „извън“ затворените лаборатории, са представени с два варианта за провеждане на собствени наблюдения. Те могат да измерват резултатите на своите приятели, които са били съхранени в квантовата памет, като по този начин стигат до същите изводи за поляризираните фотони.

Но в същото време, те могат да проведат свой собствен експеримент между заплетените фотони. В този експеримент, известен като интерференционен експеримент, ако фотоните действат като вълни и все още съществуват в състояния на суперпозиция, тогава Алис и Боб ще видят характерен модел на светли и тъмни ресни, където пиковете и падовете на светлинните вълни се добавят или взаимно се изключват. Ако частиците са „избрали“ състоянието си, ще видите различен модел, отколкото ако не са. В мисловният си експеримент Вигнер предполага, че това ще разкрие, че фотоните са все още в заплетено състояние.

Авторите на новото проучване установяват, че дори при удвояване на сценария, резултатите, описани от Вигнер, са верни. Алис и Боб можеха да стигнат до заключения за правилните и доказуеми фотони, които все още се различават от наблюденията на техните приятели – които също са верни и доказуеми, според изследването.

„Квантовата механика описва как светът работи в такъв малък мащаб, че нормалните правила на физиката вече не са приложими. В продължение на много десетилетия експерти, които изучават тази област, предлагат многобройни интерпретации, какво означава това“, казва Рингбауер.

Обаче, ако самите измервания не са абсолютни – както предполагат новите открития – това оспорва самия смисъл на квантовата механика.

„Изглежда, че за разлика от класическата физика, резултатите от измерването не могат да се считат за абсолютна истина, но трябва да се разбират относно наблюдателя, който е извършил измерването,“ каза Рингбауер.

„Историите, които разказваме за квантовата механика, трябва да се адаптират към това,“ заключава той.