Обективна реалност не съществува, показва квантов експеримент

Алтернативните факти се разпространяват като вирус в обществото. Изглежда, че дори са заразили науката – поне в квантовата сфера. Това може да изглежда и контра интуитивно. Научният метод в крайна сметка се основава на надеждните представи за наблюдение, измерване и повтаряемост. Факт, установен чрез измерване, трябва да бъде обективен, така че всички наблюдатели да могат да се съгласят с него.

Но статия, публикувана наскоро в Science Advances, показва, че в микро света на атомите и частиците, който се управлява от странните правила на квантовата механика, двама различни наблюдатели имат право на собствени факти. С други думи, според най-добрата теория за градивните елементи на самата природа, фактите всъщност могат да бъдат субективни.

Наблюдателите са мощни фактори в квантовия свят. Според теорията, частиците могат да бъдат на няколко места или в няколко състояния наведнъж – това се нарича суперпозиция. Но странно е, че това е само когато те не са наблюдавани. В секундата в която наблюдавате квантова система, тя си избира конкретно местоположение или състояние, като нарушава суперпозицията. Фактът, че природата се държи по този начин, е доказан многократно в лабораторията.

През 1961 г. физикът Юджийн Уигнър предлага провокативен мисловен експеримент. Той постави под въпрос какво би се случило при прилагане на квантова механика към наблюдател, когато самият той се наблюдава. Представете си, че приятел на Уигнър хвърля квантова монета – която е в суперпозиция, както ези, така и тура, в затворена лаборатория. Всеки път, когато приятелят хвърли монетата, те наблюдават определен категоричен резултат. Можем да кажем, че приятелят на Уигнър установява факт: резултатът от хвърлянето на монетата определено е ези или тура.
Уигнър няма достъп до този факт отвън и според квантовата механика трябва да опише приятеля и монетата, така че да бъдат в суперпозиция при всички възможни резултати от експеримента. Това е така, защото те са „заплетени“ (entangled) – призрачно свързани, така че ако манипулирате първия, манипулирате и другия. Сега Уигнър по принцип може да провери тази суперпозиция, използвайки така наречения „експеримент за интерференция“ – вид квантово измерване, което позволява да се разгърне суперпозицията на цяла система, потвърждавайки, че два обекта са вплетени.

Когато Уигнър и приятелят сравнят бележките по-късно, приятелят ще настоява, че са получили определени резултати за всяко хвърляне на монети. Уигнър обаче няма да се съгласи всеки път, когато наблюдава приятел и монета в суперпозиция.

Това представлява главоблъсканица. Реалността, възприета от приятеля, не може да се примири с реалността възприемана отвън. Първоначално Уигнър не смята това за парадокс, той твърди, че би било абсурдно да се описва съзнателен наблюдател като квантов обект. По-късно обаче той се отклонява от това мнение и според официалните учебници по квантова механика описанието е напълно валидно.

Сценарият отдавна остава интересен мисловен експеримент. Но отразява ли реалността? Научно, по този въпрос доскоро имаше малък напредък, когато Часлав Брукнер от университета във Виена показва, че при определени предположения идеята на Уигнър може да бъде използвана за официално доказване, че измерванията в квантовата механика са субективни за наблюдателите.

Брукнер предлага начин за тестване на това понятие, като провежда сценария на приятеля на Уигнър в рамка, създадена за първи път от физика Джон Бел през 1964 г. Брукнер разглежда две двойки Уигнър и приятел, в две отделни кутии, провеждайки измервания на общо състояние – вътре и извън съответната кутия. Резултатите могат да бъдат обобщени и в крайна сметка да бъдат използвани за оценка на така нареченото „неравенство на Бел“. Ако това неравенство бъде нарушено, наблюдателите могат да имат алтернативни факти.

Сега за първи път този тест беше проведен експериментално в университета Heriot-Watt в Единбург на малък мащабен квантов компютър, съставен от три двойки заплетени фотони. Първата фотонна двойка представлява монетите, а другите две се използват за извършване на хвърляне на монети – измерване на поляризацията на фотоните – в съответната им кутия. Извън двете кутии остават два фотона от всяка страна, които също могат да бъдат измерени.

Въпреки използването на най-съвременната квантова технология, са били необходими седмици за събиране на достатъчно данни от само шест фотона, за да се генерират достатъчно статистически данни. Но в крайна сметка учените успяват да покажат, че квантовата механика може наистина да е несъвместима с допускането на обективни факти – неравенството беше нарушено.

Теорията обаче се основава на няколко предположения. Те включват, че резултатите от измерванията не се влияят от сигнали, пътуващи със скорост над тази на светлинната и че наблюдателите са свободни да избират какви измервания да правят. Това може или не може да бъде така.

Друг важен въпрос е дали единичните фотони могат да се считат за наблюдатели. Според теорията на Брукнер, наблюдателите не трябва да бъдат съзнателни, а просто трябва да могат да установят факти под формата на резултат от измерването. Следователно неодушевен детектор би бил валиден наблюдател. И квантовата механика на учебника не ни дава основание да смятаме, че детектор, който може да бъде направен толкова малък, колкото няколко атома, не трябва да се описва като квантов обект точно като фотон. Възможно е също така стандартната квантова механика да не се прилага при големи мащаби на дължината, но тестването е отделен въпрос.

Този експеримент следователно показва, че поне за локалните модели на квантовата механика трябва да се преосмисли представата за обективност. Фактите, които преживяваме в нашия макроскопичен свят, изглежда остават в безопасност, но възниква основен въпрос за това как съществуващите интерпретации на квантовата механика могат да приспособят субективните факти.

Някои физици разглеждат тези нови разработки като укрепващи интерпретации, които позволяват да се появят повече от един резултат за наблюдение, например наличието на паралелни вселени, в които се случва всеки резултат. Други гледат на това като убедителни доказателства за присъщи на теорията на наблюдателя теории като квантовото байезианство, (quantum Bayesianism) при които действията и опита на агента са основни проблеми на теорията. Но други приемат това като показател, че може би квантовата механика ще се разпадне над определени скали на сложност.

Очевидно всичко това са дълбоко философски въпроси за фундаменталната природа на реалността. Какъвто и да е отговорът, очаква се интересно бъдеще.

Тази статия първоначално е публикувана в The Conversation.