Физики давно подозревали, что квантовая механика позволяет двум наблюдателям испытать разные, противоречивые реальности. Они провели первый эксперимент, который это доказывает.
Еще в 1961 году лауреат Нобелевской премии физик Юджин Вигнер изложил мысленный эксперимент, который продемонстрировал один из менее известных парадоксов квантовой механики.
Эксперимент показывает, как странная природа вселенной позволяет двум наблюдателям – скажем, Вигнеру и его другу – испытать разные реальности.
С тех пор физики использовали мысленный эксперимент «Друг Вигнера», чтобы исследовать природу измерения и спорить о том, могут ли существовать объективные факты. Это важно, потому что ученые проводят эксперименты, чтобы установить объективные факты.
Но если они сталкиваются с разными реальностями, как они могут сойтись в мыслях и подтвердить факт, как реально существующий?
Это обеспечивало пищу для разговора ученых после обеда, но мысленный эксперимент Вигнера никогда не был чем-то большим – просто мысленным экспериментом.
Однако в прошлом году физики заметили, что последние достижения в области квантовых технологий позволили воспроизвести тест «Друга Вигнера» в реальности.
Другими словами, должна быть возможность создавать разные реальности и сравнивать их в лаборатории, чтобы выяснить, можно ли их примирить.
И сегодня Массимилиано Пройетти из Университета Хериота-Уатта в Эдинбурге и несколько его коллег говорят, что они впервые провели подобный эксперимент: они создали разные реальности и сравнили их.
Они пришли к выводу, что Вигнер был прав – эти реальности можно сделать непримиримыми, чтобы невозможно было прийти к единому мнению об объективных фактах об эксперименте.
Оригинальный мысленный эксперимент Вигнера в принципе прост. Он начинается 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 называемой суперпозиции.
Вигнер представил, что его друг находится в другой лаборатории и измеряет состояние этого фотона. Пока тот сохранял бы результат, Вигнер наблюдал бы издалека.
Ученый не знает ничего об измерениях своего друга и поэтому вынужден предположить, что фотон находится в суперпозиции во всех возможных результатах эксперимента.
Вигнер может даже провести эксперимент, чтобы определить, существует ли эта суперпозиция или нет. Это своего рода интерференционный эксперимент, показывающий, 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 это резко контрастирует с точкой зрения друга, который действительно измерил поляризацию фотона и записал ее. Друг может даже позвонить Вигнеру и сказать, что измерение было сделано (при условии, что результат не раскрыт).
Так что две реальности противоречат друг другу.
«Это ставит под сомнение объективный статус фактов, установленных двумя наблюдателями», — говорят Пройетти и соавторы.
Это теория, но в прошлом году Каслав Брукнер из Венского университета в Австрии придумал способ воссоздать эксперимент «Вигнеровский друг» в лаборатории с помощью методов, включающих запутывание множества частиц одновременно.
«В современном 6-фотонном эксперименте мы реализуем этот расширенный сценарий с другом Вигнера», — говорят они.
Они используют эти шесть запутанных фотонов, чтобы создать две альтернативные реальности — одну, представляющую Вигнера, и одну, представляющую друга Вигнера.
Друг Вигнера измеряет поляризацию фотона и сохраняет результат. Затем Вигнер выполняет измерение помех, чтобы определить, находятся ли измерение и фотон в суперпозиции.
Эксперимент дает однозначный результат. Оказывается, что обе реальности могут сосуществовать, даже если они дают непримиримые результаты, как и предсказывал Вигнер.
Это поднимает некоторые вопросы, которые заставляют физиков пересмотреть природу реальности.
Идея о том, что наблюдатели могут в конечном итоге согласовать свои измерения какой-то фундаментальной реальности, основанной на нескольких предположениях.
Во-первых, универсальные факты действительно существуют и наблюдатели могут с ними согласиться.
Но есть и другие предположения. Один из них заключается в том, что наблюдатели имеют свободу делать любые наблюдения, которые они хотят.
И еще одно: выбор, который делает один наблюдатель, не влияет на выбор, который делают другие наблюдатели — предположение, которое физики называют локальностью.
Если существует объективная реальность, с которой все могут согласиться, то все эти предположения верны.
Но результат Пройетти предполагает, что объективной реальности не существует. Другими словами, эксперимент предполагает, что идея о том, что существует реальность, с которой мы можем согласиться и идея о том, что у нас есть свобода выбора должны быть неверными.
Следующий шаг ученых – пойти дальше: построить эксперименты, создающие все более причудливые альтернативные реальности, которые невозможно согласовать.
Куда это приведет нас, никто не знает. Но Вигнер и его друг наверняка не будут удивлены.
