Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA
Alternative Fakten sind Ausbreitung wie ein Virus in der Gesellschaft. Jetzt scheinen sie sogar die Wissenschaft infiziert zu haben - zumindest den Quantenbereich. Dies mag kontraintuitiv erscheinen. Die wissenschaftliche Methode basiert schließlich auf den verlässlichen Begriffen Beobachtung, Messung und Wiederholbarkeit. Eine durch eine Messung festgestellte Tatsache sollte objektiv sein, so dass alle Beobachter ihr zustimmen können.
Aber kürzlich in einer Zeitung veröffentlicht in Science AdvancesWir zeigen, dass in der Mikrowelt der Atome und Teilchen, die den seltsamen Regeln der Quantenmechanik unterliegt, zwei verschiedene Beobachter Anspruch auf ihre eigenen Tatsachen haben. Mit anderen Worten, nach unserer besten Theorie der Bausteine der Natur selbst können Tatsachen tatsächlich subjektiv sein.
Beobachter sind mächtige Akteure in der Quantenwelt. Der Theorie zufolge können sich Teilchen an mehreren Orten oder in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden - dies wird als Überlagerung bezeichnet. Aber seltsamerweise ist dies nur der Fall, wenn sie nicht beachtet werden. Wenn Sie ein Quantensystem beobachten, wird eine bestimmte Position oder ein bestimmter Zustand ausgewählt, wodurch die Überlagerung aufgehoben wird. Dass sich die Natur so verhält, hat sich im Labor mehrfach bewährt - zum Beispiel im berühmten Doppelspalt-Experiment (siehe Video unten).
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In 1961 Physiker Eugen Wigner schlug ein provokatives Gedankenexperiment vor. Er fragte sich, was passieren würde, wenn man die Quantenmechanik auf einen Beobachter anwendet, der selbst beobachtet wird.
Stellen Sie sich vor, ein Freund von Wigner wirft in einem geschlossenen Labor eine Quantenmünze, die Kopf und Zahl überlagert. Jedes Mal, wenn der Freund die Münze wirft, beobachtet er ein bestimmtes Ergebnis. Wir können sagen, dass Wigners Freund eine Tatsache feststellt: Das Ergebnis des Münzwurfs ist definitiv Kopf oder Schwanz.
Wigner hat von außen keinen Zugang zu dieser Tatsache und muss laut Quantenmechanik den Freund und die Münze beschreiben, um alle möglichen Ergebnisse des Experiments zu überlagern. Das ist, weil sie "verwickelt" sind - gruselig verbunden Wenn Sie eines manipulieren, manipulieren Sie auch das andere. Wigner kann diese Überlagerung nun prinzipiell mit einem sogenanntenInterferenzexperiment”- eine Art von Quantenmessung, mit der Sie die Überlagerung eines gesamten Systems aufdecken und bestätigen können, dass zwei Objekte miteinander verwickelt sind.
Wenn Wigner und der Freund später Notizen vergleichen, besteht der Freund darauf, dass er bei jedem Münzwurf eindeutige Ergebnisse erzielt hat. Wigner wird jedoch anderer Meinung sein, wenn er Freund und Münze in einer Überlagerung beobachtet.
Dies ist ein Rätsel. Die vom Freund wahrgenommene Realität kann nicht mit der äußeren Realität in Einklang gebracht werden. Wigner hielt das ursprünglich nicht für ein Paradoxon, er hielt es für absurd, einen bewussten Beobachter als ein Quantenobjekt zu bezeichnen. Er später jedoch von dieser Ansicht abgewichenund nach formalen Lehrbüchern über die Quantenmechanik, Die Beschreibung ist vollkommen gültig.
Das Experiment
Das Szenario ist lange ein interessantes Gedankenexperiment geblieben. Aber spiegelt es die Realität wider? In wissenschaftlicher Hinsicht sind in dieser Hinsicht bis vor kurzem kaum Fortschritte zu verzeichnen ?aslav Brukner an der Universität Wien zeigte, dass unter bestimmten Voraussetzungen Wigners Idee kann verwendet werden, um formal zu beweisen dass Messungen in der Quantenmechanik für Beobachter subjektiv sind.
Brukner schlug einen Weg vor, diesen Begriff zu testen, indem das Wigner-Freund-Szenario in ein Framework übersetzt wurde zuerst gegründet von dem Physiker John Bell in 1964. Brukner betrachtete zwei Paare von Wigners und Freunden in zwei getrennten Kisten, die Messungen in einem gemeinsamen Zustand durchführten - innerhalb und außerhalb der jeweiligen Kiste. Die Ergebnisse können zusammengefasst werden, um letztendlich eine sogenannte Bewertung vorzunehmen "Bell Ungleichung". Wenn diese Ungleichung verletzt wird, könnten Beobachter alternative Tatsachen haben.
Wir haben diesen Test jetzt zum ersten Mal experimentell an der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh an einem kleinen Quantencomputer durchgeführt, der aus drei Paaren verschränkter Photonen besteht. Das erste Photonenpaar stellt die Münzen dar, und die anderen beiden dienen dazu, den Münzwurf - der die Polarisation der Photonen misst - in ihrer jeweiligen Box durchzuführen. Außerhalb der beiden Kästchen verbleiben auf jeder Seite zwei Photonen, die ebenfalls gemessen werden können.
Forscher mit Experiment. Autor zur Verfügung gestellt
Trotz des Einsatzes modernster Quantentechnologie dauerte es Wochen, bis ausreichend Daten von nur sechs Photonen gesammelt wurden, um ausreichend Statistiken zu erstellen. Es gelang uns jedoch zu zeigen, dass die Quantenmechanik tatsächlich mit der Annahme objektiver Tatsachen unvereinbar ist - wir haben die Ungleichung verletzt!
Die Theorie basiert jedoch auf einigen Annahmen. Dazu gehört, dass die Messergebnisse nicht von Signalen beeinflusst werden, die über der Lichtgeschwindigkeit liegen, und dass Beobachter frei wählen können, welche Messungen durchgeführt werden sollen. Das kann der Fall sein oder nicht.
Eine weitere wichtige Frage ist, ob einzelne Photonen als Beobachter betrachtet werden können. In Brukners Theorievorschlag müssen Beobachter nicht bewusst sein, sie müssen lediglich in der Lage sein, Fakten in Form eines Messergebnisses zu ermitteln. Ein unbelebter Detektor wäre daher ein gültiger Beobachter. Und die Quantenmechanik des Lehrbuchs gibt uns keinen Grund zu der Annahme, dass ein Detektor, der nur aus wenigen Atomen besteht, nicht wie ein Photon als Quantenobjekt beschrieben werden sollte. Es ist auch möglich, dass die Standardquantenmechanik nicht auf großen Maßstäben angewendet wird, aber das Testen ist ein separates Problem.
Da draußen mag es viele Welten geben. Nikk / Flickr, CC BY-SA
Dieses Experiment zeigt daher, dass wir zumindest für lokale Modelle der Quantenmechanik unsere Vorstellung von Objektivität überdenken müssen. Die Tatsachen, die wir in unserer makroskopischen Welt erfahren, scheinen sicher zu bleiben, aber es stellt sich die große Frage, wie vorhandene Interpretationen der Quantenmechanik subjektive Tatsachen berücksichtigen können.
Einige Physiker betrachten diese neuen Entwicklungen als unterstützende Interpretationen, die es beispielsweise ermöglichen, dass mehr als ein Ergebnis für eine Beobachtung erzielt wird die Existenz von Paralleluniversen in dem jedes Ergebnis passiert. Andere sehen darin zwingende Beweise für inhärent beobachterabhängige Theorien wie Quantenbayesianismus, bei denen die Handlungen und Erfahrungen eines Agenten ein zentrales Anliegen der Theorie sind. Wieder andere sehen darin einen starken Hinweis darauf, dass die Quantenmechanik möglicherweise über bestimmten Komplexitätsskalen zusammenbricht.
Offensichtlich sind dies alles zutiefst philosophische Fragen nach der fundamentalen Natur der Realität. Wie auch immer die Antwort lautet, es erwartet Sie eine interessante Zukunft.
Über die Autoren
Alessandro Fedrizzi, Professor für Quantenphysik, Heriot-Watt Universität und Massimiliano Proietti, Doktorand der Quantenphysik, Heriot-Watt Universität
Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.
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