Un nou paradox cuantic pune sub semnul întrebării bazele realității observate

Dacă un copac se prăbuşeşte într-o pădure și nimeni nu este acolo să audă, rezultă un sunet? Poate că nu, susţin unii.

Dar dacă este totuşi cineva care ar putea să audă căderea copacului? Dacă credeți că asta presupune, evident, un sunet, atunci s-ar putea să trebuiască să vă revizuiți această opinie.

Am descoperit un nou paradox în mecanica cuantică care pune sub semnul întrebării unele idei de bun simț despre realitatea fizică.

Mecanica cuantică este una dintre cele mai fundamentale teorii științifice ale fizicii actuale împreună cu teoria relativității a lui Einstein.

Mecanica cuantică versus simțul obişnuit

Gândiţi-vă la următoarele trei afirmații:

1. Atunci când cineva observă un eveniment în timp ce se produce, acesta chiar a avut loc în realitate.
2. Alegerile libere sau cel puţin alegerile statistic aleatorii sunt posibile.
3. O alegere făcută într-un singur loc nu poate afecta instantaneu un eveniment îndepărtat. (Fizicienii numesc această proprietate ”localitate”).

Toate acestea sunt idei intuitive care sunt acceptate, pe scară largă, chiar de către fizicieni. Cu toate acestea, cercetările noastre, care au fost publicate în Nature Physics, arată că nu toate pot fi adevărate sau însăși mecanica cuantică nu se mai aplică de la un anumit nivel al realităţii.

Acesta este un rezultat remarcabil dintr-o lungă serie de descoperiri din mecanica cuantică care ne-au schimbat complet ideile despre realitate.

Pentru a înțelege de ce este atât de important acest rezultat, să ne reamintim unele noţiuni de bază din mecanica cuantică.

Bătălia pentru realitate

Mecanica cuantică descrie extrem de bine comportamentul obiectelor mici, cum ar fi atomii sau particulele de lumină (fotonii). Dar acest comportament este… foarte ciudat.

În multe cazuri, teoria cuantică nu oferă răspunsuri certe la întrebări precum „unde este această particulă chiar acum?” În schimb, ea oferă doar probabilități pentru locul în care particula ar putea fi găsită atunci când este observată.

Pentru Niels Bohr, unul dintre fondatorii teoriei cuantice în urmă cu un secol, aceasta nu înseamnă că ne lipsesc informațiile, ci că proprietățile fizice, precum ”poziția”, nu există de fapt până când nu sunt măsurate.

Mai mult, deoarece unele proprietăți, cum ar fi poziția și viteza, ale unei particule nu pot fi observate simultan, în mod perfect, acestea nu pot fi reale simultan.

Albert Einstein a considerat această idee de neacceptat. Într-un articol din anul 1935, care a fost scris împreună cu colegii săi teoreticieni Boris Podolsky și Nathan Rosen, el susținea că trebuie să existe mai multe realități decât ceea ce poate descrie mecanica cuantică.

În articolul de atunci s-a analizat o pereche de particule îndepărtate aflate într-o stare specială cunoscută în prezent sub numele de inseparabilitate cuantică.

Atunci când se măsoară poziția sau viteza a două particule inseparabile cuantic, rezultatul va fi aleatoriu, dar va exista o corelație între rezultatele măsurătorii fiecărei particule.

De exemplu, un observator care măsoară poziția primei particule ar putea prezice perfect rezultatul măsurării poziției celei îndepărtate, fără a o atinge. De asemenea, observatorul ar putea alege să prezică în schimb viteza.

Această constatare are o explicație naturală, au susținut fizicienii, dacă ambele proprietăți existau înainte de a fi măsurate, contrar interpretării lui Bohr.

Cu toate acestea, în anul 1964, fizicianul nord-irlandez John Bell a descoperit că argumentul lui Einstein nu se aplică dacă se efectuează o combinație mai complicată de măsurători diferite asupra celor două particule.

Bell a arătat că dacă cei doi observatori aleg, în mod aleatoriu și independent, măsurarea uneia sau alteia dintre proprietățile particulelor, cum ar fi poziția sau viteza, rezultatele medii nu pot fi explicate în nicio teorie în care atât poziția, cât și viteză, erau proprietăți locale preexistente.

Sună incredibil, dar experimentele au demonstrat, în mod concludent, existenta corelațiilor lui Bell. Pentru mulți fizicieni aceasta este o dovadă că Bohr avea dreptate: proprietățile fizice nu există până când nu sunt măsurate.

Această perspectivă stârnește o întrebare crucială: ce este atât de special la o „măsurătoare”?

Efectul observatorului

În anul 1961 fizicianul teoretician maghiaro-american Eugene Wigner a conceput un experiment de gândire pentru a arăta de ce este atât de complicată ideea de măsurare în lumea cuantică.

El a considerat situația în care un prieten al său intră într-un laborator și efectuează o măsurătoare asupra unei particule cuantice, determinând, să presupunem, poziția acesteia.

Wigner a observat că, dacă se aplică ecuațiile mecanicii cuantice pentru a descrie această situație din exterior, rezultatul este diferit. În loc ca măsurătoarea prietenului să stabilească poziția reală a particulei, din perspectiva lui Wigner rezultatul măsurătorii efectuate de prietenul său devine incert ca urmare a legăturii ce se stabilește între prietenul său și particula, caracterizată de incertitudine, pe care încearcă să o măsoare.

Acest lucru este similar cu celebra pisică a lui Schrödinger, un alt experiment de gândire în care soarta unei pisici, aflată într-o cutie, este condiţionată de un eveniment cuantic aleatoriu.

Pentru Wigner aceasta a fost o concluzie absurdă. El credea că din momentul în care conștiința unui observator este implicată într-un experiment, incertitudinea se „prăbuşeşte” astfel încât observația prietenului să fie definită.

Dar dacă Wigner a greșit?

Credit: Anthony Dunnigan, CC BY-NC-ND

Experimentul nostru

În cercetarea noastră ne-am bazat pe o versiune extinsă a paradoxului prietenului lui Wigner, propusă pentru prima dată de Časlav Brukner de la Universitatea din Viena. În acest scenariu există doi fizicieni, Alice și Bob, fiecare cu prietenii lor, Charlie și Debbie, aflaţi în două laboratoare îndepărtate.

Charlie și Debbie măsoară o pereche de particule inseparabile cuantic, ca în experimentele Bell.

La fel ca în argumentul lui Wigner, ecuațiile mecanicii cuantice ne spun că Charlie și Debbie ar trebui să se afle într-o legătură reciprocă cu particulele lor observate. Pentru că acele particule erau deja inseparabile cuantic unele cu altele, Charlie și Debbie ar trebui să devină, la rândul lor, corelaţi, cel puţin în teorie.

Dar ce înseamnă asta din punct de vedere experimental?

Experimentul nostru decurge astfel: prietenii intră în laboratoarele lor și își măsoară particulele. Ceva mai târziu, Alice și Bob aruncă fiecare câte o monedă. Dacă este fața monedei, ei deschid ușa și își întreabă prietenii ce au văzut. Dacă este reversul monedei, ei efectuează o măsurătoare diferită.

Această măsurătoare diferită determină întotdeauna un rezultat pozitiv pentru Alice dacă Charlie este corelat cu particula sa observată în modul calculat de Wigner. La fel și pentru Bob și Debbie.

Cu toate acestea, în orice realizare a acestei măsurători, orice înregistrare a unei observații efectuate de prietenii lor din interiorul laboratorului este blocată şi nu ajunge la lumea exterioară. Charlie sau Debbie nu își vor aminti că au văzut ceva în interiorul laboratorului, ca și cum s-ar fi trezit dintr-o anestezie totală.

Dar acest lucru chiar s-a întâmplat, chiar dacă ei nu-și amintesc?

Dacă cele trei idei intuitive de la începutul acestui articol sunt corecte, atunci fiecare prieten a observat un rezultat real și unic pentru măsurătoarea lor în laborator, indiferent dacă Alice sau Bob au decis ulterior să deschidă ușa. De asemenea, ceea ce au văzut Alice și Charlie nu ar trebui să depindă de modul cum aterizează moneda îndepărtată a lui Bob și invers.

Am arătat că în acest caz există limite în corelațiile pe care Alice și Bob le observă în rezultatele lor. De asemenea, am arătat că mecanica cuantică prezice că Alice și Bob vor observa corelații care depășesc aceste limite.

Montajul experimental pentru testarea paradoxului nostru cu particule de lumină.

Fotografie de Kok-Wei Bong

Am realizat un experiment pentru a confirma predicțiile mecanice cuantice folosind perechi de fotoni inseparabili cuantic. Rolul măsurătorii efectuate de fiecărui prieten a fost jucat de una dintre cele două căi pe care fiecare foton o poate urma în montajul experimental, în funcție de o proprietate a fotonului numită „polarizare”. Cu alte cuvinte, calea „măsoară” polarizarea.

Experimentul nostru este doar o dovadă de principiu, deoarece „prietenii” sunt foarte mici și simpli. Însă el ridică întrebarea dacă aceleași rezultate ar fi valabile și pentru observatori mai complexi.

Poate că nu vom putea face niciodată acest experiment cu oameni adevărați. Susținem însă că într-o bună zi am putea realiza o demonstrație concludentă dacă „prietenul” este o inteligență artificială, la nivel uman, care rulează într-un computer cuantic performant.

Ce înseamnă toate acestea?

Chiar dacă un test concludent poate fi la zeci de ani distanță, dacă predicțiile mecanice cuantice continuă să fie valabile, acest lucru are implicații majore asupra înțelegerii realității, chiar mai mult decât corelațiile Bell.

Corelațiile pe care le-am descoperit nu pot fi explicate doar spunând că proprietățile fizice nu există până când nu sunt măsurate. Realitatea absolută a rezultatelor măsurătorii în sine este pusă sub semnul întrebării.

Rezultatele noastre îi obligă pe fizicieni să se ocupe direct de problema măsurării: fie experimentul nostru nu se poate aplica la o scară dimensională mai mare, iar mecanica cuantică cedează locul așa-numitei „teorii a colapsului obiectiv”, fie una dintre cele trei ipoteze de bun simț trebuie respinsă.

Există teorii, cum ar fi de Broglie-Bohm, care postulează o „acțiune la distanță”, în care acțiunile pot avea efecte instantanee în altă parte a universului. Cu toate acestea, acest lucru este în conflict direct cu teoria relativității a lui Einstein.

Unii caută o teorie care respinge libertatea de alegere, dar care necesită o cauzalitate inversă sau o formă aparent conspirativă de fatalism numită „superdeterminism”.

O altă modalitate de a rezolva conflictul ar putea fi aceea de a face teoria lui Einstein și mai relativă. Pentru Einstein, diferiți observatori nu vor fi de acord cu privire la când sau unde se întâmplă ceva, dar ceea ce se întâmplă este un fapt absolut.

Cu toate acestea, în unele interpretări, cum ar fi mecanica cuantică relațională, QBism sau interpretarea lumilor multiple, evenimentele în sine pot apărea numai în raport cu unul sau mai mulți observatori. Căderea unui copac, care a fost remarcată doar de un singur observator, ar putea să nu fie un eveniment pentru altcineva.

Toate acestea nu implică faptul că vă puteți alege propria realitate. În primul rând, puteți alege ce întrebări puneți, dar răspunsurile sunt date de lumea înconjurătoare. Chiar și într-o lume relațională, atunci când doi observatori comunică între ei, realitățile lor sunt corelate. În acest fel poate apărea o realitate comună.

Ceea ce înseamnă că, dacă amândoi asistăm la căderea aceluiași copac și spuneți că nu îl auziți, s-ar putea să aveți nevoie doar de un aparat auditiv.

Traducere şi adaptare după A new quantum paradox throws the foundations of observed reality into question