Είναι η Κβαντομηχανική Εσωτερικά Ασυνεπής; Το Πείραμα Σκέψης διερευνά τις εννοιολογικές βάσεις του QM
Τα πειράματα σκέψης ήταν το ψωμί και το βούτυρο της σύγχρονης φυσικής από την έναρξή της. Ο Γαλιλαίος χρησιμοποίησε ένα πείραμα σκέψης για να υποστηρίξει ότι όλα τα αντικείμενα πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό ανεξάρτητα από τη μάζα, ο Ισαάκ Νεύτων χρησιμοποίησε ένα πείραμα σκέψης για να υποστηρίξει την απόλυτη φύση του χώρου, ο Μάξγουελ χρησιμοποίησε ένα πείραμα σκέψης για να υποστηρίξει τη φύση της θερμοδυναμικής και η αρχική εργασία του Αϊνστάιν που εισήγαγε την ειδική θεωρία της σχετικότητας ήταν καθαρά ένα πείραμα σκέψης.
Η κβαντική μηχανική έχει μακρά ιστορία πειραμάτων σκέψης, τα περισσότερα προσανατολισμένα στην επισήμανση αδυναμιών ή παραξενιών σε συγκεκριμένες ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής. Η πιο πρόσφατη προσθήκη σε αυτήν την ιστορία των πειραμάτων σκέψης στην κβαντική μηχανική προσθέτει σε αυτήν την παράδοση υποστηρίζοντας ότι η κοινή αντίληψη της κβαντικής μηχανικής είναι εσφαλμένη.
Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature, οι φυσικοί Daniela Frauchinger &Renato Renner παρουσιάζουν ένα σκεπτικό πείραμα που σκοπό έχει να επισημάνει μια ασυνέπεια στην ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής. Το συγκεκριμένο πείραμα σκέψης που παρουσίασαν οι συγγραφείς είναι μια τροποποίηση ενός πειράματος που δόθηκε από τον Eugene Wigner το 1961, το οποίο από μόνο του ήταν μια τροποποίηση του διαβόητου πειράματος σκέψης της γάτας του Schrödinger. Η εγκατάσταση των Frauchinger &Renato περιλαμβάνει δύο επιστήμονες που κάνουν μετρήσεις σε δύο φίλους που ο καθένας κάνει μετρήσεις σε ένα απομονωμένο κβαντικό σύστημα. Το επιχείρημά τους, με λίγα λόγια, είναι ότι εάν η ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής είναι σωστή, τότε οι δύο εξωτερικοί παρατηρητές θα καταλήξουν σε αντιφατικά συμπεράσματα σχετικά με την κατάσταση ενός πειραματικού συστήματος. Οι αντιφάσεις είναι απαγορευμένες στη φυσική, επομένως, κάτι πρέπει να είναι λάθος με την ορθόδοξη ερμηνεία και θα πρέπει να το αντικαταστήσουμε με μια άλλη.
Οι γάτες του Schrödinger, οι φίλοι του Wigner και το QM Weirdness
Το 1935 ο Erwin Schrödinger παρουσίασε το ακόλουθο σκεπτικό πείραμα:Πες ότι έχεις ένα κουτί με μια γάτα μέσα. Μέσα στο κουτί μαζί με τη γάτα υπάρχουν ένα φιαλίδιο κυανίου και ένα σφυρί που είναι αρματωμένο για να σπάσει το φιαλίδιο, απελευθερώνοντας το αέριο και σκοτώνοντας τη γάτα. Η συσκευή φιαλιδίου/σφυρί είναι η ίδια συνδεδεμένη με έναν μετρητή Geiger, που έχει ρυθμιστεί για να ανιχνεύει τη ραδιενεργή διάσπαση ενός ισοτόπου καισίου. Εάν το άτομο φτύσει ένα σωματίδιο βήτα, το σφυρί θα σπάσει το φιαλίδιο σκοτώνοντας τη γάτα. Εάν το άτομο δεν φτύσει ένα σωματίδιο βήτα, τίποτα δεν θα συμβεί και η γάτα παραμένει ζωντανή. Αφήνεις το κουτί μόνο του και επιστρέφεις μια ώρα αργότερα, αναρωτιέσαι αν η γάτα είναι ζωντανή ή νεκρή.
Λοιπόν, σύμφωνα με την ορθόδοξη ερμηνεία του QM, επίσης γνωστή ως ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η απάντηση είναι στην πραγματικότητα κανένα από τα δύο . Το μαθηματικό πλαίσιο του QM περιγράφει την παραπάνω ρύθμιση ως μια υπέρθεση , ένα μίγμα κλασικών καταστάσεων:μια στην οποία το άτομο αποσυντέθηκε και η γάτα είναι νεκρή και μια στην οποία το άτομο δεν αποσυντέθηκε και η γάτα είναι ζωντανή. Πριν ανοίξει κανείς πραγματικά το κουτί για να κοιτάξει, η γάτα βρίσκεται σε μια υπέρθεση ζωντανών/νεκρών. Όταν γίνεται μια πραγματική παρατήρηση, η υπέρθεση «καταρρέει», αναγκάζοντας το σύστημα να επιλέξει μια συγκεκριμένη κατάσταση. Έτσι, η ερμηνεία της Κοπεγχάγης υποστηρίζει ότι η παρατήρηση ενός κβαντικού συστήματος προκαλεί την κατάρρευση αυτού του συστήματος από μια υπέρθεση πολλαπλών πιθανών καταστάσεων σε μια ορισμένη κατάσταση. (Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι ο ίδιος ο Schrödinger θεώρησε ότι η υποθετική του κατάσταση απέδειξε ότι η ορθόδοξη ερμηνεία ήταν παράλογη).
Το 1961, ο Eugene Wigner προσέφερε μια τροποποίηση του πειράματος gedanke του Schrödinger. Το πείραμα σκέψης του Wigner αντικαθιστά τη γάτα στο κουτί με έναν συνάδελφο επιστήμονα σε ένα εργαστήριο που μετράει ο ίδιος ένα κβαντικό σύστημα S. Έξω από το εργαστήριο είναι ο ίδιος ο Wigner που παρατηρεί ολόκληρο το σύστημα του εργαστηρίου. ο φίλος του συν σύστημα S. Ο φίλος στο εργαστήριο κάνει μια μέτρηση σε ένα ηλεκτρόνιο και καταγράφει ότι έχει σπιν -1/2. Από την οπτική γωνία του φίλου στο εργαστήριο, η κυματική συνάρτηση του συστήματος S έχει καταρρεύσει και του έδωσε μια συγκεκριμένη μέτρηση. Ωστόσο, από την οπτική γωνία του Wigner έξω από το εργαστήριο, ολόκληρο το εργαστήριο, το οποίο περιλαμβάνει και τον φίλο του και το σύστημα S, εξακολουθεί να βρίσκεται σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων, μια όπου το ηλεκτρόνιο μετρήθηκε με σπιν -1/2 και ο φίλος του παρατήρησε -1/2, και ένα όπου το ηλεκτρόνιο μετρήθηκε με σπιν 1/2 και ο φίλος του παρατήρησε 1/2. Μόνο αφού ο φίλος του στο εργαστήριο του λέει το αποτέλεσμα του πειράματός του, ολόκληρο το σύστημα του φίλου συν S καταρρέει σε μια καθορισμένη κατάσταση. Ωστόσο, από την οπτική γωνία του φίλου μέσα στο εργαστήριο, το ηλεκτρόνιο έχει ήδη πάρει μια ορισμένη κατάσταση μόλις το μέτρησε. Πολλοί υποστήριξαν ότι το πείραμα σκέψης του Wigner αποδεικνύει ότι το QM δεν είναι εφαρμόσιμο σε όλες τις κλίμακες της πραγματικότητας.
Η τροποποίηση των Frauchinger &Renner στο πείραμα σκέψης του Wigner έχει σκοπό να τονίσει μια ασυνέπεια στην ορθόδοξη ερμηνεία αντλώντας μια απόλυτη αντίφαση από τις αρχές της ερμηνείας της Κοπεγχάγης. Ουσιαστικά, το σκεπτικό πείραμα δείχνει πώς τέσσερα άτομα με διαφορετική πληροφορία που ακολουθούν κανόνες που υπαγορεύονται από το QM θα οδηγήσουν σε αντιφάσεις. Στη ρύθμιση του ζευγαριού, υπάρχουν δύο φίλοι F και F κάθε εσωτερικό των εργαστηρίων L και L πραγματοποιώντας μετρήσεις, καθεμία από τις οποίες παρατηρείται από τους επιστήμονες W και W αντίστοιχα. Το F αναποδογυρίζει ένα νόμισμα και ανάλογα με το αποτέλεσμα, πολώνει ένα σωματίδιο S για να έχει ένα συγκεκριμένο σπιν. Στη συνέχεια, κοινοποιεί αυτό το αποτέλεσμα περιστροφής στο F που χρησιμοποιεί τις γνώσεις της για την κβαντική μηχανική για να προσδιορίσει το αποτέλεσμα της ανατροπής του νομίσματος του F. Μέχρι στιγμής όλα καλά, όπως F και F βρίσκονται σε συμφωνίες σχετικά με το αποτέλεσμα της ανατροπής του νομίσματος.
Τώρα, W και W εισάγετε την εικόνα. Ανάλογα με τις αρχικές μετρήσεις που έγιναν από το F και το F , W και W θα παρατηρήσει L και L ως όντας σε ιδιαίτερες υπερθέσεις. Ανάλογα με το αποτέλεσμα της αρχικής αναστροφής του νομίσματος και το μήνυμα που στάλθηκε από το F στο F , θα προκύψει μια κατάσταση όπου W και W μπορεί, σύμφωνα με τους μαθηματικούς κανόνες του QM, να είναι απολύτως σίγουρος για το αποτέλεσμα της αρχικής ανατροπής του νομίσματος. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι το W και το W θα διαφωνήσει σχετικά με αυτό το αποτέλεσμα ως κεφάλια ή ουρές. Με άλλα λόγια, οι κανόνες της ορθόδοξης ερμηνείας απαιτούν ότι το W και το W Και οι δύο είναι 100% σίγουροι για την εμφάνιση αμοιβαία αποκλειστικών αποτελεσμάτων, μια φλογερή αντίφαση αν υπήρξε ποτέ.
Οι Frauchinger &Renner επισημαίνουν ότι μια αντίφαση προκύπτει μόνο εάν κάποιος υποθέσει μια ερμηνεία του QM «ενιαίου κόσμου». ότι υπάρχει μόνο μία πραγματικότητα όπου μόνο ένα αποτέλεσμα μπορεί σίγουρα να συμβεί. Σε μια προηγούμενη εργασία, οι Frauchinger &Renner έχουν υποστηρίξει με παρόμοιο τρόπο ότι οι ερμηνείες του QM μεμονωμένου κόσμου αναπόφευκτα θα καταλήξουν να παράγουν αντιφάσεις. Σύμφωνα με τις ερμηνείες "πολλών κόσμων" της QM, δεν υπάρχει κατάρρευση των κυματοσυναρτήσεων. Για κάθε πιθανή τιμή κάποιας μεταβλητής, υπάρχει ένας κλάδος της καθολικής κυματικής συνάρτησης όπου στην πραγματικότητα συμβαίνει αυτό το αποτέλεσμα. Έτσι, εάν μια ερμηνεία πολλών κόσμων είναι αληθινή, τότε η φαινομενική αντίφαση που προέκυψε παραπάνω δεν είναι τελικά αληθινή αντίφαση. W και W Οι παρατηρήσεις είναι συνεπείς καθώς η καθεμία περιγράφει έναν διαφορετικό κλάδο της κυματικής συνάρτησης, έναν κλάδο όπου προέκυψαν διαφορετικά αποτελέσματα. Οι Frauchinger &Renner υποστηρίζουν ότι εκτιμήσεις όπως το σκεπτικό τους πείραμα μας αναγκάζουν να υιοθετήσουμε μια ερμηνεία πολλών κόσμων, καθώς είναι η μόνη που μπορεί να συμβιβάσει τις αντιφάσεις που είναι εμφανείς στην ορθόδοξη άποψη.
Οι ερμηνείες της QM από πολλούς κόσμους έχουν κερδίσει μεγάλη δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια, αλλά είναι κατανοητό ότι εξακολουθούν να αντιμετωπίζονται με κάποια ανησυχία στην επιστημονική κοινότητα. Ολόκληρη η υπόθεση της ερμηνείας των πολλών κόσμων φαίνεται αδιαπέραστη από τις πειραματικές δοκιμές, καθώς κάθε πιθανό πειραματικό αποτέλεσμα θα μπορούσε να εξηγηθεί με αναφορά στη φύση διακλάδωσης της καθολικής κυματικής συνάρτησης. Ωστόσο, αυστηρές λογικές και a priori αναλύσεις όπως αυτή των Frauchinger &Renner φαίνεται να δίνουν ένα είδος αποδείξεων για μια ερμηνεία πολλών κόσμων, καθώς ο πόνος της πραγματικότητας είναι πραγματικά ασυνεπής. κάτι που κανένας επιστήμονας δεν θα ήθελε να πιστέψει.
