Wigners ven: kvantetankeeksperimentet, der fortsætter med at forvirre – Physics World

Wigners ven: kvantetankeeksperimentet, der fortsætter med at forvirre – Physics World

Tidsstempel: 18. marts 2024 kl. 6:56

"Wigners ven" er et kuriøst tankeeksperiment, der har ramt fysikere og filosoffer i mere end 60 år. Robert P Crease, Jennifer Carter , Gino Elia rådgive om, hvordan man løser denne gåde

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/wigners-friend-the-quantum-thought-experiment-that-continues-to-confound-physics-world-1.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/wigners-friend-the-quantum-thought-experiment-that-continues-to-confound-physics-world-1.jpg" data-caption="Kvantemysterium I 1961 forestillede Eugene Wigner en ven lave et eksperiment i et laboratorium, mens han venter udenfor. Det paradoksale er, at Wigner og vennen forudsiger forskellige udfald, men begge har ret. (iStock/Floriana)”>
Wigner’s friend: the quantum thought experiment that continues to confound – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertical Search. Ai.
Kvantemysterium I 1961 forestillede Eugene Wigner en ven lave et eksperiment i et laboratorium, mens han venter udenfor. Det paradoksale er, at Wigner og vennen forudsiger forskellige udfald, men begge har ret. (iStock/Floriana)

Kvanteverdenen giver frugtbart materiale til tankeeksperimenter, der virker så mærkelige-men-sande, at de trodser logikken. En af de mest berygtede er "Wigners ven", som har udfordret fysikere og filosoffer lige siden den var. først undfanget af den ungarsk-amerikanske fysiker Eugene Wigner. Han udgav tankeeksperimentet i en bog fra 1961, redigeret af matematikeren Irving god Med titlen Forskeren spekulerer: en antologi af delvist bagte ideer.

Wigners tankeeksperiment er en mere human version af Schrödingers mindre komplekse, men mere berømte tankeeksperiment et kvart århundrede før, som involverede en kat inde i en æske, hvis skæbne hænger på en kvantebegivenhed. Inde i kassen er Schrödingers kat død eller levende, hvorimod katten for en udenforstående forbliver død-og-levende; det er i en "superposition". Den bizarre situation forsvinder først, når kasselåget åbnes.

Opsætningen af ​​Wigners tankeeksperiment er afvæbnende enkel. Wigner og hans ven er interesserede i resultatet af et bestemt eksperiment, lad os sige at forberede en kvantebit (qubit), hvis måleresultat vil være enten 0 eller 1. Vennen går ind i et laboratorium og sætter udstyret op, mens Wigner bliver udenfor. Hver af dem er fuldt fortrolig med kvanteformalismen.

Kontraintuitivt er deres forudsigelser forskellige. Wigners ven – eksperimenteren – forbereder qubitten med en superposition af tilstande og forudsiger den endelige tilstand til at være 0 med 50 % sandsynlighed eller 1 med 50 % sandsynlighed. Wigner er på den anden side isoleret fra sin ven. Ved at bruge en enkelt kvantetilstand i superposition til at beskrive sin ven plus laboratorieindholdet, forudsiger Wigner, at systemet vil forblive i superposition med 100 % sandsynlighed.

Wigner fastholder denne forudsigelse, selvom han tror, ​​at hans ven har afsluttet eksperimentet. Ifølge kvantemekanikken kan Wigner ikke adskille vennen fra resten af ​​laboratorieindholdet. Wigner skal derfor spørge sin ven for at få information om vennens kvantetilstand. Så hvem har det rigtige svar: Wigner eller hans ven?

Begge har ret

Svaret er, at begge sandsynligheder er korrekte - set fra hver enkelt persons synspunkt. Deres to korrekte anvendelser af matematikken giver forskellige forudsigelser: Wigner forudsiger, at tilstanden er 100 % i superposition, mens vennen forudsiger, at måleresultatet af qubitten er enten 1 eller 0. I bund og grund siger Wigners tankeeksperiment, at hvad der er sandt afhænger af hvor du står.

Men hvis vi antager, at sandsynligheden beskriver det samme "sæt af fakta" - og at der er noget, der er sandt fra alles synspunkt - så er disse forudsigelser i konflikt. Wigner selv, og mange af dem, der fulgte, mente, at det var paradoksalt, at kvanteformalismen giver to forskellige forudsigelser for den samme situation. De mente, at objektivitet kræver, at observatører skal karakterisere fakta på samme måde uanset deres holdning.

Det, der imidlertid får dette scenarie til at virke paradoksalt, er dets afhængighed af skjulte klassiske antagelser. En antagelse er, at Wigner har ret og hans ven forkert (eller omvendt), fordi begge i sidste ende modellerer resultatet af vennens qubit-måling. Men antag, at deres forskellige forudsigelser betyder, at de to modellerer forskellige systemer. Wigner modellerer ven-qubit-lab-miljøet, mens hans ven kun modellerer qubit.

I en klassisk situation kunne Wigner og ven have samme sandsynlighed for at forudsige resultatet af en møntvending. Selv hvis Wigner f.eks. stod bag et gardin, ville han ikke skulle behandle den ven, der vendte mønten, som værende i superposition. I kvantesituationen kan Wigner dog ikke udskille og isolere sandsynligheden for kun mønten. Der kan lige så godt ikke være nogen "mønt" for Wigner – der er ikke én ting blandt andet i et rum fyldt med genstande.

Men tilbage til Wigners tankeeksperiment. Hvad sker der, når laboratoriedøren åbnes, og Wigner og ven kan tale om deres forudsigelser? De to var uenige, men nu ser det ud til, at de er enige om den endelige tilstand af qubit. Det ser ud til, at deres tidligere inkonsekvente beskrivelser af en enkelt tilstand er gået sammen til én.

Det er dog ikke det, der sker. Tværtimod afviser Wigners nye oplysninger ikke hans oprindelige forudsigelse. Kvanteformalismen indikerer, at Wigner og ven havde konsistente beskrivelser for to forskellige tilstande. Dette føles kun paradoksalt, hvis vi giver efter for vores intuition og antager, at det hele tiden var det samme system for Wigner og ven.

Det længe ventede øjeblik, hvor Wigner og hans ven deler deres resultater, er altså ikke løsningen på paradokset, men hvad der sker, efter at den paradoksale situation allerede er overstået. Wigner havde sin korrekte formalisme og vennen havde deres.

Wigner, og mange af dem, der fulgte efter, var generet af, at der kunne være to personer, der brugte de samme metoder på det samme eksperiment, der nåede frem til to korrekte beskrivelser afhængigt af, om den ene befandt sig i eller uden for laboratoriet. Vores klassiske intuition er, at systemet er det samme for alle. Kvantemekanikken får os til at tro, at vi kan have forskellige systemer, uden at der er en inkonsekvens, eller være objektive uden at skulle gøre alle vores beskrivelser identiske.

Det kritiske punkt

Kvanteinformationsteoretikere har forvandlet Wigners ven til et kraftfuldt sæt tankeeksperimenter til at teste plausibiliteten af ​​fysiske antagelser, vi gør, når vi deler information. Disse uddybende tankeeksperimenter involverer flere deltagere i flere laboratorier, indviklede kvantetilstande mellem venner , indviklede fotoneksperimenter i det virkelige liv at ryge ud, hvad vores klassiske antagelser er.

Er der en gaffel i vejen, klassisk eller kvante? At holde fast i den klassiske fortolkning, der siger, at Wigners ven involverer to inkonsekvente beskrivelser af én tilstand, producerer paradokser. Kvanteperspektivet indebærer, at der er beskrivelser af to forskellige tilstande. Den første er intuitiv, men ender i en modsigelse, den anden er mindre intuitiv, men konsekvent. Kvantevenskab betyder aldrig at skulle sige, at du er ked af din brug af formalismen.

Robert P Crease er professor (klik på linket nedenfor for fuld bio), Jennifer Carter er foredragsholder og Gino Elia er ph.d.-studerende, alle ved Institut for Filosofi, Stony Brook University, USA.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden