Wigners venn: kvantetankeeksperimentet som fortsetter å forvirre – Physics World

Wigners venn: kvantetankeeksperimentet som fortsetter å forvirre – Physics World

Tidsstempel: 18. mars 2024 6:56

"Wigners venn" er et merkelig tankeeksperiment som har slått fysikere og filosofer i stuss i mer enn 60 år. Robert P Crease, Jennifer Carter og Gino Elia gi råd om hvordan du kan løse denne gåten

<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 så Eugene Wigner for seg en venn som gjorde et eksperiment i et laboratorium mens han venter utenfor. Paradokset er at Wigner og vennen spår forskjellige utfall, men begge har rett. (iStock/Floriana)”>
Wigners venn: kvantetankeeksperimentet som fortsetter å forvirre – Physics World PlatoBlockchain Data Intelligence. Vertikalt søk. Ai.
Kvantemysterium I 1961 så Eugene Wigner for seg en venn som gjorde et eksperiment i et laboratorium mens han venter utenfor. Det paradoksale er at Wigner og vennen spår forskjellige utfall, men begge har rett. (iStock/Floriana)

Kvanteverdenen gir fruktbart materiale for tankeeksperimenter som virker så merkelige-men-sanne at de trosser logikk. En av de mest beryktede er "Wigners venn", som har utfordret fysikere og filosofer helt siden den var. først unnfanget av den ungarsk-amerikanske fysikeren Eugene Wigner. Han publiserte tankeeksperimentet i en bok fra 1961 redigert av matematikeren Irving bra Med tittelen Forskeren spekulerer: en antologi med delvis bakte ideer.

Wigners tankeeksperiment er en mer human versjon av Schrödingers mindre komplekse, men mer kjente tankeeksperiment et kvart århundre før, som involverte en katt inne i en boks hvis skjebne henger på en kvantehendelse. Inne i boksen er Schrödingers katt død eller levende, mens for noen utenfor, forblir katten død og levende; det er i en "superposisjon". Den bisarre situasjonen forsvinner først når bokslokket åpnes.

Oppsettet av Wigners tankeeksperiment er avvæpnende enkelt. Wigner og vennen hans er interessert i utfallet av et bestemt eksperiment, la oss si å forberede en kvantebit (qubit) hvis måleresultat vil være enten 0 eller 1. Vennen går inn i et laboratorium og setter opp utstyret, mens Wigner forblir utenfor. Hver er fullt kjent med kvanteformalismen.

Kontraintuitivt er spådommene deres forskjellige. Wigners venn – eksperimentelten – forbereder qubiten med en superposisjon av tilstander, og spår slutttilstanden til å være 0 med 50 % sannsynlighet, eller 1 med 50 % sannsynlighet. Wigner er derimot isolert fra vennen. Ved å bruke en enkelt kvantetilstand i superposisjon for å beskrive vennen pluss laboratorieinnholdet, spår Wigner at systemet vil forbli i superposisjon med 100 % sannsynlighet.

Wigner opprettholder denne spådommen selv om han tror at vennen hans har fullført eksperimentet. I følge kvantemekanikken kan ikke Wigner skille vennen ut fra resten av laboratorieinnholdet. Wigner må derfor spørre sin venn for å få informasjon om vennens kvantetilstand. Så hvem har det rette svaret: Wigner eller vennen hans?

Begge har rett

Svaret er at begge sannsynlighetene er riktige – fra hver enkelt persons ståsted. Deres to korrekte bruk av matematikken gir forskjellige spådommer: Wigner forutsier at tilstanden er 100 % i superposisjon, mens vennen spår at måleresultatet av qubiten er enten 1 eller 0. I hovedsak sier Wigners tankeeksperiment at hva som er sant avhenger av hvor du står.

Men hvis vi antar at sannsynlighetene beskriver det samme «settet av fakta» – og at det er noe som er sant fra alles synspunkt – så er disse spådommene i konflikt. Wigner selv, og mange som fulgte, syntes det var paradoksalt at kvanteformalismen gir to forskjellige spådommer for samme tilstand. De mente at objektivitet krever at observatører må karakterisere fakta på samme måte uavhengig av deres posisjon.

Det som imidlertid får dette scenariet til å virke paradoksalt, er dets avhengighet av skjulte klassiske antagelser. En antakelse er at Wigner har rett og vennen hans feil (eller omvendt) fordi begge til slutt modellerer resultatet av vennens qubit-måling. Men anta at deres forskjellige spådommer betyr at de to modellerer forskjellige systemer. Wigner modellerer venn-qubit-lab-miljøet, mens vennen hans modellerer bare qubit.

I en klassisk situasjon kan Wigner og venn ha samme sannsynlighet for å forutsi utfallet av en myntflipp. Selv om Wigner for eksempel sto bak et gardin, ville han ikke trenge å behandle vennen som snudde mynten som i superposisjon. I kvantesituasjonen kan imidlertid ikke Wigner skille ut og isolere sannsynlighetene for bare mynten. Det kan like gjerne ikke være noen "mynt" for Wigner – det er ikke én ting blant annet i et rom fullt av gjenstander.

Men tilbake til Wigners tankeeksperiment. Hva skjer når laboratoriedøren åpnes og Wigner og vennen kan snakke om spådommene sine? De to var uenige, men nå ser det ut til at de er enige om den endelige tilstanden til qubiten. Det ser ut til at deres tidligere inkonsekvente beskrivelser av en enkelt tilstand har gått sammen til én.

Det er imidlertid ikke det som skjer. Snarere avviser ikke Wigners nye informasjon hans første spådom. Kvanteformalismen indikerer at Wigner og venn hadde konsistente beskrivelser for to forskjellige tilstander. Dette føles paradoksalt bare hvis vi gir etter for intuisjonen vår og antar at det var det samme systemet for Wigner og venn hele tiden.

Det etterlengtede øyeblikket når Wigner og vennen hans deler sine funn, er altså ikke løsningen på paradokset, men det som skjer etter at den paradoksale situasjonen allerede er over. Wigner hadde sin korrekte formalisme og vennen hadde sin.

Wigner, og mange av de som fulgte, ble plaget av at det kunne være to personer som brukte de samme metodene på samme eksperiment som kom frem til to korrekte beskrivelser avhengig av om den ene var inne eller utenfor laboratoriet. Vår klassiske intuisjon er at systemet er likt for alle. Kvantemekanikk får oss til å tenke at vi kan ha forskjellige systemer uten at det er inkonsekvens eller være objektive uten å måtte gjøre alle beskrivelsene våre identiske.

Det kritiske punktet

Kvanteinformasjonsteoretikere har gjort Wigners venn til et kraftig sett med tankeeksperimenter for å teste plausibiliteten til fysiske antakelser vi gjør når vi deler informasjon. Disse forseggjorte tankeeksperimentene involverer flere deltakere i flere laboratorier, innviklede kvantetilstander mellom venner og virkelige sammenfiltrede fotoneksperimenter å røyke ut hva våre klassiske antakelser er.

Er det en gaffel i veien, klassisk eller kvante? Å holde seg til den klassiske tolkningen som sier at Wigners venn innebærer to inkonsekvente beskrivelser av én tilstand, produserer paradokser. Kvanteperspektivet innebærer at det finnes beskrivelser av to forskjellige tilstander. Den første er intuitiv, men ender opp i en selvmotsigelse, den andre er mindre intuitiv, men konsekvent. Kvantevennskap betyr at du aldri trenger å si at du beklager din bruk av formalismen.

Robert P Crease er professor (klikk på lenken nedenfor for full bio), Jennifer Carter er foreleser og Gino Elia er doktorgradsstudent, alle ved Institutt for filosofi, Stony Brook University, USA.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden