Wigners vän: kvanttankeexperimentet som fortsätter att förvirra – Physics World

<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="Kvantmysterium 1961 föreställde Eugene Wigner en vän som gjorde ett experiment i ett labb medan han väntar utanför. Paradoxen är att Wigner och vännen förutspår olika resultat, men båda har rätt. (iStock/Floriana)”>

Kvantvärlden tillhandahåller fruktbart material för tankeexperiment som verkar så konstiga-men-santa att de trotsar logiken. En av de mest ökända är "Wigners vän", som har utmanat fysiker och filosofer ända sedan den var först tänkt av den ungersk-amerikanske fysikern Eugene Wigner. Han publicerade tankeexperimentet i en bok från 1961 redigerad av matematikern Irving Bra med titeln Forskaren spekulerar: en antologi av delvis bakade idéer.

Wigners tankeexperiment är en mer human version av Schrödingers mindre komplexa men mer kända tankeexperiment ett kvartssekel innan, som involverade en katt inuti en låda vars öde hänger på en kvanthändelse. Inuti lådan är Schrödingers katt död eller levande, medan för någon utomstående förblir katten död och vid liv; det är i en "superposition". Den bisarra situationen försvinner först när lådans lock öppnas.

Upplägget av Wigners tankeexperiment är avväpnande enkelt. Wigner och hans vän är intresserade av resultatet av ett visst experiment, låt oss säga att förbereda en kvantbit (qubit) vars mätresultat kommer att vara antingen 0 eller 1. Kompisen går in i ett labb och ställer in utrustningen, medan Wigner förblir utanför. Var och en är fullt insatt i kvantformalismen.

Kontraintuitivt skiljer sig deras förutsägelser. Wigners vän – experimentalisten – förbereder qubiten med en överlagring av tillstånd och förutsäger att det slutliga tillståndet blir 0 med 50 % sannolikhet, eller 1 med 50 % sannolikhet. Wigner, å andra sidan, är isolerad från sin vän. Genom att använda ett enda kvanttillstånd i superposition för att beskriva sin vän plus labbinnehållet, förutspår Wigner att systemet kommer att förbli i superposition med 100 % sannolikhet.

Wigner upprätthåller denna förutsägelse även om han tror att hans vän har avslutat experimentet. Enligt kvantmekaniken kan Wigner inte separera vännen från resten av labbinnehållet. Wigner måste därför fråga sin vän för att få information om kompisens kvanttillstånd. Så vem har det rätta svaret: Wigner eller hans vän?

Båda har rätt

Svaret är att båda sannolikheterna är korrekta – ur varje individs synvinkel. Deras två korrekta användningar av matematiken ger olika förutsägelser: Wigner förutsäger att tillståndet är 100 % i superposition, medan vännen förutspår att mätresultatet för qubiten är antingen 1 eller 0. I huvudsak säger Wigners tankeexperiment att vad som är sant beror på där du står.

Men om vi antar att sannolikheterna beskriver samma "uppsättning fakta" – och att det finns något som är sant ur allas synvinkel – så är dessa förutsägelser i konflikt. Wigner själv, och många som följde efter, tyckte det var paradoxalt att kvantformalismen ger två olika förutsägelser för samma sak. De ansåg att objektivitet kräver att observatörer måste karakterisera fakta på samma sätt oavsett deras position.

Det som dock får detta scenario att verka paradoxalt är dess tillit till dolda klassiska antaganden. Ett antagande är att Wigner har rätt och hans vän fel (eller vice versa) eftersom båda i slutändan modellerar resultatet av kompisens qubit-mätning. Men anta att deras olika förutsägelser betyder att de två modellerar olika system. Wigner modellerar vän-qubit-lab-miljön, medan hans vän modellerar bara qubit.

I en klassisk situation kan Wigner och vän ha samma sannolikheter för att förutsäga resultatet av en myntvändning. Även om Wigner, säg, stod bakom en gardin, skulle han inte behöva behandla vännen som vänder myntet som i superposition. I kvantläget kan Wigner dock inte peka ut och isolera sannolikheterna för bara myntet. Det kan lika gärna finnas något "mynt" för Wigner – det finns inte en sak bland annat i ett rum fullt av föremål.

Men tillbaka till Wigners tankeexperiment. Vad händer när laboratoriedörren öppnas och Wigner och vän kan prata om sina förutsägelser? De två hade varit oense men nu ser det ut som att de är överens om det slutliga tillståndet för qubiten. Det verkar som om deras tidigare inkonsekventa beskrivningar av ett enda tillstånd har konvergerat till en.

Det är dock inte vad som händer. Snarare förkastar inte Wigners nya information hans ursprungliga förutsägelse. Kvantformalismen indikerar att Wigner och vän hade konsekventa beskrivningar för två olika tillstånd. Detta känns paradoxalt bara om vi ger efter för vår intuition och antar att det var samma system för Wigner och vän hela tiden.

Det efterlängtade ögonblicket när Wigner och hans vän delar med sig av sina upptäckter är alltså inte lösningen på paradoxen, utan vad som händer efter att den paradoxala situationen redan har upphört. Wigner hade sin korrekta formalism och vännen hade sin.

Wigner, och många av de som följde, störde sig på att det kunde vara två personer som använder samma metoder på samma experiment som kommer fram till två korrekta beskrivningar beroende på om den ena befann sig i eller utanför labbet. Vår klassiska intuition är att systemet är lika för alla. Kvantmekaniken får oss att tro att vi kan ha olika system utan att det finns en inkonsekvens eller vara objektiva utan att behöva göra alla våra beskrivningar identiska.

Den kritiska punkten

Kvantinformationsteoretiker har förvandlat Wigners vän till en kraftfull uppsättning tankeexperiment för att testa rimligheten i fysiska antaganden vi gör när vi delar information. Dessa utarbetade tankeexperiment involverar flera deltagare i flera labb, intrasslade kvanttillstånd mellan vänner och verkliga intrasslade fotonexperiment att röka ut vad våra klassiska antaganden är.

Finns det en gaffel i vägen, klassisk eller kvant? Att hålla fast vid den klassiska tolkningen som säger att Wigners vän innebär två inkonsekventa beskrivningar av ett tillstånd skapar paradoxer. Kvantperspektivet innebär att det finns beskrivningar av två olika tillstånd. Den första är intuitiv men hamnar i en motsägelse, den andra är mindre intuitiv, men konsekvent. Kvantvänskap innebär att du aldrig behöver säga att du är ledsen för din användning av formalismen.

Robert P Crease är professor (klicka på länken nedan för fullständig bio), Jennifer Carter är föreläsare och Gino Elia är doktorand, alla vid Institutionen för filosofi, Stony Brook University, USA.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/wigners-friend-the-quantum-thought-experiment-that-continues-to-confound/