Друг Вігнера: квантовий мисленнєвий експеримент, який продовжує плутати – світ фізики

<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="Квантова таємниця У 1961 році Юджин Вігнер уявив свого друга, який проводить експеримент у лабораторії, поки він чекає на вулиці. Парадокс полягає в тому, що Вігнер і його друг передбачають різні результати, але обидва мають рацію. (iStock/Floriana)”>

Квантовий світ надає благодатний матеріал для мисленнєвих експериментів, які здаються настільки дивними, але правдивими, що суперечать логіці. Одним із найвідоміших є «Друг Віґнера», який кидає виклик фізикам і філософам із самого початку. вперше задуманий угорсько-американським фізиком Євген Вігнер. Він опублікував уявний експеримент у книзі 1961 року під редакцією математика Ірвінг Гуд Озаглавлений Вчений міркує: антологія частково спроможних ідей.

Мистецький експеримент Вігнера є більш гуманною версією менш складного, але більш відомого експерименту Шредінгера чверть століття тому, який включав кіт у коробці, доля якого залежить від квантової події. Всередині коробки кіт Шредінгера мертвий або живий, тоді як для когось ззовні кіт залишається мертвим і живим; це в «суперпозиції». Дивна ситуація зникає лише тоді, коли кришка коробки відкривається.

Постановка розумового експерименту Вігнера обеззброююче проста. Вігнер і його друг зацікавлені в результатах певного експерименту, скажімо, підготовка квантового біта (кубіта), результат вимірювання якого буде 0 або 1. Друг йде в лабораторію і налаштовує обладнання, а Вігнер залишається зовні. Кожен повністю розбирається в квантовому формалізмі.

Навпаки, їхні прогнози відрізняються. Друг Вігнера – експериментатор – готує кубіт із суперпозицією станів і передбачає, що кінцевий стан буде 0 з імовірністю 50% або 1 з імовірністю 50%. Вігнер, навпаки, ізольований від свого друга. Використовуючи єдиний квантовий стан у суперпозиції для опису свого друга та вмісту лабораторії, Вігнер передбачає, що система залишиться в суперпозиції зі 100% ймовірністю.

Вігнер підтримує це передбачення, навіть якщо він вважає, що його друг закінчив експеримент. Відповідно до квантової механіки, Вігнер не може відокремити друга від решти вмісту лабораторії. Тому Вігнер повинен запитати свого друга, щоб отримати інформацію про квантовий стан друга. Тож хто має правильну відповідь: Віґнер чи його друг?

Обидва мають рацію

Відповідь полягає в тому, що обидві ймовірності правильні – з точки зору кожної людини. Їхні два правильні використання математики дають різні передбачення: Віґнер передбачає, що стан є 100% у суперпозиції, тоді як друг передбачає, що результат вимірювання кубіта дорівнює 1 або 0. По суті, мисленнєвий експеримент Віґнера говорить, що правда залежить від де ти стоїш.

Але якщо ми припустимо, що ймовірності описують той самий «набір фактів» – і що є щось істинне з точки зору кожного – тоді ці передбачення суперечать. Сам Віґнер і багато хто з них вважали парадоксальним те, що квантовий формалізм дає два різні передбачення для одного і того ж стану речей. Вони вважали, що об'єктивність вимагає, щоб спостерігачі однаково характеризували факти незалежно від їхньої позиції.

Але те, що робить цей сценарій парадоксальним, полягає в його опорі на приховані класичні припущення. Одне з припущень полягає в тому, що Вігнер правий, а його друг помиляється (або навпаки), оскільки обидва зрештою моделюють результат вимірювання кубіта друга. Але припустімо, що їхні різні прогнози означають, що вони моделюють різні системи. Вігнер моделює середовище дружньої кубітної лабораторії, тоді як його друг моделює лише кубіт.

У класичній ситуації Вігнер і друг могли б мати однакові ймовірності для передбачення результату підкидання монети. Навіть якби Вігнер, скажімо, стояв за завісою, йому не довелося б розглядати друга, який кидає монету, як суперпозицію. Однак у квантовій ситуації Вігнер не може виокремити й ізолювати ймовірності лише для монети. Для Віґнера також може не бути «монети» – у кімнаті, повній предметів, немає жодної речі серед інших.

Але повернемося до мисленнєвого експерименту Вігнера. Що станеться, коли двері лабораторії відчиняться і Вігнер з другом зможуть поговорити про свої передбачення? Ці двоє не погоджувалися, але тепер, схоже, вони дійшли згоди щодо остаточного стану кубіту. Здається, їхні раніше суперечливі описи єдиного стану речей зійшлися в одне.

Але це не те, що буває. Навпаки, нова інформація Вігнера не спростовує його початковий прогноз. Квантовий формалізм вказує на те, що Вігнер і його друг мали послідовні описи для двох різних станів справ. Це виглядає парадоксально, лише якщо ми піддамося своїй інтуїції та припустимо, що це була та сама система для Вігнер та друга весь час.

Таким чином, довгоочікуваний момент, коли Віґнер і його друг діляться своїми висновками, є не вирішенням парадоксу, а тим, що відбувається після того, як парадоксальна ситуація вже закінчилася. Віґнер мав свій правильний формалізм, а друг мав свій.

Вігнер і багато хто з тих, хто пішов за ним, були стурбовані тим фактом, що двоє людей могли використовувати однакові методи в одному експерименті, прийшовши до двох правильних описів залежно від того, всередині чи за межами лабораторії. Наша класична інтуїція полягає в тому, що система однакова для всіх. Квантова механіка схиляє нас до думки, що ми можемо мати різні системи без неузгодженості або бути об’єктивними без необхідності робити всі наші описи ідентичними.

Критична точка

Теоретики квантової інформації перетворили друга Вігнера на потужний набір уявних експериментів для перевірки правдоподібності фізичних припущень, які ми робимо, коли ділимося інформацією. Ці розроблені мисленнєві експерименти включають кілька учасників у кількох лабораторіях, заплутані квантові стани між друзями та реальні експерименти із заплутаними фотонами щоб викинути наші класичні припущення.

Чи є розвилка на дорозі, класична чи квантова? Дотримуватись класичної інтерпретації, згідно з якою друг Віґнера містить два непослідовних описи одного стану справ, породжує парадокси. Квантова перспектива передбачає наявність описів двох різних станів речей. Перший є інтуїтивно зрозумілим, але закінчується суперечністю, інший є менш інтуїтивним, але послідовним. Квантова дружба означає, що вам ніколи не доведеться вибачатися за формалізм.

Роберт П. Кріз є професором (клацніть посилання нижче, щоб переглянути повну біографію), Дженніфер Картер є лектором і Джино Елія є докторантом факультету філософії Університету Стоні Брук, США.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/wigners-friend-the-quantum-thought-experiment-that-continues-to-confound/