Yeni kuantum paradoksu, gerçeklik görüşümüzün yanlış olduğunu gösteriyor!
Bir düşünce deneyi, kuantum temellerinin dünyasını sarstı ve fizikçileri, çeşitli kuantum açıklamalarının (kuantum mekaniğinin çoklu dünyaları ve Kopenhag açıklaması gibi) görünüşte makul gerçeklik varsayımlarını nasıl terk ettiğini açıklığa kavuşturmaya zorladı. Kuantum mekaniği tartışmasız bir başarı teorisidir ve dünyanın doğasının mikroskobik ölçekte şaşırtıcı derecede doğru tahminlerini yapar. Neredeyse bir yüzyıldır tartışmalı olan şey, bize neyin var olduğunu ve neyin gerçek olduğunu anlatmasıdır. Bu problem için sayısız açıklama vardır ve bunların her biri belirli kanıtlanmamış iddiaları, yani gerçekliğin doğası hakkındaki varsayımları kabul etmemizi gerektirir. Şimdi yeni bir düşünce deneyi, bu varsayımlarla yüzleşerek kuantum fiziğinin temelini sarsıyor. Deneyin kendisi tuhaftır - az önce gözlemlenen olayın herhangi bir hafızasını silmek için ölçümler gerektirir.
Boko Park-Science Popularization: İnsanlarda bu imkansız olsa da, kuantum bilgisayarlar bu deneyi gerçekleştirebilir ve kuantum fiziğinin farklı yorumlarını ayırt etmek mümkündür. Kaliforniya'daki Chapman Üniversitesi'nde kuantum fizikçisi olan Matthew Leifer şunları söyledi: Zaman zaman herkesin düşünme ve tartışmaya katılmasına izin veren bir makale göreceksiniz, bu onlardan biri. Örneğin, kuantum temelli düşüncenin klasik efsanesine düşünce deneyleri ekleyeceğiz. Zürih İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'nden (Zürih İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü) Daniela Frauchiger ve Renato Renne, görünüşte makul olan bu deneye katıldı. Bununla birlikte, deneyde deneysel sonuçların en az bir hipotezinin yanlış olduğunu gösteren çelişkiler ortaya çıktı.
Hangi hipotezin terk edileceğinin seçimi, kuantum dünyasını anlamamız üzerinde belirli bir etkiye sahiptir ve kuantum mekaniğinin geniş çapta uygulanabilir bir teori olmayabileceğini ve insanlar gibi karmaşık sistemlere bile uygulanamayacağını ortaya koymaktadır. Kuantum fizikçilerinin, kuantum hareketini tanımlamak için kullanılan denklemlerin doğru yorumlanmasında farklılıklar olduğu iyi bilinmektedir. Yeni düşünme deneyinde, kuantum teorisinin hiçbir fikri mükemmel değildir - her biri bir veya diğer hipotezle çelişir. Gerçekliğin tartışılmaz bir tanımını ararken, bizi tamamen yeni bir şey bekliyor mu? Kuantum teorisi fotonlar, elektronlar, atomlar, moleküller ve hatta makromoleküller ölçeğinde çok etkilidir. Ancak makromoleküllerden çok daha büyük sistemler için uygun mu?
Kuantum mekaniğinin daha büyük ölçeklere uygulanabileceği kanıtlanmamıştır, bu da virüsler veya küçük hücre boyutlu nesneler anlamına gelir. Özellikle insan boyutundaki nesnelere veya hatta daha küçük nesnelere uzanıp uzanmayacağı; kara delik boyutundaki nesnelere uzanıp uzanmayacağı bilinmemektedir. Kanıt olmamasına rağmen, fizikçiler kuantum mekaniğinin sistemleri her ölçekte tanımlamak için kullanılabileceğine inanıyor. Bu iddiayı test etmek için, Frauchig ve Reiner, 1960'larda ilk kez fizikçi Eugene Wigner tarafından ortaya atılan fikrin bir uzantısı olan bir düşünme deneyi önerdi. Yeni deney, kuantum dünyasında, iki kişinin, yazı tura atma sonucu olduğu gibi, görünüşte reddedilemez bir sonuçla eninde sonunda ayrılabileceğini gösteriyor; Bu aynı zamanda kuantum gerçekliği hakkındaki varsayımlarımızda bazı problemler olduğunu ortaya koyuyor.
Standart kuantum mekaniğinde, atom altı parçacıklar gibi kuantum sistemleri soyut dalga fonksiyonları ile temsil edilir. Fizikçiler, bir parçacığın dalga fonksiyonunun zaman içinde nasıl geliştiğini hesaplar. Ancak dalga fonksiyonu, konum gibi parçacık özelliklerinin herhangi bir kesin değerini vermez. Parçacığın tam konumunu bilmek istiyorsanız, uzay ve zamandaki herhangi bir noktada dalga fonksiyonunun değeri, yalnızca parçacığı belirli bir noktada bulma olasılığını hesaplamak içindir. Dalga fonksiyonu şekillendirilebilirdir ve parçacığın farklı pozisyonlarda olma olasılığının aynı olmadığını hesaplar. Bir kuantum sistemi, "durum" un parçacık spini gibi diğer özelliklere atıfta bulunabildiği bir durumların üst üste binmesi olabilir. Frauch-Reiner'in düşünce deneylerinin çoğu, karmaşık kuantum nesnelerini, hatta sonunda üst üste gelecek olan insanları manipüle etmeyi içerir.
Düşünme deneyinde dört ajan vardır: Alice, Alice'in arkadaşı, Bob ve Bob'un arkadaşı. Alice'in arkadaşı laboratuvarda kuantum sistemini ölçüyor ve Alice laboratuvar çalışmasını ve dışarıdaki arkadaşını izliyor. Bob'un arkadaşı başka bir laboratuvarda ve Bob da arkadaşını ve laboratuvarı gözlemliyor ve onlara bir sistemmiş gibi davranıyor. İlk laboratuvarda, Alice'in arkadaşı etkili bir yazı tura atma ölçümü yaptı: Bozuk para zamanın üçte biri, arka yüzü üçte ikisi yukarı bakıyordu. Madeni para yukarı bakıyorsa, Alice'in arkadaşı dönüşü aşağı bakacak şekilde bir parçacık hazırlar, ancak madeni para yukarı bakıyorsa, yukarı ve aşağı dönüş ile eşit olarak bölünmüş bir parçacık süperpozisyonu hazırlar ve Alice'in arkadaşı parçacığı hazırlar Bob'un arkadaşına gönder, Bob parçacığın dönüşünü ölçmekten sorumludur.
Bu sonuca dayanarak, Bob'un arkadaşı Alice'in arkadaşının yazı tura atmasının sonucunu ileri sürebilir. Örneğin, parçacığın döndüğünü fark ederse, bozuk para baş aşağı olmalıdır. Deney devam ediyor. Alice, arkadaşlarının ve laboratuvarın durumunu ölçtü, onlara bir kuantum sistemi gibi davrandı ve tahminlerde bulunmak için kuantum teorisini kullandı. Bob aynı şeyi arkadaşlarına ve laboratuvara yaptı. Bu ilk hipotezdir: Bir ajan başka bir sistemi, hatta diğer ajanları içeren karmaşık sistemleri bile analiz etmek için kuantum mekaniğini kullanabilir. Başka bir deyişle, kuantum teorisi evrensel olarak evrendeki her şeye uygulanabilir; tüm laboratuvar ve içindeki bilim adamları kuantum mekaniğinin kurallarına uyar. Bu varsayım, Alice'in arkadaşlarına ve laboratuvarı bir sistem olarak görmesine ve özel ölçümler yapmasına izin verir, böylece içeriği de dahil olmak üzere tüm laboratuvar üst üste binmiş bir durumda olur. Bu ölçüm yöntemi basit değildir ve düşünce deneyinin tuhaflığı burada yatmaktadır.
Deneysel süreç en iyi, yatay ve dikey polarizasyonun üst üste binmesine sahip tek bir foton düşünülerek anlaşılabilir. Kutuplaşmayı ölçtüğünüzü ve bunun dikey kutuplaşmaya ait olduğunu bulduğunuzu varsayalım. Fotonun dikey olarak polarize olup olmadığını kontrol etmeye devam ederseniz, elde ettiğiniz sonuçlar her zaman tutarlıdır. Ancak, farklı yönlerde polarize olup olmadığını görmek için dikey olarak polarize edilmiş bir fotonu ölçerseniz, örneğin 45 derecelik bir açıyla, dikey polarizasyon olma ihtimalinin% 50 ve dikey polarizasyon olmaması ihtimalinin% 50 olduğunu göreceksiniz. Şimdi geri dönün ve dikey olarak polarize olduğunu düşündüğünüz fotonu ölçün ve bunun artık dikey olarak değil, yatay olarak polarize olabileceğini göreceksiniz. 45 derecelik ölçüm, fotonu üst üste binmiş yatay polarizasyon ve dikey polarizasyon durumuna döndürür. Tek bir parçacık için tüm bunlar çok iyi uyuyor
Bu ölçümler, gerçek deneylerde tam olarak doğrulanmıştır. Ancak Frauchg ve Reiner düşünme deneylerinde, karmaşık sistemler üzerinde benzer deneyler yapmak istedi. Deneysel aşamada, Alice'in arkadaşları madalyonun ya baş aşağı ya da baş aşağı olduğunu zaten biliyorlardı. Ancak Alice'in karmaşık ölçüm yöntemi, laboratuvarın arkadaşları da dahil olmak üzere üst üste binmiş bir baş ve kuyruğu görme durumuna düşmesine neden oldu. Bu garip durum göz önüne alındığında, deney Alice'in arkadaşının daha fazlasını yapmasını gerektirmedi. Ancak, Alice'in karmaşık ölçümlerine dayanarak, Bob'un arkadaş ölçümlerinin sonuçlarını çıkarabileceği kesin veya reddedilebilir. Alice'in cevabının doğru olduğunu varsayalım. Daha sonra, Bob'un arkadaşının ölçümünün sonucunun parçacığın yukarı doğru dönmesi olduğu sonucuna varmak için kuantum mekaniğini kullanabilir, bu nedenle Alice'in arkadaşının madeni parayı atmasının sonucunun tam tersi olur.
Alice'in tezi, kuantum teorisini kullanmasıyla ilgili başka bir hipotez gerektirir. Sadece bildikleriyle ilgili mantık yürütmekle kalmıyor, aynı zamanda Bobun arkadaşının yazı tura atmanın sonucunu elde etmek için kuantum teorisini nasıl kullandığını da düşünebiliyor. Bu tutarlılık varsayımı, kuantum teorisini kullanan farklı konular tarafından yapılan tahminlerin çelişkili olmadığını savunuyor. Aynı zamanda Bob, arkadaşları ve laboratuvarda benzer karmaşık ölçümler yaparak onları kuantum süperpozisyon pozisyonuna yerleştirebilir. Cevap sonunda "evet" veya "hayır" olarak görünecektir. Bob'un cevabı doğruysa, ölçümün amacı onu yazı tura atma sırasında Alice'in arkadaşının profil resmi olan tarafı görmüş olması gerektiği sonucuna varmaktır. Açıkçası, Alice ve Bob, yazı tura atmanın sonucu hakkındaki iddialarını ölçebilir ve karşılaştırabilirler.
Ancak bu başka bir hipotezi içerir: eğer bir oyuncunun ölçümü yazı tura atmasının tura olduğunu gösteriyorsa, o zaman tam tersi gerçek - yazı tura atmanın arkası vardır, aynı zamanda doğru olamaz. Şimdi çelişkiler ortaya çıktı. Alice'in ölçümü EVET olduğunda, madalyonun yukarı baktığını ve Bob'un ölçümü EVET olduğunda, madalyonun yukarı baktığını fark eder. Çoğu durumda, Alice ve Bob zıt cevaplar alır. Ancak Frauchig ve Reiner, 1/12 olasılığında, hem Alice hem de Bob'un aynı deneyde olumlu bir yanıt aldıklarına dikkat çekti, bu da parayı Alice'in arkadaşlarının yazılarına veya yazılarına attılar. Yukarı yön konusunda bir anlaşmazlık yaşandı. Ben de geçmişten bahsediyordum ve hepsi iyi bilgilendirilmişlerdi, ancak ifade tamamen zıttı, bu da bir şeylerin yanlış olması gerektiği anlamına geliyor.
Bilim burada bitiyor, sadece bu üç hatadan birinin yanlış olduğunu biliyoruz, ancak hangi argümanın bir sorunu olduğunu açıkça belirtemiyoruz (dedi Reina) Şimdi bu önemli bir yorumlama ve takdir meselesi. Neyse ki, kuantum mekaniğinin birçok açıklaması vardır ve neredeyse tüm açıklamalar, ölçüm sırasında dalga fonksiyonunun değişmesiyle ilgilidir. Örneğin, bir parçacığın konumunu ölçmek. Ölçümden önce, yalnızca bir yerde bir parçacık bulma olasılığını tartışabiliriz. Ölçümden sonra parçacıklar doğru konumlara sahip olur. Kopenhag'ın yorumuna göre ölçüm, dalga fonksiyonunun çökmesine neden olur ve çökmeden önce parçacıkların konumu gibi özelliklerden söz edemeyiz. Bazı fizikçiler, Kopenhag yorumunu bir tür argüman olarak görürler, yani bu, yalnızca özellik ölçülürse doğrudur.
Bu "anti-realizm" biçimi, bugün Einstein ve bazı kuantum fizikçilerinden nefret ediyor. Ölçüm, dalga fonksiyonunun çökmesine neden olur, ancak Kopenhag'ın yorumu, ölçümün ne olduğu konusunda net değildir. Başka bir açıklama veya teori, ya kuantum sistemlerinin gözlemciden ve ölçülen değerden bağımsız özelliklere sahip olduğuna dair gerçekçi bir görüş ortaya koymaya çalışır; ya da ölçümün neden olduğu çöküşten kaçınır ya da her ikisi. Örneğin, çoğul dünyanın yorumu, dalga fonksiyonunun evrimini yüzey değeri olarak alır ve geçici olarak çöktüğünü reddeder. Bir kuantum madeni parayı atarsanız, tura veya yazı alabilirsiniz; birden fazla dünyada, her iki sonuç da olacak ve farklı dünyalarda olacaktır. Bunu akılda tutarak, ölçümün tek bir sonucu olduğunu varsayarsak, eğer yazı tura yukarı çevrilirse, o zaman tersine çevrilemez, bu hipotez savunulamaz. Pek çok dünyada yazı tura atmanın sonucu tura ve yazıdır, bu nedenle Alice ve Bob bazen zıt cevaplar alırlar, ancak bu gerçek çelişkili değildir.
Reina şunları söyledi: İki yıl önce bana sorarsanız, deneyin sadece çoklu dünyaların aslında iyi bir açıklama olduğunu gösterdiğini ve sadece bir sonucu ölçme zorunluluğundan vazgeçmeniz gerektiğini söylemeliyim. Aynısı Oxford Üniversitesi'nde teorik fizikçi olan David Deutsch için de geçerlidir. Makalede, yazar çok dünyalı senaryolara yöneliyor. (Bu makalenin son versiyonu hakemli olarak incelendi ve bu yılın Eylül ayında Nature Communications'da yayınlandı. Konumu daha agnostisizm yönünde önyargılı.) Deutsch, düşünce deneylerinin birden fazla dünyayı desteklemeye devam edeceğine ve dalga fonksiyonu çöküşünü veya kuantum teorisinin tek evren versiyonunu öldürebileceğine inanıyor, ancak bu iki görüş tamamen ortadan kalktı. Bu iki görüşe daha büyük bir silahla tekrar saldırmanın amacının ne olduğundan emin değilim.
Ancak Rainer fikrini değiştirdi ve en olası geçersiz hipotezin kuantum mekaniğinin evrensel olarak uygulanabilir hedefi olduğuna inanıyordu. Örneğin, bu varsayım, adından da anlaşılacağı gibi, dalga fonksiyonunun ölçümden bağımsız olarak kendiliğinden ve rastgele çöktüğüne inanan sözde kendiliğinden çökme teorisi tarafından ihlal edilmektedir. Bu modeller, parçacıklar gibi küçük kuantum sistemlerinin hemen hemen her zaman bir üst üste konum durumlarını koruyabilmesini sağlar, ancak sistem büyüdükçe ve büyüdükçe, orijinal durumlarına çökmeleri daha olasıdır. Ölçüm yalnızca çökmüş sistemin durumunu bulmak içindir. Kendiliğinden çökme teorisinde, kuantum mekaniği artık belirli bir eşikten daha büyük kütlelere sahip sistemler için geçerli değildir. Bu modeller henüz doğrulanmamış olsa da, hariç tutulmamışlardır.
Cenevre Üniversitesi'nden Nicolas Gisin, Reiner deneyindeki çelişkileri çözmek için kendiliğinden çökme teorisinin kullanılmasını destekliyor: Çözüm açıkça hayır demek, bir noktada süperpozisyon ilkesi artık geçerli değil. Kuantum teorisinin evrensel olarak uygulanabilir bir varsayım olduğu konusunda ısrar etmek istiyorsanız ve ölçümün yalnızca bir sonucu varsa, o zaman kalan varsayımdan, yani tutarlılık varsayımından vazgeçmelisiniz: Kuantum teorisini kullanan farklı ajanlar tarafından yapılan tahminler birbiriyle çelişmeyecektir. Leifer, Frauchig-Reiner deneyinin biraz değiştirilmiş bir versiyonunu kullanarak, Kopenhag tarzı teori geçerliyse, son hipotezin veya onun varyantının geçerli olması gerektiğini kanıtladı. Lever'in analizinde, bu teorilerin bazı ortak özellikleri vardır - evrensel uygulanabilirlik, karşı gerçeklik (bu, kuantum sisteminin ölçümden önce açıkça tanımlanmış özelliklere sahip olmadığı anlamına gelir) ve bütünlük (bu, teorinin Gizli gerçeklik).
Nitelikleri göz önünde bulundurarak, araştırma, tüm gözlemciler için belirli bir ölçütün sonucunun nesnel olarak doğru olamayacağı anlamına gelir. Yani, bir detektör laboratuvarda Alice'in arkadaşları için çalışıyorsa, bu onun için nesnel bir gerçektir, ancak Alice için değildir. Tüm laboratuvarı modellemek için laboratuvarın dışında kuantum teorisini kullanır. Ölçüm sonucu, gözlemcinin bakış açısına bağlıdır. Kopenhag perspektifine bağlı kalmak istiyorsanız, en iyi yol bu perspektifi benimsemek gibi görünüyor. Kuantum Bayesçilik veya QBism gibi bazı açıklamalar, ölçüm sonuçlarının gözlemciye öznel olduğu görüşünü benimsemiştir. Bu hipotezin tamamen terk edilmesi, teorinin geçerliliğini yok edecek ve aktörlerin birbirlerinin bilgi durumunu anlamalarına izin vermenin bir yolu olarak etkili bir şekilde kullanılmasını imkansız hale getirecektir Bu teori, tekbencilik olarak reddedilebilir.
Bu nedenle, öznel gerçeklere yaklaşan herhangi bir teori, iki karşıt kısıtlamayı karşılayan bir bilgi alışverişi yöntemini yeniden oluşturmalıdır. İlk olarak, dolandırıcılık-Reiner deneyinde ortaya çıkan paradoksu tetiklemeyecek kadar zayıf olması gerekir. Ancak tekbencilikle suçlanmaktan kaçınacak kadar da güçlü olmalıdır. Şimdiye kadar hiç kimse herkesi tatmin eden bir teori önermedi. Reiner deneyi, üç makul varsayım arasında bir çelişki yarattı. Kanada, Waterloo'daki Çevre Teori Fiziği Enstitüsü'nden Rob Spekkens şunları söyledi: Çeşitli kuantum teorik açıklamalarının bu varsayımları nasıl ihlal ettiğini açıklamaya çalışmak, geniş kapsamlı bir girişim. Bu düşünme deneyi, farklı kampların kuantum teorisinin yorumlanmasına ilişkin farklı görüşleri test edebileceği iyi bir mercek. İnsanların deneyden önce tanıdıkları seçme hakkını gerçekten ortadan kaldırdığını sanmıyorum, ancak bu çelişkiden kaçınmak için farklı kampların neye inanması gerektiğini açıkça belirtiyor.
Bu, insanların bu sorunlardan bazıları hakkındaki görüşlerini netleştirmeye yardımcı olur. Teorisyenler farklı açıklamalar arasında ayrım yapamadıkları için, deneyciler bu konuyu daha da açıklığa kavuşturmayı umarak düşünme deneylerinin nasıl uygulanacağını düşünüyorlar. Ancak bu göz korkutucu bir görev olacak çünkü deneyde hala bazı tuhaflıklar var. Örneğin Alice, arkadaşı ve laboratuvarı üzerinde özel ölçümler yaptığında, arkadaşının beyni dahil her şeyi durumların üst üste binmesine koyar. Matematiksel olarak, bu karmaşık ölçüm, önce sistemin zaman evrimini tersine çevirmekle aynıdır, böylece ajanın hafızasını ortadan kaldırır, kuantum sistemini (ajan tarafından ölçülen parçacıklar gibi) orijinal durumuna geri yükler ve ardından daha basit ölçme. Avustralya'daki Griffith Üniversitesi Brisbane'den Howard Wiseman şunları söyledi: Sadece parçacıkları ölçün.
Ölçüm basit olabilir, ancak Gisin'in diplomasi alanında belirttiği gibi; beyni ve ajanın hafızası dahil olmak üzere bir ajanı tersine çevirmenin çok az etkisi vardır. Yine de, Giesing bu fikre tamamen karşı değildir ve belki bir gün, bu deney karmaşık bir kuantum bilgisayarı bir laboratuvar ajanı olarak kullanarak yapılabilir (Alice'in arkadaşı ve Bob'un arkadaşını oynayarak). Teoride, kuantum bilgisayarların zaman evrimi tersine çevrilebilir. Bir olasılık, bu tür deneylerin, kuantum bilgisayarlar gittikçe daha karmaşık hale gelse bile, standart kuantum mekaniğinin tahminlerini kopyalayacağıdır. Ama belki değil. Diğer bir seçenek de, kuantum bilgisayarları geliştirme sürecinde üst üste binme ilkesinin sınırıyla karşılaştık ve kuantum mekaniğinin evrensel olmadığını gördük.
Leifer, kuantum mekaniğinin doğru yorumlanmasının yukarıdakilerden hiçbiri olmadığını düşünerek bazı yeni şeylerin ortaya çıkmasını bekliyor. Kuantum mekaniğinin mevcut durumunu, Einstein'ın özel görelilik teorisini önermesinden önceki durumla karşılaştırdı. Deneyciler, Newton evreninde ışık dalgalarını yaymak için ortam olduğuna inanılan "hafif eter" e dair herhangi bir işaret bulamadılar. Einstein, eterin var olmadığına inanıyordu. Aksine, uzay ve zamanın esnekliğini gösterdi. Einstein'dan önce, uzay ve zamanın yapısının değişeceğini size söyleyemem. Kuantum mekaniği şimdi benzer bir durumda, dünyanın gerçek durumu hakkında bazı örtük varsayımlarda bulunmamız muhtemeldir, ancak bu gerçek değildir Bu varsayımı değiştirdiğimizde, her şey aniden orijinal noktaya dönecektir.
Brocade Park-Science Popülerleştirme Metin: Anil Ananthaswamy / Quanta dergisi / Quanta Newsletter Brocade Park-Evrenin Güzelliğini Bilimin Geçişi
