Парадокс друга Вигнера

Полагаю, что многие читатели слыхали о парадоксе под названием «Кошка Шрёдингера». Речь идет о мысленном эксперименте, который предложил один из создателей квантовой механики Эрвин Шрёдингер в далеком 1935 году при обсуждении физического смысла волновых свойств квантовых частиц, таких, например, как способность электрона ОДНОВРЕМЕННО проходить через две щели.

Вот как сам физик описывал этот эксперимент. Посадим кошку в стальной сейф вместе с адской машиной (защищённой от кошки). В счётчик Гейгера положена крупинка радиоактивного вещества, столь малая, что за час может распасться один из атомов, но с такой же вероятностью может не распасться ни один. Если атом распадается, счётчик через реле приведёт в действие молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой, смертельной для кошки. Предоставив эту систему самой себе в течение часа, мы скажем, что кошка еще жива, если за это время не распался ни один атом. Первый же распад привел бы к отравлению кошки. ;-функция всей системы выразила бы это тем, что живая и мёртвая кошка (с позволения сказать) смешаны или размазаны в одинаковых пропорциях.

Иными словами, согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией двух равно вероятных состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра. Следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. И только в случае наличия наблюдателя открывшего ящик, он может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Парадокс состоит в том, что глубинные явления в недрах вещества (а именно физическое существование так называемой квантовой нелокальности) проявляют себя не «объективно», а лишь при наличии наблюдателя, то есть только сознание экспериментатора может зафиксировать результат эксперимента: НАБЛЮДЕНИЕ — решающий элемент для перевода квантовой неопределенности (вероятностности) в классическое однозначное состояние. В копенгагенской интерпретации система перестает быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Или, говоря по-иному, глубинная реальность «объективизируется» только наличием наблюдателя, а без присутствия сознания является неопределенной (что, собственно и выражено в общеизвестном и фундаментальном уравнении Шредингера).

Около 60 лет тому назад нобелевский лауреат по физике Юджин Вигнер описал еще один парадокс квантовой физики в другом мысленном эксперименте, вошедшем в историю под название «друга Вигнера». Суть его такова: представим, что друг экспериментатора заперт в лаборатории и измеряет некую элементарную частицу, тогда как сам Вигнер находится снаружи. Квантовые законы суперпозиции состояний позволяют частице занимать несколько мест в пространстве одновременно, и только наблюдение (как в случае «кошки Шредингера») заставляет их коллапсировать только до одной зафиксированной точки. Однако для Вигнера, находящегося вне стен лаборатории суперпозиция останется: частица локализуется только если бы он сам делал измерения. Иными словами, если друзья не общаются между собой, то у каждого получается своя «объективная» реальность. В результате получается парадокс: не только квантовая частица, но и сам его друг будет для Вигнера как бы в квантовой суперпозиции: для одного частица локализована, для другого — нет.

В статье, которая не так давно была опубликована в журнала «Nature Physics», ученые из Австралии и Тайваня доказали, что «парадокс друга Вигнера» не фантазии физиков, а реальность. Они преобразовали мысленный эксперимент в математическую теорему, которая подтверждает неразрешимое противоречие этого сценария. Физики проверили предложенную теорему экспериментально, используя фотоны вместо людей. Но если Вигнер считал, что для разрешения парадокса требуется, чтобы квантовая механика перестала работать в больших системах, таких как люди-наблюдатели, то авторы исследования полагают, что под сомнением находится само понятие объективности: для разных наблюдателей «факты» могут оказаться несовместимыми, либо реализоваться в разных системах наблюдения, скажем, в разных вселенных.

«Это немного сбивает с толку, — призналась Нора Тишлер из Университета Гриффита, соавтор статьи «Объективный результат измерений — это то, на чем стоит вся наука». Тишлер с соавторами сделали четыре предположения. Первое: результаты, которые получает друг, реальны, то есть их можно скомбинировать с другими измерениями и получить единый корпус знаний. Второе: квантовая механика универсальна и имеет силу для наблюдателей как и для квантовых частиц. Третье: выбор, который делают наблюдатели, свободен от влияния супердетерминизма. Четвертое: физика локальна, свободна от всего, кроме самых ограниченных форм квантовой спутанности (квантовые частицы, испускаемые одним источником находятся в запутанных состояниях друг с другом).

В проведенных физиками опытах оптические элементы направляли каждый фотон на траекторию, которая зависела от его поляризации (эквивалент наблюдения друга Вигнера). Затем фотон измеряла вторая группа детекторов, которые имитировали самого Вигнера. И снова была обнаружена несовместимость между наблюдениями друга и Вигнера. Более того, результаты отличались в оценке запутанности частиц. «Это говорит о том, что мы нашли нечто действительно новое», — комментировала сама Тишлер.