Объективная реальность может вообще не существовать, говорят квантовые физики

Одна из самых больших загадок квантовой механики заключается в том, существует ли физическая реальность независимо от наблюдателя.

Новое исследование из Бразилии предоставляет убедительные доказательства того, что в квантовой сфере могут существовать взаимоисключающие, но дополняющие друг друга физические реальности .

Будущие исследования великих квантовых дебатов могут дать нам сверхпрорывные квантовые технологии и, возможно, поразительные ответы на величайшие загадки мира.

Существует ли реальность или она принимает форму, когда ее измеряет наблюдатель ? Подобно извечной загадке, издает ли звук дерево, если оно падает в лесу, и никто вокруг не слышит этого, этот вопрос остается одним из самых мучительных в области квантовой механики, области науки, изучающей поведение субатомных частиц на микроскопическом уровне.

 

В области, где преобладают интригующие, почти загадочные явления, такие как «квантовая суперпозиция» — ситуация, когда одна частица может находиться в двух или даже «всех» возможных местах одновременно — некоторые эксперты говорят, что реальность существует за пределами вашего собственного осознания, и есть вы ничего не можете сделать, чтобы изменить это.

Другие настаивают на том, что «квантовая реальность» может быть некой формой Play-Doh, которую вы формируете своими собственными действиями. Теперь ученые из Федерального университета ABC (UFABC) в столичном районе Сан-Паулу в Бразилии подливают масла в огонь предположения о том, что реальность может быть «в глазах наблюдателя».

В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Communications Physics в апреле, ученые из Бразилии попытались проверить «принцип дополнительности», предложенный знаменитым датским физиком Нильсом Бором в 1928 году. Он гласит , что объекты обладают определенными парами дополнительных свойств, которые невозможно одновременно наблюдать или измерять, как энергию и продолжительность, или позицию и импульс. Например, как бы вы ни поставили эксперимент с парой электронов , вы не сможете одновременно изучить положение обеих величин: тест покажет положение первого электрона, но скроет положение второго. вторая частица (дополнительная частица) одновременно.

Чтобы понять, как этот принцип дополнительности соотносится с объективной реальностью, нам нужно погрузиться в историю около века назад. Легендарная дискуссия состоялась в Брюсселе в 1927 году между Бором и знаменитым немецким физиком-теоретиком Альбертом Эйнштейном во время пятой Сольвеевской конференции (самой важной ежегодной международной конференции по физике и химии ).

Физики Альберт Эйнштейн (справа) и Нильс Бор (слева) курят, около 1920 года. Оба работали над квантовой теорией. Эйнштейн разработал свою теорию относительности между 1900 и 1916 годами и получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году. Бор работал над электронной структурой атомов, разработав «принцип соответствия» (1916) и «дополнительный принцип» (1927). Бор был удостоен Нобелевской премии в 1922 году.

Перед глазами 77 других блестящих ученых, собравшихся в австрийской столице, чтобы обсудить зарождающуюся область квантовой теории, Эйнштейн настаивал на том, что квантовые состояния имеют свою собственную реальность, независимую от того, как на них действует ученый. Тем временем Бор защищал идею о том, что реальность квантовых систем может быть определена только после того, как ученый разработал план эксперимента.

«Бог не играет в кости», — сказал Эйнштейн.

«Система ведет себя как волна или как частица в зависимости от контекста, но вы не можете предсказать, как она поведет себя», — утверждал Бор, указывая на концепцию корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой материя может появиться как волна в один момент. и появиться как частица в другой момент — идея, впервые высказанная французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году.

Вскоре после завершения Сольвеевской конференции 1927 года Бор публично сформулировал свой принцип дополнительности. В течение следующих нескольких десятилетий противоречивая идея Бора будет проверена и перепроверена на прочность. Одним из тех, кто экспериментировал с принципом дополнительности, был американский физик-теоретик Джон Арчибальд Уилер.

Уилер попытался переосмыслить эксперимент Томаса Янга 1801 года с двумя щелями в свойствах света в 1978 году. Эксперимент с двумя щелями включает в себя освещение стены двумя параллельными щелями. Когда свет проходит через каждую щель на дальней стороне перегородки, он дифрагирует и накладывается на свет от другой щели, мешая друг другу.

Это означает, что прямых линий больше не будет: графическая картина, которая появляется в конце эксперимента, является интерференционной, что означает, что свет движется волнообразно. По сути, свет имеет как корпускулярную, так и волновую природу, и эти две природы неразделимы.

Уилер заставил свое устройство переключаться между «аппаратом для измерения волн» и «аппаратом для измерения частиц» после того, как свет уже прошел через большую часть машины. Другими словами, он сделал отсроченный выбор между тем, распространялся ли свет уже как волна или как частица, и обнаружил, что даже после отсрочки выбора принцип дополнительности не нарушается.

Однако более поздние исследования , в которых пытались применить принцип квантовой суперпозиции к эксперименту с отложенным выбором, показали, что эти две возможности сосуществуют (точно так же, как две волны на поверхности озера могут перекрываться). Это предполагает гибридное волновое и корпускулярное поведение в одном и том же устройстве, что противоречит принципу дополнительности.

«Мы использовали методы ядерного магнитного резонанса, аналогичные тем, которые используются в медицинской визуализации» , — рассказывает Popular Mechanics Роберто М. Серра , исследователь квантовой информации и технологий в UFABC, который руководил экспериментом . Частицы, такие как протоны, нейтроны и электроны, имеют ядерный спин, который представляет собой магнитное свойство, аналогичное ориентации стрелки компаса . «Мы манипулировали этими ядерными спинами различных атомов в молекуле, используя тип электромагнитного излучения. В этой установке мы создали новое интерференционное устройство для ядерного спина протона, чтобы исследовать его волновую и корпускулярную реальность в квантовой сфере», — объясняет Серра.

«Эта новая схема дала точно такую ​​же наблюдаемую статистику, как и предыдущие квантовые эксперименты с отложенным выбором», — сказал Педро Руас Диегес , ныне научный сотрудник Международного центра теории квантовых технологий (ICTQT) в Польше, принимавший участие в исследовании. рассказывает «Популярная механика». «Однако в новой конфигурации мы смогли связать результат эксперимента с поведением волн и частиц таким образом, чтобы подтвердить принцип дополнительности Бора», — продолжает Диегес.

Главный вывод исследования, проведенного в апреле 2022 года, заключается в том, что физическая реальность в квантовом мире состоит из взаимоисключающих сущностей, которые, тем не менее, не противоречат друг другу, а дополняют друг друга.

Это впечатляющий результат, считают эксперты. «Бразильские исследователи разработали математическую основу и соответствующую экспериментальную конфигурацию, которая позволяет проверять квантовую теорию, в частности, понимать природу дополнительности путем изучения физического реализма системы» , — говорит Стивен Холлер , доцент физики Фордхэмского университета. Популярная механика .

Это исследование подчеркивает давнюю пословицу культового американского квантового физика и лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, вы не понимаете квантовую механику», — говорит Холлер. «Есть многое, что нужно узнать о теории, и исследователи продолжают делать успехи, чтобы понять даже основные принципы, что особенно важно, поскольку мы вступаем в эпоху, когда квантовые устройства и вычисления начинают распространяться».

Диегес в восторге. «Тот факт, что материальная частица может вести себя как волна, а свет — как частица, в зависимости от контекста, до сих пор остается одной из самых интригующих и прекрасных загадок квантовой физики», — говорит он.

Парадоксально, но эта неотъемлемая «странность» квантовой механики может оказаться весьма полезной: «Чем больше мы разгадываем квантовую механику, тем больше мы можем предложить прорывных квантовых технологий, затмевающих их классические аналоги, квантовые компьютеры, квантовую криптографию, квантовые датчики и квантовые тепловые технологии». устройства в комплекте», — говорит Серра.

То, что реальность может быть в глазах наблюдателя, является очень своеобразным аспектом физической реальности в квантовой области, и сама загадка не собирается исчезать, соглашаются оба исследователя.