Als er een boom omvalt in een bos en er is niemand om het te horen, maakt het geluid? Misschien niet, sommigen zeggen.

En als iemand is er om het te horen? Als je denkt dat dat betekent dat het duidelijk is deed Maak een geluid, misschien moet u die mening herzien.

We hebben een nieuwe paradox gevonden in de kwantummechanica - een van onze twee meest fundamentele wetenschappelijke theorieën, samen met de relativiteitstheorie van Einstein - die twijfel doet rijzen over een aantal gezond verstand ideeën over de fysieke realiteit.

Kwantummechanica versus gezond verstand

Kijk eens naar deze drie uitspraken:

1. Wanneer iemand een gebeurtenis ziet gebeuren, het Echt gebeurd.
2. Het is mogelijk om vrije keuzes te maken, of ten minste, statistisch willekeurige keuzes.
3. Een keuze die op één plek wordt gemaakt, kan een gebeurtenis op afstand niet direct beïnvloeden. (Natuurkundigen noemen dit 'plaats'.)

Dit zijn allemaal intuïtieve ideeën, en algemeen geloofd, zelfs door natuurkundigen. Maar ons onderzoek gepubliceerd in Natuurfysica , laat zien dat ze niet allemaal waar kunnen zijn - of de kwantummechanica zelf moet op een bepaald niveau kapot gaan.

Dit is het sterkste resultaat tot nu toe in een lange reeks ontdekkingen in de kwantummechanica die onze ideeën over de werkelijkheid op zijn kop hebben gezet. Om te begrijpen waarom het zo belangrijk is, laten we naar deze geschiedenis kijken.

De strijd om de realiteit

Kwantummechanica werkt buitengewoon goed om het gedrag van kleine objecten te beschrijven, zoals atomen of lichtdeeltjes (fotonen). Maar dat gedrag is... heel vreemd.

Vaak, de kwantumtheorie geeft geen definitief antwoord op vragen als "waar is dit deeltje nu?" In plaats daarvan, het geeft alleen kansen voor waar het deeltje zou kunnen worden gevonden wanneer het wordt waargenomen.

Voor Niels Bohr, een van de grondleggers van de theorie een eeuw geleden, dat is niet omdat we informatie missen, maar omdat fysieke eigenschappen zoals "positie" niet echt bestaan ​​totdat ze worden gemeten.

En wat meer is, omdat sommige eigenschappen van een deeltje niet perfect tegelijkertijd kunnen worden waargenomen - zoals positie en snelheid - kunnen ze dat niet zijn echt tegelijkertijd.

Niemand minder dan Albert Einstein vond dit idee onhoudbaar. In een artikel uit 1935 met collega-theoretici Boris Podolsky en Nathan Rosen, hij voerde aan dat er meer aan de hand moet zijn dan wat de kwantummechanica zou kunnen beschrijven.

Het artikel beschouwde een paar verre deeltjes in een speciale staat die nu bekend staat als een "verstrengelde" staat. Wanneer dezelfde eigenschap (zeg, positie of snelheid) wordt gemeten aan beide verstrengelde deeltjes, het resultaat zal willekeurig zijn, maar er zal een correlatie zijn tussen de resultaten van elk deeltje.

Bijvoorbeeld, een waarnemer die de positie van het eerste deeltje meet, kan perfect het resultaat voorspellen van het meten van de positie van het verre deeltje, zonder het zelfs maar aan te raken. Of de waarnemer kan ervoor kiezen om in plaats daarvan de snelheid te voorspellen. Dit had een natuurlijke verklaring, ze hadden ruzie, als beide eigenschappen bestonden voordat ze werden gemeten, in strijd met de interpretatie van Bohr.

Echter, in 1964 ontdekte de Noord-Ierse natuurkundige John Bell dat het argument van Einstein mislukte als je een meer gecompliceerde combinatie van: verschillend metingen op de twee deeltjes.

Bell toonde aan dat als de twee waarnemers willekeurig en onafhankelijk kiezen tussen het meten van een of andere eigenschap van hun deeltjes, zoals positie of snelheid, de gemiddelde resultaten kunnen niet worden verklaard in een theorie waarin zowel positie als snelheid reeds bestaande lokale eigenschappen waren.

Dat klinkt ongelooflijk, maar experimenten hebben nu overtuigend aangetoond dat Bell's correlaties voorkomen. Voor veel natuurkundigen dit is het bewijs dat Bohr gelijk had:fysieke eigenschappen bestaan ​​pas als ze worden gemeten.

Maar dat roept de cruciale vraag op:wat is er zo speciaal aan een "meting"?

De waarnemer, opgemerkt

1961, de Hongaars-Amerikaanse theoretisch natuurkundige Eugene Wigner bedacht een gedachte-experiment om te laten zien wat er zo lastig is aan het idee van meten.

Hij overwoog een situatie waarin zijn vriend een goed afgesloten laboratorium binnengaat en een meting uitvoert op een kwantumdeeltje - zijn positie, zeggen.

Echter, Wigner merkte op dat als hij de vergelijkingen van de kwantummechanica toepast om deze situatie van buitenaf te beschrijven, het resultaat was heel anders. In plaats van dat de meting van de vriend de positie van het deeltje echt maakt, vanuit het perspectief van Wigner raakt de vriend verstrikt in het deeltje en besmet met de onzekerheid eromheen.

Dit is vergelijkbaar met de beroemde kat van Schrödinger, een gedachte-experiment waarin het lot van een kat in een doos verstrikt raakt in een willekeurige kwantumgebeurtenis.

Voor Wigner, dit was een absurde conclusie. In plaats daarvan, hij geloofde dat zodra het bewustzijn van een waarnemer erbij betrokken raakt, de verstrengeling zou "instorten" om de observatie van de vriend definitief te maken.

Maar wat als Wigner het bij het verkeerde eind had?

Ons experiment

In ons onderzoek, we bouwden voort op een uitgebreide versie van de Wigner's vriend-paradox, voor het eerst voorgesteld door Časlav Brukner van de Universiteit van Wenen. In dit scenario, er zijn twee natuurkundigen - noem ze Alice en Bob - elk met hun eigen vrienden (Charlie en Debbie) in twee verre laboratoria.

Er is nog een andere wending:Charlie en Debbie meten nu een paar verstrengelde deeltjes, zoals in de Bell-experimenten.

Zoals in het betoog van Wigner, de vergelijkingen van de kwantummechanica vertellen ons dat Charlie en Debbie verstrikt zouden moeten raken in hun waargenomen deeltjes. Maar omdat die deeltjes al met elkaar verstrengeld waren, Charlie en Debbie zelf zouden in theorie verstrikt moeten raken.

Maar wat betekent dat experimenteel?

Ons experiment gaat als volgt:de vrienden gaan hun labs binnen en meten hun deeltjes. Enige tijd later, Alice en Bob gooien elk een munt op. Als het hoofden zijn, ze openen de deur en vragen hun vriend wat ze hebben gezien. Als het staarten zijn, ze voeren een andere meting uit.

Deze andere meting geeft Alice altijd een positieve uitkomst als Charlie verstrikt raakt met zijn waargenomen deeltje op de manier zoals berekend door Wigner. Zo ook voor Bob en Debbie.

Bij elke realisatie van deze meting, echter, elk record van de observatie van hun vriend in het lab wordt geblokkeerd voor het bereiken van de buitenwereld. Charlie of Debbie zullen zich niet herinneren iets in het lab te hebben gezien, alsof je wakker wordt uit totale anesthesie.

Maar is het echt gebeurd, zelfs als ze het zich niet herinneren?

Als de drie intuïtieve ideeën aan het begin van dit artikel correct zijn, elke vriend zag een echt en uniek resultaat voor hun meting in het laboratorium, ongeacht of Alice of Bob later besloten om hun deur te openen. Ook, wat Alice en Charlie zien mag niet afhangen van hoe Bob's verre munt landt, en vice versa.

We toonden aan dat als dit het geval was, er zouden grenzen zijn aan de correlaties die Alice en Bob konden verwachten tussen hun resultaten. We hebben ook aangetoond dat de kwantummechanica voorspelt dat Alice en Bob correlaties zullen zien die verder gaan dan die limieten.

Volgende, we deden een experiment om de kwantummechanische voorspellingen te bevestigen met behulp van paren verstrengelde fotonen. De rol van de meting van elke vriend werd gespeeld door een van de twee paden die elk foton in de opstelling kan nemen, afhankelijk van een eigenschap van het foton dat 'polarisatie' wordt genoemd. Dat is, het pad "meet" de polarisatie.

Ons experiment is slechts een bewijs van principe, aangezien de "vrienden" erg klein en eenvoudig zijn. Maar het roept de vraag op of dezelfde resultaten ook zouden gelden voor complexere waarnemers.

We zullen dit experiment misschien nooit met echte mensen kunnen doen. Maar we stellen dat het op een dag mogelijk zal zijn om een ​​sluitende demonstratie te maken als de 'vriend' een kunstmatige intelligentie op menselijk niveau is die in een enorme kwantumcomputer draait.

Wat betekent het allemaal?

Hoewel een sluitende test misschien nog tientallen jaren weg is, als de kwantummechanische voorspellingen blijven gelden, dit heeft sterke implicaties voor ons begrip van de werkelijkheid - zelfs meer dan de Bell-correlaties. Voor een, de correlaties die we ontdekten kunnen niet worden verklaard door alleen maar te zeggen dat fysieke eigenschappen niet bestaan ​​totdat ze worden gemeten.

Nu wordt de absolute realiteit van de meetresultaten zelf in twijfel getrokken.

Onze resultaten dwingen natuurkundigen om het meetprobleem direct aan te pakken:ofwel wordt ons experiment niet opgeschaald, en kwantummechanica maakt plaats voor een zogenaamde "objectieve ineenstortingstheorie, " of een van onze drie gezond verstand veronderstellingen moet worden verworpen.

Er zijn theorieën, zoals de Broglie-Bohm, die postuleren "actie op afstand, " waarin acties onmiddellijke effecten kunnen hebben elders in het universum. Echter, dit is in direct conflict met de relativiteitstheorie van Einstein.

Sommigen zoeken naar een theorie die keuzevrijheid verwerpt, maar ze vereisen ofwel achterwaartse causaliteit, of een schijnbaar samenzweerderige vorm van fatalisme genaamd "superdeterminisme".

Een andere manier om het conflict op te lossen zou kunnen zijn om de theorie van Einstein nog relatiefer te maken. Voor Einstein, verschillende waarnemers kunnen het oneens zijn over wanneer of waar er gebeurt iets, maar wat gebeurt was een absoluut feit.

Echter, in sommige interpretaties, zoals relationele kwantummechanica, QBisme, of de interpretatie van vele werelden, gebeurtenissen zelf kunnen alleen plaatsvinden in relatie tot een of meer waarnemers. Een omgevallen boom die door de een wordt waargenomen, is misschien niet voor alle anderen een feit.

Dit alles betekent niet dat je je eigen werkelijkheid kunt kiezen. Ten eerste, je kunt kiezen welke vragen je stelt, maar de antwoorden worden gegeven door de wereld. En zelfs in een relationele wereld, wanneer twee waarnemers communiceren, hun realiteiten zijn verstrengeld. Zo kan een gedeelde realiteit ontstaan.

Wat betekent dat als we allebei dezelfde boom zien vallen en je zegt dat je het niet kunt horen, misschien heb je gewoon een hoortoestel nodig.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.