Physiker haben gerade ein neues Quantenparadoxon gefunden, das Zweifel an einer Säule der Realität aufkommen lässt

Wenn ein Baum in einem Wald fällt und niemand da ist, um ihn zu hören, macht er dann ein Geräusch? Vielleicht nicht, sagen manche.

Und wenn jemand Ist da, um es zu hören? Wenn Sie denken, dass das offensichtlich gemeint ist tat Machen Sie einen Ton, vielleicht müssen Sie Ihre Meinung revidieren.

Wir haben ein neues Paradoxon gefunden in der Quantenmechanik – neben Einsteins Relativitätstheorie eine unserer beiden grundlegendsten wissenschaftlichen Theorien –, die Zweifel an einigen vernünftigen Vorstellungen über die physikalische Realität aufkommen lässt.

Quantenmechanik vs. gesunder Menschenverstand

Schauen Sie sich diese drei Aussagen an:

1. Wenn jemand ein Ereignis beobachtet, ist es Wirklich passiert.

2. Es ist möglich, freie oder zumindest statistisch zufällige Entscheidungen zu treffen.

3. Eine an einem Ort getroffene Entscheidung kann sich nicht sofort auf ein entferntes Ereignis auswirken. (Physiker nennen dies „Lokalität“.)

Dies sind alles intuitive Ideen, an die selbst Physiker weithin glauben. Aber unsere Forschung, veröffentlicht in Naturphysik , zeigt, dass sie nicht alle wahr sein können – oder die Quantenmechanik selbst muss auf einer bestimmten Ebene zusammenbrechen.

Dies ist das bisher stärkste Ergebnis in einer langen Reihe von Entdeckungen in der Quantenmechanik, die unsere Vorstellungen von der Realität auf den Kopf gestellt haben. Um zu verstehen, warum es so wichtig ist, schauen wir uns diese Geschichte an.

Der Kampf um die Realität

Die Quantenmechanik eignet sich hervorragend zur Beschreibung des Verhaltens winziger Objekte wie Atome oder Lichtteilchen (Photonen). Aber dieses Verhalten ist … sehr seltsam.

In vielen Fällen gibt die Quantentheorie keine eindeutigen Antworten auf Fragen wie „Wo befindet sich dieses Teilchen gerade?“ Stattdessen liefert es nur Wahrscheinlichkeiten dafür, wo das Teilchen bei seiner Beobachtung gefunden werden könnte.

Für Niels Bohr, einen der Begründer der Theorie vor einem Jahrhundert, liegt das nicht daran, dass es uns an Informationen mangelt, sondern daran, dass physikalische Eigenschaften wie „Position“ erst dann wirklich existieren, wenn sie gemessen werden.

Und weil einige Eigenschaften eines Teilchens – etwa Position und Geschwindigkeit – nicht perfekt gleichzeitig beobachtet werden können, ist dies außerdem nicht möglich real gleichzeitig.

Kein Geringerer als Albert Einstein hielt diese Idee für unhaltbar. In einem Artikel von 1935 Zusammen mit seinen Theoretikerkollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen argumentierte er, dass es in der Realität mehr geben müsse, als die Quantenmechanik beschreiben könne.

Der Artikel betrachtete ein Paar entfernter Teilchen in einem besonderen Zustand, der heute als „verschränkter“ Zustand bekannt ist. Wenn dieselbe Eigenschaft (z. B. Position oder Geschwindigkeit) an beiden verschränkten Partikeln gemessen wird, ist das Ergebnis zufällig – es besteht jedoch eine Korrelation zwischen den Ergebnissen der einzelnen Partikel.

Beispielsweise könnte ein Beobachter, der die Position des ersten Teilchens misst, das Ergebnis der Messung der Position des entfernten Teilchens perfekt vorhersagen, ohne es überhaupt zu berühren. Oder der Beobachter könnte stattdessen die Geschwindigkeit vorhersagen. Dies sei eine natürliche Erklärung, argumentierten sie, wenn beide Eigenschaften existierten, bevor sie gemessen wurden, im Gegensatz zu Bohrs Interpretation.

Allerdings wurde er 1964 nordirischer Physiker John Bell gefunden Einsteins Argument scheiterte, wenn man eine kompliziertere Kombination ausführte anders Messungen an den beiden Teilchen.

Bell zeigte, dass die durchschnittlichen Ergebnisse in keiner Theorie erklärt werden können, in der sowohl Position als auch Geschwindigkeit bereits vorhandene lokale Eigenschaften waren, wenn die beiden Beobachter zufällig und unabhängig zwischen der Messung der einen oder anderen Eigenschaft ihrer Partikel, wie Position oder Geschwindigkeit, wählen.

Das klingt unglaublich, aber Experimente haben es jetzt getan schlüssig nachgewiesen Es gibt Bell-Korrelationen. Für viele Physiker ist dies ein Beweis dafür, dass Bohr Recht hatte: Physikalische Eigenschaften existieren erst, wenn sie gemessen werden.

Aber das wirft die entscheidende Frage auf: Was ist das Besondere an einer „Messung“?

Der Beobachter, beobachtet

1961 wurde der ungarisch-amerikanische theoretische Physiker Eugene Wigner hat ein Gedankenexperiment entwickelt, um zu zeigen, was an der Idee der Messung so schwierig ist.

Er dachte an eine Situation, in der sein Freund in ein dicht verschlossenes Labor geht und eine Messung an einem Quantenteilchen durchführt – beispielsweise an seiner Position.

Wigner bemerkte jedoch, dass das Ergebnis ganz anders ausfiel, wenn er die Gleichungen der Quantenmechanik anwendete, um diese Situation von außen zu beschreiben. Anstatt dass die Messung des Freundes die Position des Teilchens real macht, verstrickt sich der Freund aus Wigners Sicht mit dem Teilchen und infiziert sich mit der Ungewissheit, die es umgibt.

Das ist ähnlich Schrödingers berühmte Katze , ein Gedankenexperiment, bei dem das Schicksal einer Katze in einer Kiste mit einem zufälligen Quantenereignis verknüpft wird.

Für Wigner war das eine absurde Schlussfolgerung. Stattdessen glaubte er, dass dies einst der Fall war Bewusstsein eines Beobachters beteiligt wird, der Verstrickung würde „zusammenbrechen“, um die Beobachtung des Freundes eindeutig zu machen.

Aber was wäre, wenn Wigner falsch lag?

Unser Experiment

In unserer Forschung bauten wir auf einer erweiterten Version des Wigner-Freund-Paradoxons auf: zuerst vorgeschlagen von Časlav Brukner von der Universität Wien. In diesem Szenario gibt es zwei Physiker – nennen wir sie Alice und Bob – jeder mit seinen eigenen Freunden (Charlie und Debbie) in zwei entfernten Labors.

Es gibt noch eine weitere Wendung: Charlie und Debbie messen jetzt ein Paar verschränkter Teilchen, wie in den Bell-Experimenten.

Wie in Wigners Argumentation sagen uns die Gleichungen der Quantenmechanik, dass Charlie und Debbie sich mit ihren beobachteten Teilchen verschränken sollten. Aber weil diese Teilchen bereits miteinander verschränkt waren, sollten sich Charlie und Debbie selbst verschränken – theoretisch.

Aber was bedeutet das experimentell?

Unser Experiment läuft so ab: Die Freunde betreten ihre Labore und messen ihre Partikel. Einige Zeit später werfen Alice und Bob jeweils eine Münze. Wenn es Köpfe sind, öffnen sie die Tür und fragen ihren Freund, was sie gesehen haben. Wenn es sich um Zahlen handelt, führen sie eine andere Messung durch.

Diese unterschiedliche Messung ergibt für Alice immer ein positives Ergebnis, wenn Charlie in der von Wigner berechneten Weise mit seinem beobachteten Teilchen verschränkt ist. Ebenso für Bob und Debbie.

Bei jeder Umsetzung dieser Messung wird jedoch verhindert, dass jegliche Aufzeichnung der Beobachtungen ihres Freundes im Labor die Außenwelt erreicht. Charlie oder Debbie werden sich nicht erinnern, etwas im Labor gesehen zu haben, als wären sie aus einer Vollnarkose aufgewacht.

Aber ist es wirklich passiert, auch wenn sie sich nicht daran erinnern?

Wenn die drei intuitiven Ideen am Anfang dieses Artikels richtig sind, sah jeder Freund ein echtes und einzigartiges Ergebnis seiner Messung im Labor, unabhängig davon, ob Alice oder Bob später beschlossen, ihre Tür zu öffnen oder nicht. Außerdem sollte das, was Alice und Charlie sehen, nicht davon abhängen, wie Bobs entfernte Münze landet und umgekehrt.

Wir haben gezeigt, dass es in diesem Fall Grenzen für die Korrelationen gäbe, die Alice und Bob zwischen ihren Ergebnissen erwarten könnten. Wir haben auch gezeigt, dass die Quantenmechanik vorhersagt, dass Alice und Bob Korrelationen sehen werden, die über diese Grenzen hinausgehen.

Als nächstes führten wir ein Experiment durch, um die quantenmechanischen Vorhersagen mithilfe von Paaren verschränkter Photonen zu bestätigen. Die Rolle bei der Messung jedes Freundes spielte einer von zwei Pfaden, die jedes Photon im Aufbau nehmen kann, abhängig von einer Eigenschaft des Photons, die „Polarisation“ genannt wird. Das heißt, der Pfad „misst“ die Polarisierung.

Unser Experiment ist eigentlich nur ein Beweis des Prinzips, da die „Freunde“ sehr klein und einfach sind. Es stellt sich jedoch die Frage, ob die gleichen Ergebnisse auch bei komplexeren Beobachtern zutreffen würden.

Möglicherweise können wir dieses Experiment nie mit echten Menschen durchführen. Aber wir argumentieren, dass es eines Tages möglich sein könnte, eine schlüssige Demonstration zu erstellen, wenn der „Freund“ auf menschlicher Ebene ist künstliche Intelligenz läuft in einem riesigen so viel wie ein Computer .

Was soll das alles heißen?

Auch wenn ein schlüssiger Test möglicherweise noch Jahrzehnte entfernt sein wird, hat dies, wenn die quantenmechanischen Vorhersagen weiterhin Bestand haben, starke Auswirkungen auf unser Verständnis der Realität – sogar noch mehr als die Bell-Korrelationen.

Zum einen können die von uns entdeckten Korrelationen nicht einfach dadurch erklärt werden, dass physikalische Eigenschaften erst dann existieren, wenn sie gemessen werden.

Nun wird die absolute Realität der Messergebnisse selbst in Frage gestellt.

Unsere Ergebnisse zwingen die Physiker, sich direkt mit dem Messproblem auseinanderzusetzen: Entweder lässt sich unser Experiment nicht skalieren, und die Quantenmechanik weicht einem sogenannten „ Theorie des objektiven Kollaps ', oder eine unserer drei vernünftigen Annahmen muss zurückgewiesen werden.

Es gibt Theorien, z de Broglie–Bohm , die eine „Fernwirkung“ postulieren, bei der Handlungen augenblickliche Auswirkungen anderswo im Universum haben können. Dies steht jedoch in direktem Widerspruch zu Einsteins Relativitätstheorie.

Manche suchen nach einer Theorie, die die Wahlfreiheit ablehnt, aber sie fordern sie entweder Rückwärtskausalität oder eine scheinbar verschwörerische Form des Fatalismus genannt „Superdeterminismus“ .

Eine andere Möglichkeit, den Konflikt zu lösen, könnte darin bestehen, Einsteins Theorie noch relativer zu machen. Über Einstein könnten sich verschiedene Beobachter nicht einig sein Wann oder Wo es passiert etwas – aber Was was passiert, war eine absolute Tatsache.

In einigen Interpretationen, wie z relationale Quantenmechanik , QBismus , oder der Viele-Welten-Interpretation Ereignisse selbst können nur relativ zu einem oder mehreren Beobachtern auftreten. Ein umgestürzter Baum, den jemand beobachtet, ist für alle anderen möglicherweise keine Tatsache.

All dies bedeutet nicht, dass Sie Ihre eigene Realität wählen können. Erstens können Sie wählen, welche Fragen Sie stellen, aber die Antworten werden von der Welt gegeben. Und selbst in einer relationalen Welt sind ihre Realitäten miteinander verflochten, wenn zwei Beobachter kommunizieren. Auf diese Weise kann eine gemeinsame Realität entstehen.

Das heißt, wenn wir beide miterleben, wie derselbe Baum fällt, und Sie sagen, dass Sie ihn nicht hören können, brauchen Sie vielleicht einfach ein Hörgerät.

Eric Cavalcanti , außerordentlicher Professor (ARC Future Fellow), Griffith-Universität .

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