Возможно, наше понимание квантовой запутанности неполно, или, может быть, в сознании есть что-то принципиально уникальное.
Ключевые выводы
- За последние несколько лет ученые показали, что макроскопические объекты могут быть подвержены квантовой запутанности.
- Размышление о пределах квантовой запутанности позволяет нам рассмотреть, как квантовая механика может быть объединена с физикой в большем масштабе.
- В нашей роли сознательных наблюдателей окружающего мира может быть что-то уникальное.
Это четвертая статья из четырех статей о квантовой запутанности. В первой мы обсудили основы квантовой запутанности. Затем мы обсудили, как квантовую запутанность можно практически использовать для связи и восприятия. В этой статье мы рассмотрим пределы квантовой запутанности и то, как запутанность в больших масштабах может даже бросить вызов самой основе нашей реальности.
Мы все можем согласиться с тем, что квантовая запутанность - это что-то странное. Однако мы не слишком беспокоимся об этом, за исключением некоторых более практических приложений. В конце концов, это явление проявляется в масштабах, намного меньших, чем наш повседневный опыт. Но, возможно, квантовая механика и запутанность не ограничиваются сверхмалыми размерами. Ученые показали, что макроскопические (пусть и небольшие) объекты могут быть запутаны. Напрашивается вопрос: существует ли предел размера квантовой запутанности? Продолжая мысль, мог ли человек запутаться вместе со своим сознанием?
Задавание этих вопросов не только позволяет нам исследовать пределы квантовой механики, но также может привести нас к единой теории физики, которая одинаково хорошо работает для чего угодно, от электронов до планет.
Запутанные барабаны
В течение последних пяти лет физики пытались привести более крупные объекты в запутанные состояния. Это не просто отдельные частицы; скорее, это совокупность тысяч или даже миллиардов атомов.
В 2021 году две независимые группы физиков, одна из Университета Аалто в Финляндии, а другая из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии, смогли запутать два небольших «барабана». Эти барабаны были всего 10 микрон в поперечнике - маленькие, но тем не менее макроскопические. За свои усилия команды стали победителями конкурса Physics World Breakthrough of the Year.
Ученым из Национального института стандартов и технологий удалось непосредственно наблюдать запутывание макроскопических барабанных систем. А группа из Института Нильса Бора в Копенгагенском университете поместила два разных макроскопических объекта в квантовую запутанность друг с другом: барабан длиной в несколько миллиметров был запутан облаком, содержащим миллиард атомов цезия.
Хотя эти объекты еще очень малы, они содержат большое количество атомов. Системы с большим количеством частиц приводят к более сложной запутанности. Они также иллюстрируют, как запутанность может перемещаться в макроскопический мир, и при этом заставляют нас задаться вопросом: существует ли предел тому, насколько большим может быть объект, помещенный в запутанность?
Теоретического предела может и не быть, хотя по мере увеличения размеров объектов возрастает роль гравитации, влияющей на их волновую функцию. В любом случае это интересный вопрос, который ведет нас в область метафизического. Например, могут ли люди - сознание и все такое - запутаться?
Запутанные люди
Нобелевский лауреат по физике Юджин Вигнер размышлял о роли сознания в квантовой физике в начале 1960-х годов. В то время многие физики не думали, что в сознании или человеческом разуме есть что-то особенное. Но Вигнер не согласился. Он обратил внимание на квантовую механику и утверждал, что сознание необходимо для коллапса волновой функции, то есть для того, чтобы что-либо находилось в определенном состоянии.
Чтобы проиллюстрировать это, он придумал следующий мысленный эксперимент, часто называемый Другом Вигнера.
Допустим, у нас есть ученый по имени Дебби в изолированной лаборатории. Дебби измеряет систему, в которой, скажем, спин электрона может быть направлен либо вверх, либо вниз.
За пределами закрытой лаборатории другой ученый, Боб, не знает об измерении, которое провела Дебби. С его точки зрения, волновая функция электрона не коллапсировала - она все еще находится в суперпозиции вверх и вниз. Подобно коту Шредингера, с точки зрения Боба, Дебби одновременно наблюдала за вращением вверх и вниз. Только когда он открывает дверь лаборатории и Дебби рассказывает ему о сделанном ею измерении, он видит коллапс волновой функции.
Итак, когда происходит коллапс волновой функции: когда Дебби делает свое наблюдение или когда это делает Боб? Есть ли в науке одна объективная истина? Если да, то наблюдения Дебби и Боба должны совпадать. Но если два наблюдателя видят разные вещи, то основы нашей науки ставятся под сомнение.
Если все это кажется смешным, то именно это и имел в виду Вигнер. Сознание меняет вещи, утверждал он. Это особенное. Некоторые люди утверждают, что разрешение парадокса Вигнера необходимо для полного понимания квантовой механики, в том числе, если ее можно примирить с макроскопическим миром.
Квантовая механика и природа реальности
В 2020 году ученые из Университета Гриффита в Австралии расширили парадокс Вигнера, включив в него квантовую запутанность. Мало того, они на самом деле подвергли его испытанию. В их эксперименте задавался вопрос: могут ли наблюдатели прийти к единому мнению об одной «истине»?
Их эксперимент выглядит примерно так: двое ученых в двух закрытых лабораториях - назовем их Чарли и Дебби - измеряют пару запутанных фотонов. Никто, кроме Чарли и Дебби, теперь не знает результата этого эксперимента. За пределами лаборатории находится еще одна пара «супернаблюдателей», Алиса и Боб. С их точки зрения, фотоны все еще находятся в суперпозиции состояний. Более того, сами Чарли и Дебби запутываются. Это означает, по сути, что Чарли и Дебби запутались со своими частицами и, таким образом, запутались друг с другом. Следовательно, всякий раз, когда Чарли делает наблюдение, Дебби делает то же наблюдение, и наоборот.
Теперь Алиса и Боб случайным образом выбирают либо открыть дверь в лабораторию своих друзей и спросить их, что они видели, либо провести какой-нибудь другой эксперимент.
Давайте сделаем паузу и подумаем о том, что мы знаем, или, по крайней мере, что мы думаем, что знаем о реальном мире. Во-первых, если Чарли и Дебби делают наблюдение, мы предполагаем, что оно указывает на одну истину. Другими словами, то, что они видели, действительно произошло. Во-вторых, у Алисы и Боба есть свобода выбора: открыть дверь и спросить Чарли и Дебби, что они видели, или провести еще один эксперимент. И, наконец, сделанный ими выбор не должен влиять на результаты, которые уже увидели Чарли и Дебби. В макроскопическом мире все эти утверждения кажутся правдой.
Когда они на самом деле проводили этот эксперимент, исследователи использовали не людей, а «простых наблюдателей» - запутанные фотоны, которые имеют как верхнюю, так и нижнюю поляризацию, пока их не наблюдают. Наблюдение в этом эксперименте происходит, когда фотон выбирает один из двух путей в зависимости от его поляризации. Когда такой выбор сделан, фотон, по сути, наблюдается. Этот выбор пути играет роль наблюдения Чарли и Дебби в эксперименте. Измерения фотонного детектора играют роль «супернаблюдателей», Алисы и Боба. Они решают либо обнаружить фотон (эквивалентно спрашивать Чарли и Дебби, что они видели), либо нет. Таким образом, эксперимент производит собственные измерения.
Если то, что мы считаем правильным (основываясь на нашем опыте в макроскопическом мире), действительно верно, эксперимент должен показать определенное количество корреляций между путями. Если квантовая механика верна, мы действительно увидим больше корреляций между результатами. Другими словами, наше представление о реальности - что в наблюдениях есть универсальная истина, что у нас есть свобода выбора и что этот выбор не может повлиять на то, что происходит в прошлом или на расстоянии, - не согласуется с квантовой механикой.
Итак, что показал их эксперимент? Количество корреляций, которые они увидели, соответствовало предсказаниям квантовой механики.
Теперь можно утверждать, что в этом эксперименте использовались только «простые наблюдатели». Все могло бы измениться, если бы мы могли провести эксперимент, в котором наблюдателями были бы настоящие сознательные люди. Но потом спросите себя: почему? Почему сознание могло изменить результаты эксперимента? Что такого особенного в сознании?
Ты уже взорвался? Должен быть.
Возможно, мы никогда не достигнем стадии, когда сможем провести такой эксперимент, но размышления об этом поднимают несколько интересных вопросов. Почему наши представления о том, как устроен мир, несовместимы с квантовой механикой? Существует ли объективная реальность даже в макроскопическом масштабе? Или то, что вы видите, отличается от того, что вижу я? Есть ли у нас выбор в том, что мы делаем?
По крайней мере одно можно сказать наверняка: мы не видим всей картины. Может быть, наше понимание квантовой механики неполно, а может быть, что-то меняется, когда мы масштабируем ее на макроскопический мир. Но, возможно, наша роль сознательных наблюдателей окружающего мира действительно уникальна.