توضح مفارقة الكم الجديدة في هذه الحالة أن أفكارنا عن الواقع تتحول إلى خطأ

أثارت تجربة فكرية جديدة العالم من أساسيات فيزياء الكم وجعلت علماء الفيزياء يوضحون كيف تجبر التفسيرات المختلفة لنظرية الكم (عالم متعدد أو كوبنهاغن) المرء على التخلي عن افتراضات معقولة فيما يتعلق بالواقع.

إذا لم تتساقط رؤوس العملات وذيولها في نفس الوقت ، فسيحتاج الفيزيائيون إلى التخلي عن افتراضات بسيطة حول طبيعة الواقع.

لا أحد يجادل بأن ميكانيكا الكم هي نظرية ناجحة. إنها تنبؤات دقيقة بشكل مثير للدهشة حول طبيعة العالم على نطاق مجهري. يتعلق النقاش الدائر منذ ما يقرب من مائة عام بما تخبرنا به عن وجود الأشياء وواقعها. هناك مجموعة كاملة من التفسيرات التي تقدم إجابتها على هذا السؤال ، ويتطلب كل منها عبارات معينة غير مؤكدة - أي افتراضات - فيما يتعلق بطبيعة الواقع.

تتحدى تجربة فكرية جديدة هذه الافتراضات وتهز أسس الفيزياء الكمومية. هو ، بالطبع ، غريب بنفسه. على سبيل المثال ، تتطلب قياسات يمكن أن تمحو أي ذكريات الملاحظة الأخيرة. هذا غير ممكن مع الناس ، ويمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية إجراء مثل هذه التجربة الغريبة ، ومن الناحية النظرية ، العثور على الاختلافات بين التفسيرات المختلفة للفيزياء الكمومية.

وقال ماثيو ليفر ، المتخصص في فيزياء الكم في جامعة تشابمان في أورانج ، كاليفورنيا: "في بعض الأحيان ، هناك عمل يولد نقاشاً وتداعياً ومناقشات مكثفة - وهذه هي الحالة". "ستضاف تجربة التفكير هذه إلى شريعة الأشياء الغريبة الموجودة في أساسيات فيزياء الكم."

قام بتطوير التجربة دانييلا فراوهيجر وريناتو رينر من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا ، وتتضمن مجموعة من الافتراضات ، والتي تبدو للوهلة الأولى معقولة تمامًا. ومع ذلك ، فإنه يؤدي إلى تناقضات ، مما يشير إلى أن واحدًا على الأقل من الافتراضات غير صحيح. يؤثر اختيار الافتراض الخاطئ على فهمنا للعالم الكمومي ويشير إلى احتمال أن ميكانيكا الكم ليست نظرية عالمية ، ولا تنطبق على الأنظمة المعقدة ، مثل الأشخاص.

تشتهر فيزياء الكم بتفسيرات متباينة للمعادلات المستخدمة لوصف ما يحدث في العالم الكمومي. ولكن في تجربة فكرية جديدة ، تعاني جميع التفسيرات على الفور. كل واحد منهم يتناقض مع افتراض واحد أو آخر. هل يمكن أن نتوقع شيئًا جديدًا تمامًا بحثًا عن وصف ثابت للواقع؟



تعمل نظرية الكم بشكل جيد على مقياس الفوتونات والإلكترونات والذرات والجزيئات وحتى الجزيئات الكبيرة. ولكن هل ينطبق ذلك على الأنظمة التي تتجاوز حجم الجزيئات الكبيرة بكثير؟ وقال رينر: "لم نؤكد بشكل تجريبي قابلية تطبيق ميكانيكا الكم على نطاق أوسع - يشير الحجم الكبير إلى حجم ترتيب الفيروس أو الخلية الصغيرة". "على وجه الخصوص ، لا نعرف ما إذا كان ينطبق على الكائنات بحجم الأشخاص ، أو أكثر من ذلك على الكائنات بحجم الثقوب السوداء."

على الرغم من عدم وجود أدلة تجريبية ، يعتقد الفيزيائيون أنه يمكن استخدام ميكانيكا الكم لوصف الأنظمة على جميع المستويات - أي أنها عالمية. لاختبار هذا الافتراض ، توصل Frauhiger و Rener إلى تجربة التفكير الخاصة بهم ، مما وسع نطاق عمل Eugene Wigner في الستينيات. تظهر تجربة جديدة أنه في العالم الكوانتي ، قد يختلف شخصان حول نتيجة لا جدال فيها على ما يبدو ، على سبيل المثال ، سقوط عملة معدنية ، مما يشير إلى أن هناك شيئًا ما مفقودًا في الافتراضات حول الواقع الكوانتي.

في ميكانيكا الكم القياسية ، يتم تمثيل نظام الكم ، مثل الجسيمات دون الذرية ، عن طريق تجريد رياضي يسمى وظيفة الموجة. يحسب الفيزيائيون تطور وظيفة الموجة للجسيم في الوقت المناسب.


يوجين فينر ، عالم فيزيائي وعالم رياضيات من أصل مجري ، حائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1963 ، هو أحد الشخصيات الرئيسية في تطور نظرية الكم.

ومع ذلك ، فإن دالة الموجة لا تعطينا القيمة الدقيقة لخصائص الجسيم ، على سبيل المثال ، موقعه. حتى إذا كنا نريد أن نعرف مكان الجسيم ، فإن قيمة دالة الموجة في أي لحظة في الفضاء والوقت تتيح لنا حساب احتمال اكتشاف جسيم في هذا المكان فقط. وقبل أن نبحث عنها في هذا المكان ، يتم توزيع وظيفة الموجة ، وتعيين احتمالات مختلفة لإيجاد الجسيم في أماكن مختلفة. يقال أن الجسيم في تراكب الكم ، موجود في أماكن كثيرة في نفس الوقت.

في الحالة العامة ، يمكن أن يكون النظام الكمومي في حالة تراكب للحالات ، حيث تشير "الحالة" إلى خواص أخرى ، على سبيل المثال ، إلى دوران الجسيم. تتعامل تجربة فراتشنجر-رينر في التفكير مع الأشياء الكمومية المعقدة - ربما حتى الأشخاص - الذين هم في حالة تراكب.

هناك أربعة أحرف في التجربة: أليس ، صديق أليس ، بوب ، وصديق بوب. صديق أليس موجود في المختبر ، ويقوم بقياس النظام الكمومي ، وأليس تقف بالخارج ، تشاهد المختبر والآخر. صديق بوب موجود في مختبر مختلف ، ويشرفه بوب والمختبر ، معتبرا إياهم نظاما واحدا.

في المختبر الأول ، يقيس صديق Alice نتائج تجربة رمي عملة معدنية ، تم تصميمها بحيث يتم إسقاط العملة بواسطة نسر في ثلث الحالات وذيول في ثلثي الحالات. إذا سقط النسر ، يصنع صديق Alice جسيمًا مع تدور الإشارة لأسفل ، وإذا كان الذيول ، يعد الجسيم في تراكب ، حيث يتم توجيه ظهوره لأعلى ولأسفل في وقت واحد بنسب متساوية.

يرسل صديق أليس جسيمًا إلى صديق بوب ، ويقيس تدورها. بناءً على النتيجة ، يستطيع صديق بوب أن يختتم ما رأى صديق أليس بعد رمي العملة المعدنية. إذا اكتشف ، على سبيل المثال ، جسيمًا يدور حوله ، فهو يعلم أن الذيل قد سقط.



تستمر التجربة. تقيس أليس حالة صديقتها ومختبرها ، معتبرة إياها نظامًا كموميًا واحدًا ، وتستخدم نظرية الكم لوضع توقعات. بوب يفعل الشيء نفسه مع صديقه والمختبر. الافتراض الأول: يمكن للممثل تحليل نظام آخر ، حتى معقد ، يشارك فيه أشخاص آخرون ، باستخدام ميكانيكا الكم. بمعنى آخر ، نظرية الكم هي عالمية ، وكل شيء في الكون ، بما في ذلك المختبر بأكمله (والعلماء بداخلها) يعمل وفقًا لقواعد ميكانيكا الكم.

يسمح هذا الافتراض لأليس أن تنظر إلى صديقتها والمختبر كنظام واحد وإجراء قياسات معينة تضع المختبر بالكامل ، بما في ذلك محتوياته ، في حالة تراكب. هذا ليس قياسًا بسيطًا ، مما يجعل التجربة غريبة.

أسهل طريقة لفهم هذه العملية هي فحص فوتون واحد في تراكب الاستقطابات الأفقية والعمودية. لنفترض أننا نقيس الاستقطاب ونجد أنه رأسي. الآن ، إذا واصلنا قياس استقطاب الفوتون ، فسيكون رأسيًا طوال الوقت. لكن إذا قمنا بقياس فوتون مستقطب رأسياً لمعرفة ما إذا كان مستقطبًا في اتجاه آخر ، على سبيل المثال ، عند 45 درجة إلى الرأس ، سنجد أن هناك احتمال بنسبة 50 ٪ ، واحتمال 50 ٪ هذا ليس كذلك. الآن ، إذا عدنا إلى قياس ما كنا نظن أنه فوتون عمودي الاستقطاب ، نجد أن هناك فرصة أنه لم يعد مستقطباً رأسياً ، واكتسب استقطابًا أفقيًا. أعاد قياس الاستقطاب 45 درجة الفوتون إلى تراكب الاستقطابات الأفقية والعمودية.

كل هذا يعمل بشكل جيد لجسيم واحد ، وقد تم تأكيد هذه القياسات بنجاح في تجارب حقيقية. لكن في تجربة فكرية ، يريد فراوهيجر ورينر القيام بشيء مماثل مع الأنظمة المعقدة.

في هذه المرحلة من التجربة ، رأى صديق أليس بالفعل كيف سقطت العملة بواسطة نسر أو ذيول. لكن قياسات أليس المعقدة تجعل المختبر ، بما في ذلك صديقتها ، في حالة تراكب من النسر والذيل. في مثل هذه الحالة الغريبة ، ليس هناك ما هو مطلوب من صديق أليس.


أتى ريناتو رينير ، عالم فيزياء في معهد سويسري ، بمفارقة مع دانييلا فراوهيجر ، التي غادرت المؤسسة بعد فترة قصيرة من عملهما المشترك

لكن أليس لم تنته بعد. استنادًا إلى قياسها المعقد ، الذي يمكن عرض نتائجه ببساطة كـ "نعم" أو "لا" ، يمكنها معرفة نتيجة القياسات التي أجراها صديق بوب. لنفترض أن أليس تحصل على نعم. باستخدام ميكانيكا الكم ، يمكنها أن تحسب أن صديق بوب وجد أن الجسيم يدور لأعلى ، وبالتالي ، رأى صديق أليس أن ذيول تسقط.

هذه الملاحظة من قبل أليس تستلزم افتراضًا آخر حول استخدامها لنظرية الكم. إنها لا تعرف هذه النتيجة فحسب ، ولكنها تعرف كيف استخدم صديق بوب بالضبط نظرية الكم للتوصل إلى استنتاجه حول نتيجة رمي العملة المعدنية. أليس أيضا يجعل هذا الاستنتاج. ينص افتراض الاتساق على أن التنبؤات الصادرة عن أفراد مختلفين باستخدام نظرية الكم لا تتناقض مع بعضها البعض.

في غضون ذلك ، يمكن أن يأخذ بوب مختبر مختبر صديقه بنفس البعد المعقد من خلال وضعها في تراكب الكم. الجواب قد يكون مرة أخرى نعم أو لا. إذا حصل بوب على "نعم" ، فإن القياس يسمح له باستنتاج أن صديق أليس كان يجب أن يرى النسر على العملة.

من الواضح أن أليس وبوب يستطيعان إجراء قياسات ومقارنة افتراضاتهما حول نتيجة إرم العملة المعدنية. ولكن هنا يتم استخدام افتراض آخر: إذا كانت قياسات الوجه تشير إلى أن العملة قد تراجعت ، فلن تكون الحقيقة المعاكسة - فقدان النسر - صحيحة.

الآن كل شيء جاهز للتناقض. عندما تتلقى أليس "نعم" في البعد ، فإنها تفترض أن العملة قد ذيلت ، وعندما يتلقى بوب "نعم" ، فإنه يفترض أن العملة قد سقطت مع نسر. في معظم الأحيان ، تحصل أليس وبوب على نتائج عكسية. لكن Frauhiger و Rener أظهروا أنه في حالة واحدة من أصل اثني عشر ، ستتلقى Alice and Bob "نعم" في نفس الحالة ، ونتيجة لذلك لن يوافقوا إذا رأى صديق Alice نسرًا أو ذيولًا. "نتيجة لذلك ، كلاهما يتحدثان عن الحدث ، وكلاهما واثق من النتيجة ، لكن تصريحاتهما معاكسة" ، قال رينر. - هذا تناقض. هذا يشير إلى أن هناك شيئا خطأ ".

سمح هذا لفراوهيجر ورينر بأن يقول أن أحد الافتراضات الثلاثة الكامنة وراء تجربة التفكير غير صحيح.



وهنا يتوقف العلم. نحن نعرف فقط أن أحد الثلاثة خطأ ، ولا يمكننا أن نثبت بشكل مقنع أي واحد يتم انتهاكه "، كما يقول رينر. "إنها مسألة التفسير والذوق".

لحسن الحظ ، هناك سيارة تفسيرات لميكانيكا الكم ، ويتحدث جميعهم تقريبًا حول ما يحدث لوظيفة الموجة في وقت القياس. تأخذ موقف الجسيمات. قبل القياس ، يمكننا التحدث فقط عن احتمال العثور عليه في مكان ما. بعد القياس ، يتخذ الجسيم موقعًا معينًا. في تفسير كوبنهاغن ، يؤدي القياس إلى انهيار وظيفة الموجة ، ولا يمكننا التحدث عن خواص الجسيم مثل موقعه قبل القياس. يعتقد بعض علماء الفيزياء أن تفسير كوبنهاغن يدعي أن الخصائص ليست حقيقية حتى لحظة القياس.

كان هذا النوع من "معاداة الواقعية" غريبًا على آينشتاين ، مثل بعض علماء الفيزياء الحديثة. مثل مفهوم البعد الذي يجعل وظيفة الموجة تنهار ، خاصة وأن تفسير كوبنهاغن لا يوضح بالضبط ما يمكن اعتباره بُعدًا. تحاول التفسيرات البديلة للنظرية بشكل أساسي إما طرح نهج واقعي - حيث يكون للأنظمة الكمومية خصائص مستقلة عن المراقبين والقياسات - أو لتجنب الانهيار الناجم عن القياس ، أو كليهما في آن واحد.

على سبيل المثال ، يأخذ التفسير متعدد العالم في ظاهره تطور وظيفة الموجة وينفي انهيارها. إذا كان إرم الكم لعملة واحدة يمكن أن يؤدي إما إلى نسر أو إلى ذيول ، فحينئذٍ يحدث واحد في الآخر في حالة تعدد العالم ، في عالمين مختلفين. ثم الافتراض بأن هناك نتيجة واحدة للتجربة ، وهي أنه إذا سقطت عملة من قبل ذيول ، فإنه لا يمكن أن يسقط في وقت واحد من قبل النسر ، يصبح معسرا. في التفسير العالمي ، تكون نتيجة إرم العملة بمثابة نسر وذيول ، لذا فإن حقيقة حصول أليس وبوب في بعض الأحيان على إجابات معاكسة ليست تناقضًا.


تنتهك افتراضية نظرية الكم من خلال التفسيرات التي تنهار وظائف الكم للأنظمة المعقدة بشكل تلقائي.
تنتهك افتراضات التفسير من خلال تفسيرات مثل Bayesianism الكمومية ، حيث تعتمد نتائج القياس على وجهة نظر المراقب.
تنتهك افتراضات استحالة النتائج المتعارضة تفسيرات متعددة العالم.

"يجب أن أعترف أنك إذا سألتني منذ عامين ، أود أن أقول إن تجربتنا تظهر ببساطة أن التفسير متعدد المتغيرات يعمل بشكل جيد ، وتحتاج فقط إلى إسقاطه" ، شرط أن تعطي القياسات نتيجة واحدة ، قال رينر.

وجهة النظر نفسها تحملها الفيزيائية النظرية ديفيد دويتش من جامعة أكسفورد ، التي تعرفت على أعمال Frauhiger-Rener عندما ظهرت على الموقع arxiv.org . في هذا الإصدار من العمل ، اتجه المؤلفون نحو سيناريو مع العديد من العوالم (أحدث نسخة من العمل ، والتي تمت مراجعتها من قبل النظراء ونشرت في سبتمبر في مجلة Nature Communications ، تتبنى مقاربة غير ملائمة). يعتقد دويتش أن تجربة التفكير لا تزال تدعم التفسير متعدد العالم. وقال "أعتقد أنه من المرجح أن يقتل الخيارات مع انهيار وظيفة الموجة أو كون واحد ، لكنهم قد ماتوا بالفعل". "لست متأكدًا من الهدف من مهاجمتهم مرة أخرى بالمدفعية الأكبر".



غير رينر وجهة نظره. وهو يعتقد أنه على الأرجح ، سيكون افتراض عالمية ميكانيكا الكم غير صحيح.

هذا الافتراض ، على سبيل المثال ، ينتهك ما يسمى نظريات الانهيار العفوي ، التي تدعو - كما يوحي اسمها - إلى الانهيار العشوائي التلقائي لوظيفة الموجة ، بغض النظر عن القياسات. تضمن هذه النماذج إمكانية بقاء النظم الكمومية الصغيرة مثل الجزيئات في التراكب إلى الأبد تقريبًا ، ولكن كلما أصبحت النظم ضخمة ، زاد احتمال انهيارها التلقائي في حالة كلاسيكية. القياسات تكتشف ببساطة حالة النظام المنهار.

في نظريات الانهيار التلقائي ، لا يمكن تطبيق ميكانيكا الكم على الأنظمة ذات الكتلة الأكبر من العتبة. وعلى الرغم من أنه لم يتم التحقق من هذه النماذج تجريبياً ، لم يدحضها أحد بعد.

يفضل نيكولاس جيزين من جامعة جنيف نظريات الانهيار التلقائي كوسيلة لحل التناقض في تجربة Frauhiger-Rener. يقول: "طريقي للخروج من الصعوبة هو القول: لا ، في مرحلة ما لم يعد مبدأ التراكب يعمل".

إذا كنت ترغب في الالتزام بافتراض قابلية التطبيق الشامل لنظرية الكم وإصدار واحد من القياسات ، فعليك التخلي عن الافتراض الأخير - من الاتساق: "تنبؤات العناصر الفاعلة المختلفة التي تستخدم نظرية الكم لا يمكن أن تتناقض مع بعضها البعض."

باستخدام نسخة معدلة قليلاً من تجربة Frauchiger-Rener ، أوضح Leifer أن هذا الافتراض الأخير ، أو تنوعه ، سيتعين التخلي عنه إذا كانت نظريات كوبنهاغن صحيحة. في تحليله ، تتمتع هذه النظريات بسمات مشتركة - فهي قابلة للتطبيق عالميًا ، ومضادة للواقعية (أي أنها تتحدث عن عدم وجود خصائص معينة معينة للأنظمة الكمومية ، مثل الموضع ، قبل القياس) وكاملة (لا يوجد واقع خفي لا يمكن للنظرية وصفه). بالنظر إلى هذه الصفات ، يدعي عمله أن البعد المحدد ليس له نتيجة واحدة صحيحة بشكل موضوعي لجميع المراقبين. لذلك ، إذا نقر الكاشف على مختبر صديق أليس ، فستكون هذه حقيقة موضوعية بالنسبة لها - ولكن ليس بالنسبة إلى أليس ، التي كانت خارج المختبر ومحاكاتها كلها باستخدام نظرية الكم. تعتمد نتائج القياس على وجهة نظر المراقب.

"إذا كنت ترغب في دعم وجهة نظر كوبنهاغن ، فإن أفضل طريقة هي التحول إلى هذا الإصدار من وجهات النظر المختلفة" ، قالت ليفر. ويشير إلى أن بعض التفسيرات ، مثل Bayesianism الكم ، أو KBism ، قد اتخذت بالفعل نهج الذاتية لنتائج القياس إلى المراقب.

يعتقد رينر أن التخلي عن هذا الافتراض سوف يدمر قدرة الجهات الفاعلة على معرفة ما يعرفه الآخرون ؛ مثل هذه النظرية يمكن ببساطة تجاهلها على أنها داعية . أي نظرية تتحرك في اتجاه ذاتية الوقائع يجب أن تعيد بطريقة ما تحديد طريقة نقل المعرفة بحيث تلبي اثنين من القيود المعاكسة. يجب أن تكون ضعيفة بما يكفي لعدم إثارة المفارقة التي لوحظت في تجربة Frauhiger-Rener. لكن يجب أن يكون قوياً بما يكفي حتى لا يتهم بالتشدد. حتى الآن ، لم يتمكن أحد من صياغة نظرية مماثلة ترضي الجميع.



- . , , « », .

« – , , , — . – , , , , , . ».

, , , , . , . , , , , .

, – , , (, ) – , . , , , « , , ».

, , , , - , ( ). , . , , . أو ربما لا. « , - , , , , », — .

- . «, », — .

, . " " – , , , . , . , . « , », — .

, . «, , , , — . – , , . . , , . ? , ».