Das neue Quantenparadoxon verdeutlicht, in welchem ​​Fall sich unsere Vorstellungen von der Realität als falsch herausstellen

Ein neues Gedankenexperiment erregte die Welt der Grundlagen der Quantenphysik und ließ Physiker klarstellen, wie unterschiedliche Interpretationen der Quantentheorie (Multi-World oder Kopenhagen) einen dazu zwingen, scheinbar vernünftige Annahmen bezüglich der Realität aufzugeben.

Wenn eine Münze nicht gleichzeitig durch Kopf und Zahl herausfallen kann, müssen Physiker einfache Annahmen über die Natur der Realität fallen lassen.

Niemand argumentiert, dass die Quantenmechanik eine erfolgreiche Theorie ist. Sie macht erstaunlich genaue Vorhersagen über die Natur der Welt im mikroskopischen Maßstab. Die Debatte, die seit fast hundert Jahren andauert, betrifft das, was sie uns über die Existenz und Realität von Objekten erzählt. Es gibt eine ganze Reihe von Interpretationen, die ihre Antwort auf diese Frage geben, von denen jede bestimmte, aber unbestätigte Aussagen - dh Annahmen - über die Natur der Realität erfordert.

Ein neues Gedankenexperiment stellt diese Annahmen in Frage und erschüttert die Grundlagen der Quantenphysik. Er ist natürlich selbst seltsam. Zum Beispiel sind Messungen erforderlich, mit denen Erinnerungen an eine kürzlich durchgeführte Beobachtung gelöscht werden können. Dies ist bei Menschen nicht möglich, und Quantencomputer könnten solch ein seltsames Experiment durchführen und theoretisch die Unterschiede zwischen verschiedenen Interpretationen der Quantenphysik feststellen.

"Gelegentlich gibt es Arbeiten, die zu intensiven Debatten, Reflexionen und Diskussionen führen - und das ist genau der Fall", sagte Matthew Leifer , Spezialist für Quantenphysik an der Chapman University in Orange, Kalifornien. "Dieses Gedankenexperiment wird dem Kanon der seltsamen Dinge hinzugefügt, die in den Grundlagen der Quantenphysik zu finden sind."

Das Experiment wurde von Daniela Frauhiger und Renato Rener von der Eidgenössischen Technischen Hochschule entwickelt und enthält eine Reihe von Annahmen, die auf den ersten Blick durchaus sinnvoll sind. Dies führt jedoch zu Widersprüchen, was darauf hindeutet, dass mindestens eine der Annahmen falsch ist. Die Wahl der falschen Annahme beeinflusst unser Verständnis der Quantenwelt und weist auf die Möglichkeit hin, dass die Quantenmechanik keine universelle Theorie ist, die nicht auf komplexe Systeme wie Menschen anwendbar ist.

Die Quantenphysik ist bekannt für unterschiedliche Interpretationen der Gleichungen, mit denen beschrieben wird, was in der Quantenwelt geschieht. Aber in einem neuen Gedankenexperiment leiden alle Interpretationen sofort. Jeder von ihnen widerspricht der einen oder anderen Annahme. Können wir auf der Suche nach einer konsistenten Beschreibung der Realität etwas völlig Neues erwarten?



Die Quantentheorie funktioniert hervorragend auf der Skala von Photonen, Elektronen, Atomen, Molekülen und sogar Makromolekülen. Aber ist es auf Systeme anwendbar, die weit über die Größe von Makromolekülen hinausgehen? "Wir haben die Anwendbarkeit der Quantenmechanik in größerem Maßstab nicht experimentell bestätigt - groß bezieht sich auf die Größe der Ordnung eines Virus oder einer kleinen Zelle", sagte Renner. "Insbesondere wissen wir nicht, ob dies für Objekte von der Größe von Personen oder noch mehr für Objekte von der Größe von Schwarzen Löchern gilt."

Trotz des Mangels an empirischen Beweisen glauben Physiker, dass die Quantenmechanik verwendet werden kann, um Systeme auf allen Ebenen zu beschreiben - das heißt, dass sie universell ist. Um diese Annahme zu überprüfen, entwickelten Frauhiger und Rener ein eigenes Gedankenexperiment, das die Arbeit von Eugene Wigner in den 1960er Jahren erweiterte. Ein neues Experiment zeigt, dass in der Quantenwelt zwei Menschen möglicherweise nicht über ein scheinbar unbestreitbares Ergebnis einig sind, beispielsweise über das Herausfallen einer Münze, was darauf hindeutet, dass in den Annahmen über die Quantenrealität etwas fehlt.

In der Standardquantenmechanik wird ein Quantensystem wie ein subatomares Teilchen durch eine mathematische Abstraktion dargestellt, die als Wellenfunktion bezeichnet wird. Physiker berechnen die zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Teilchens.


Eugene Wigner, ein amerikanischer Physiker und Mathematiker ungarischer Abstammung, 1963 Nobelpreisträger für Physik, ist eine der Schlüsselfiguren in der Entwicklung der Quantentheorie.

Die Wellenfunktion gibt uns jedoch nicht den genauen Wert der Eigenschaften des Partikels, beispielsweise seine Position. Selbst wenn wir wissen wollen, wo sich das Teilchen befindet, können wir mit dem Wert seiner Wellenfunktion zu jedem Zeitpunkt in Raum und Zeit nur die Wahrscheinlichkeit berechnen, ein Teilchen an diesem Ort zu entdecken. Und bevor wir an dieser Stelle danach suchen, wird die Wellenfunktion verteilt und weist verschiedene Wahrscheinlichkeiten für das Auffinden des Partikels an verschiedenen Orten zu. Es wird gesagt, dass sich das Teilchen in Quantenüberlagerung befindet und an vielen Orten gleichzeitig vorhanden ist.

Im allgemeinen Fall kann sich ein Quantensystem in einer Überlagerung von Zuständen befinden, wobei sich der "Zustand" auf andere Eigenschaften bezieht, beispielsweise auf den Spin eines Teilchens. Das Frauchiger-Rener-Gedankenexperiment manipuliert komplexe Quantenobjekte - vielleicht sogar Menschen -, die sich in Überlagerung befinden.

Das Experiment besteht aus vier Charakteren: Alice, Alices Freundin, Bob und Bobs Freundin. Alices Freundin ist im Labor und nimmt Messungen des Quantensystems vor. Alice steht draußen und beobachtet das Labor und das andere. Bobs Freund ist in einem anderen Labor und Bob beaufsichtigt ihn und das Labor und betrachtet sie als ein System.

Im ersten Labor misst Alices Freundin die Ergebnisse eines Experiments, bei dem eine Münze geworfen wird. In einem Drittel der Fälle lässt die Adler die Münze fallen und in zwei Dritteln der Fälle den Schwanz. Wenn ein Adler fällt, macht Alices Freundin ein Teilchen mit dem Spin nach unten und wenn es mit dem Schwanz ist, bereitet er das Teilchen in einer Überlagerung vor, in der die Rücken gleichzeitig in gleichen Anteilen auf und ab gerichtet sind.

Alices Freund schickt ein Partikel an Bobs Freund und er misst ihren Spin. Basierend auf dem Ergebnis kann Bobs Freund schließen, was Alices Freundin nach dem Münzwurf gesehen hat. Wenn er zum Beispiel ein Teilchen mit einem Spin entdeckt, der nach oben zeigt, weiß er, dass die Schwänze gefallen sind.



Das Experiment geht weiter. Alice misst den Zustand ihrer Freundin und ihres Labors, betrachtet sie als ein einziges Quantensystem und verwendet die Quantentheorie, um Vorhersagen zu treffen. Bob macht dasselbe mit seinem Freund und dem Labor. Die erste Annahme: Der Akteur kann mithilfe der Quantenmechanik ein anderes System analysieren, auch ein komplexes, an dem andere Personen beteiligt sind. Mit anderen Worten, die Quantentheorie ist universell und alles im Universum, einschließlich des gesamten Labors (und der darin enthaltenen Wissenschaftler), arbeitet nach den Regeln der Quantenmechanik.

Diese Annahme ermöglicht es Alice, ihre Freundin und das Labor als ein System zu betrachten und bestimmte Messungen durchzuführen, die das gesamte Labor einschließlich seines Inhalts in eine Überlagerung von Zuständen versetzen. Dies ist keine einfache Messung, was das Experiment seltsam macht.

Der einfachste Weg, diesen Prozess zu verstehen, besteht darin, ein einzelnes Photon in einer Überlagerung horizontaler und vertikaler Polarisationen zu untersuchen. Angenommen, wir messen die Polarisation und stellen fest, dass sie vertikal ist. Wenn wir nun die Polarisation des Photons weiter messen, ist es die ganze Zeit vertikal. Wenn wir jedoch ein vertikal polarisiertes Photon messen, um herauszufinden, ob es in einer anderen Richtung polarisiert ist, beispielsweise bei 45 Grad zur Vertikalen, stellen wir fest, dass eine Wahrscheinlichkeit von 50% und eine Wahrscheinlichkeit von 50% besteht das ist es nicht. Wenn wir nun wieder messen, was wir für ein vertikal polarisiertes Photon hielten, stellen wir fest, dass es möglicherweise nicht mehr vertikal polarisiert ist und horizontale Polarisation angenommen hat. Eine 45-Grad-Polarisationsmessung führte das Photon zu einer Überlagerung horizontaler und vertikaler Polarisationen zurück.

Dies alles funktioniert gut für ein einzelnes Partikel, und solche Messungen wurden in realen Experimenten erfolgreich bestätigt. Aber in einem Gedankenexperiment wollen Frauhiger und Rener mit komplexen Systemen etwas Ähnliches machen.

In dieser Phase des Experiments sah Alices Freundin bereits, wie die Münze von einem Adler oder Schwanz fiel. Aber Alices komplexe Messungen bringen das Labor, einschließlich ihrer Freundin, in einen Zustand der Überlagerung von Adler und Schwanz. In solch einem seltsamen Zustand wird von Alices Freundin nichts mehr verlangt.


Renato Rener, Physiker an einem Schweizer Institut, entwickelte zusammen mit Daniela Frauhiger, die die Einrichtung kurz nach ihrer gemeinsamen Arbeit verließ, ein Paradoxon

Aber Alice ist noch nicht fertig. Basierend auf ihrer komplexen Messung, deren Ergebnis einfach als "Ja" oder "Nein" dargestellt werden kann, kann sie etwas über das Ergebnis von Messungen erfahren, die von Bobs Freund durchgeführt wurden. Angenommen, Alice bekommt ein Ja. Mithilfe der Quantenmechanik kann sie berechnen, dass Bobs Freund das Teilchen nach oben gedreht hat, und daher sah Alices Freundin, wie die Schwänze herausfielen.

Diese Beobachtung von Alice beinhaltet eine weitere Annahme über ihre Verwendung der Quantentheorie. Sie kennt nicht nur dieses Ergebnis, sie weiß auch, wie genau Bobs Freund die Quantentheorie verwendet hat, um zu seiner Schlussfolgerung über das Ergebnis des Münzwurfs zu gelangen. Alice macht auch diese Schlussfolgerung. Die Konsistenzannahme besagt, dass sich die Vorhersagen verschiedener Individuen unter Verwendung der Quantentheorie nicht widersprechen.

In der Zwischenzeit kann Bob das Labor seines Freundes mit derselben komplexen Dimension nehmen, indem er sie in eine Quantenüberlagerung legt. Die Antwort kann wieder ja oder nein sein. Wenn Bob "Ja" bekommt, kann er aus der Messung schließen, dass Alices Freundin den Adler auf der Münze hätte sehen sollen.

Es ist klar, dass Alice und Bob Messungen vornehmen und ihre Annahmen über das Ergebnis des Münzwurfs vergleichen können. Aber hier wird noch eine Annahme verwendet: Wenn die Gesichtsmaße besagen, dass die Münze den Schwanz verloren hat, kann die gegenteilige Tatsache - der Verlust eines Adlers - nicht wahr sein.

Jetzt ist alles bereit für einen Widerspruch. Wenn Alice in der Dimension "Ja" erhält, geht sie davon aus, dass die Münze den Schwanz verloren hat, und wenn Bob "Ja" erhält, geht er davon aus, dass die Münze mit einem Adler gefallen ist. Meistens erzielen Alice und Bob gegensätzliche Ergebnisse. Aber Frauhiger und Rener zeigten, dass Alice und Bob in einem von zwölf Fällen im selben Fall „Ja“ erhalten würden, weshalb sie sich nicht einig wären, wenn Alices Freundin einen Adler oder einen Schwanz sehen würde. "Infolgedessen sprechen beide über das Ereignis, beide sind sich des Ergebnisses sicher, aber ihre Aussagen sind entgegengesetzt", sagte Rener. - Das ist ein Widerspruch. Dies deutet darauf hin, dass etwas nicht stimmt. "

Dies erlaubte Frauhiger und Rener festzustellen, dass eine der drei Annahmen, die dem Gedankenexperiment zugrunde liegen, falsch ist.



„Und hier hört die Wissenschaft auf. Wir wissen nur, dass einer der drei falsch ist, und wir können nicht überzeugend beweisen, welcher verletzt wird “, sagt Rener. "Es ist eine Frage der Interpretation und des Geschmacks."

Glücklicherweise gibt es ein Auto mit Interpretationen der Quantenmechanik , und fast alle sprechen darüber, was zum Zeitpunkt der Messung mit der Wellenfunktion passiert. Nehmen Sie die Position des Partikels ein. Vor der Messung können wir nur über die Wahrscheinlichkeit sprechen, sie irgendwo zu finden. Nach der Messung nimmt das Partikel eine bestimmte Position ein. In der Kopenhagener Interpretation führt die Messung dazu, dass die Wellenfunktion zusammenbricht, und wir können nicht über solche Eigenschaften eines Partikels wie seine Position vor der Messung sprechen. Einige Physiker glauben, dass die Kopenhagener Interpretation behauptet, dass die Eigenschaften erst zum Zeitpunkt der Messung real sind.

Diese Form des „Anti-Realismus“ war Einstein wie einigen modernen Physikern fremd. Wie das Konzept einer Dimension, die die Wellenfunktion zusammenbrechen lässt, insbesondere weil die Kopenhagener Interpretation nicht sagt, was genau als Dimension angesehen werden kann. Alternative Interpretationen der Theorie versuchen grundsätzlich, entweder einen realistischen Ansatz vorzuschlagen - bei dem Quantensysteme Eigenschaften haben, die von Beobachtern und Messungen unabhängig sind - oder den durch Messung verursachten Zusammenbruch oder beides gleichzeitig zu vermeiden.

Zum Beispiel nimmt eine Multi-Welt-Interpretation die Entwicklung einer Wellenfunktion zum Nennwert und leugnet ihren Zusammenbruch. Wenn ein Quantenwurf einer Münze entweder zu einem Adler oder zu einem Schwanz führen kann, dann geschieht im Fall der Mehrwelt sowohl das eine als auch das andere nur in verschiedenen Welten. Dann wird die Annahme, dass es ein Ergebnis des Experiments gibt, dass eine Münze, wenn sie durch Schwänze fällt, nicht gleichzeitig von einem Adler fallen kann, zahlungsunfähig wird. In einer weltweiten Interpretation ist das Ergebnis eines Münzwurfs sowohl ein Adler als auch ein Schwanz, sodass die Tatsache, dass Alice und Bob manchmal gegensätzliche Antworten erhalten, kein Widerspruch ist.


Die Annahme der Universalität der Quantentheorie wird durch Interpretationen verletzt, bei denen die Quantenfunktionen komplexer Systeme spontan zusammenbrechen.
Interpretationsannahmen werden durch Interpretationen wie den Quanten-Bayesianismus verletzt, bei denen die Messergebnisse vom Standpunkt des Beobachters abhängen.
Die Annahme, dass es unmöglich ist, gegensätzliche Ergebnisse zu erzielen, wird durch Interpretationen aus mehreren Welten verletzt.

"Ich muss zugeben, wenn Sie mich vor zwei Jahren gefragt haben, würde ich sagen, dass unser Experiment einfach zeigt, dass die multivariate Interpretation gut funktioniert, und Sie müssen sie einfach fallen lassen", sagte Rener, dass die Messungen ein einziges Ergebnis liefern.

Die gleiche Ansicht vertritt der theoretische Physiker David Deutsch von der Universität Oxford, der von der Arbeit von Frauhiger-Rener erfuhr, als sie auf der Website arxiv.org erschien . In dieser Version der Arbeit neigten die Autoren zu einem Szenario mit vielen Welten (die neueste Version der Arbeit, die im September in Nature Communications begutachtet und veröffentlicht wurde, verfolgt einen agnostischeren Ansatz). Deutsch glaubt, dass ein Gedankenexperiment immer noch eine Multi-Welt-Interpretation unterstützt. "Ich glaube, dass er wahrscheinlich Optionen mit dem Zusammenbruch der Wellenfunktion oder eines einzelnen Universums töten wird, aber sie sind bereits tot", sagte er. "Ich bin nicht sicher, was es bringt, sie erneut mit größerer Artillerie anzugreifen."



Rener änderte seinen Standpunkt. Er glaubt, dass die Annahme der Universalität der Quantenmechanik höchstwahrscheinlich falsch sein wird.

Diese Annahme wird beispielsweise von den sogenannten verletzt Theorien des spontanen Kollapses, die - wie der Name schon sagt - einen spontanen zufälligen Kollaps der Wellenfunktion unabhängig von Messungen befürworten. Diese Modelle garantieren, dass kleine Quantensysteme wie Teilchen fast für immer in Überlagerung bleiben können. Je massereicher die Systeme werden, desto größer ist jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass sie spontan in einen klassischen Zustand übergehen. Messungen erfassen einfach den Zustand eines zusammengebrochenen Systems.

In Theorien des spontanen Kollapses kann die Quantenmechanik nicht auf Systeme mit einer Masse angewendet werden, die größer als der Schwellenwert ist. Und obwohl diese Modelle noch empirisch verifiziert werden müssen, hat sie noch niemand widerlegt.

Nicholas Gizin von der Universität Genf bevorzugt Theorien des spontanen Zusammenbruchs, um den Widerspruch im Frauhiger-Rener-Experiment aufzulösen. "Mein Ausweg aus ihrer Schwierigkeit ist zu sagen: Nein, irgendwann funktioniert das Prinzip der Überlagerung nicht mehr", sagt er.

Wenn Sie an der Annahme der universellen Anwendbarkeit der Quantentheorie und einer einzelnen Version der Messungen festhalten möchten, müssen Sie die letzte Annahme aufgeben - aus Konsistenzgründen: "Die Vorhersagen verschiedener Akteure, die die Quantentheorie verwenden, können sich nicht widersprechen."

Anhand einer leicht modifizierten Version des Frauchiger-Rener-Experiments zeigte Leifer, dass diese letzte Annahme oder ihre Variante aufgegeben werden müsste, wenn die Kopenhagener Theorien korrekt wären. In seiner Analyse haben diese Theorien gemeinsame Attribute - sie sind universell anwendbar, anti-realistisch (dh sie sprechen vom Fehlen bestimmter Eigenschaften von Quantensystemen wie der Position vor der Messung) und sind vollständig (es gibt keine verborgene Realität, die die Theorie nicht beschreiben kann). Angesichts dieser Eigenschaften behauptet seine Arbeit, dass die gegebene Dimension kein einziges Ergebnis hat, das objektiv für alle Beobachter gilt. Wenn also ein Detektor auf das Labor von Alices Freundin klickte, wäre dies eine objektive Tatsache für sie - aber nicht für Alice, die sich außerhalb des Labors befand und alles mithilfe der Quantentheorie simulierte. Die Messergebnisse hängen vom Standpunkt des Beobachters ab.

"Wenn Sie den Standpunkt von Kopenhagen unterstützen möchten, ist es am besten, auf diese Version verschiedener Perspektiven umzusteigen", sagte Leifer. Er weist darauf hin, dass einige Interpretationen wie der Quanten-Bayesianismus oder der KBismus dem Beobachter bereits den subjektiven Ansatz des Messergebnisses vermittelt haben.

Rener glaubt, dass das Aufgeben dieser Annahme die Fähigkeit der Akteure zerstören wird, herauszufinden, was andere wissen; Eine solche Theorie kann einfach als Solipsismus verworfen werden. Jede Theorie, die sich in Richtung der Subjektivität von Tatsachen bewegt, muss die Methode des Wissenstransfers irgendwie neu definieren, so dass sie zwei entgegengesetzte Einschränkungen erfüllt. Es sollte schwach genug sein, um das im Frauhiger-Rener-Experiment beobachtete Paradoxon nicht zu provozieren. Aber er muss stark genug sein, um nicht des Solipsismus beschuldigt zu werden. Bisher konnte niemand eine ähnliche Theorie formulieren, die alle zufriedenstellt.



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