Paradoks kuantum baru mengklarifikasi bahwa ide-ide kita tentang kenyataan ternyata salah

Eksperimen pemikiran baru menggembirakan dunia dasar-dasar fisika kuantum dan membuat fisikawan mengklarifikasi perbedaan interpretasi teori kuantum (multi-dunia atau Kopenhagen) memaksa seseorang untuk meninggalkan asumsi yang tampaknya masuk akal mengenai kenyataan.

Jika sebuah koin tidak dapat jatuh dengan kepala dan ekor pada saat yang sama, fisikawan perlu menjatuhkan asumsi sederhana tentang sifat realitas.

Tidak ada yang berpendapat bahwa mekanika kuantum adalah teori yang sukses. Dia membuat prediksi yang luar biasa akurat tentang sifat dunia pada skala mikroskopis. Perdebatan, yang telah berlangsung selama hampir seratus tahun, menyangkut apa yang ia ceritakan tentang keberadaan dan realitas objek. Ada sejumlah besar interpretasi yang memberikan jawaban mereka untuk pertanyaan ini, yang masing-masing membutuhkan pernyataan tertentu, namun belum dikonfirmasi - yaitu, asumsi - mengenai sifat realitas.

Eksperimen pemikiran baru menantang asumsi-asumsi ini dan mengguncang fondasi fisika kuantum. Dia, tentu saja, dia sendiri aneh. Misalnya, diperlukan pengukuran yang dapat menghapus setiap kenangan dari pengamatan baru-baru ini. Ini tidak mungkin dilakukan dengan manusia, dan komputer kuantum dapat melakukan eksperimen aneh dan, secara teoritis, menemukan perbedaan antara interpretasi fisika kuantum yang berbeda.

"Kadang-kadang, ada pekerjaan yang menghasilkan debat, refleksi, dan diskusi yang intens - dan inilah masalahnya," kata Matthew Leifer , spesialis fisika kuantum di Universitas Chapman di Orange, California. "Eksperimen pemikiran ini akan ditambahkan ke kanon hal-hal aneh yang ditemukan dalam dasar-dasar fisika kuantum."

Percobaan ini dikembangkan oleh Daniela Frauhiger dan Renato Rener dari Institut Teknologi Federal Swiss, dan itu mencakup serangkaian asumsi, yang pada pandangan pertama cukup masuk akal. Namun, hal itu mengarah pada kontradiksi, yang menunjukkan bahwa setidaknya satu asumsi salah. Memilih asumsi yang salah memengaruhi pemahaman kita tentang dunia kuantum dan menunjukkan kemungkinan bahwa mekanika kuantum bukanlah teori universal, tidak berlaku untuk sistem yang kompleks, seperti manusia.

Fisika kuantum terkenal karena menyimpang interpretasi dari persamaan yang digunakan untuk menggambarkan apa yang terjadi di dunia kuantum. Tetapi dalam eksperimen pemikiran baru, semua interpretasi langsung menderita. Masing-masing dari mereka bertentangan dengan asumsi satu atau yang lain. Bisakah kita mengharapkan sesuatu yang sama sekali baru dalam mencari deskripsi realitas yang konsisten?



Teori kuantum bekerja sangat baik pada skala foton, elektron, atom, molekul, dan bahkan makromolekul. Tetapi apakah itu berlaku untuk sistem yang jauh melebihi ukuran makromolekul? "Kami belum secara eksperimental mengkonfirmasi penerapan mekanika kuantum dalam skala yang lebih besar - besar mengacu pada ukuran urutan virus atau sel kecil," kata Renner. "Secara khusus, kita tidak tahu apakah itu berlaku untuk objek ukuran orang, atau bahkan lebih untuk objek ukuran lubang hitam."

Meskipun kurangnya bukti empiris, fisikawan percaya bahwa mekanika kuantum dapat digunakan untuk menggambarkan sistem di semua skala - yaitu, bahwa itu universal. Untuk menguji asumsi ini, Frauhiger dan Rener datang dengan eksperimen pemikiran mereka sendiri, memperluas karya Eugene Wigner pada 1960 - an. Eksperimen baru menunjukkan bahwa di dunia kuantum dua orang mungkin tidak setuju tentang hasil yang tampaknya tak terbantahkan, katakanlah, koin jatuh, yang menunjukkan bahwa ada sesuatu yang hilang dalam asumsi tentang realitas kuantum.

Dalam mekanika kuantum standar, sistem kuantum, seperti partikel subatomik, diwakili oleh abstraksi matematis yang disebut fungsi gelombang. Fisikawan menghitung evolusi fungsi gelombang suatu partikel dalam waktu.


Eugene Wigner, seorang ahli fisika dan matematika Amerika keturunan Hongaria, peraih Nobel dalam bidang fisika pada tahun 1963, adalah salah satu tokoh kunci dalam pengembangan teori kuantum.

Namun, fungsi gelombang tidak memberi kita nilai yang tepat dari sifat-sifat partikel, misalnya lokasinya. Bahkan jika kita ingin tahu di mana partikel itu berada, nilai fungsi gelombangnya kapan saja dalam ruang dan waktu memungkinkan kita untuk menghitung hanya probabilitas mendeteksi partikel di tempat ini. Dan sebelum kita mencarinya di tempat ini, fungsi gelombang terdistribusi, dan memberikan kemungkinan berbeda untuk menemukan partikel di tempat yang berbeda. Dikatakan bahwa partikel tersebut berada dalam superposisi kuantum, hadir di banyak tempat pada waktu yang bersamaan.

Dalam kasus umum, sistem kuantum dapat berada dalam superposisi keadaan, di mana "keadaan" mengacu pada sifat-sifat lain, misalnya, ke putaran partikel. Eksperimen pemikiran Frauchiger-Rener memanipulasi objek kuantum kompleks - mungkin bahkan orang - yang berada di posisi super.

Ada empat karakter dalam percobaan: Alice, teman Alice, Bob, dan teman Bob. Teman Alice ada di laboratorium, mengambil pengukuran sistem kuantum, dan Alice berdiri di luar, mengawasi laboratorium dan yang lainnya. Teman Bob ada di laboratorium yang berbeda, dan Bob mengawasi dia dan laboratorium, menganggap mereka satu sistem.

Di laboratorium pertama, teman Alice mengukur hasil percobaan melempar koin, yang dirancang agar koin dijatuhkan oleh elang di sepertiga kasing dan ekor dalam dua pertiga kasing. Jika elang jatuh, teman Alice membuat partikel dengan putaran mengarah ke bawah, dan jika dengan ekor, dia menyiapkan partikel dalam posisi super, di mana punggung diarahkan ke atas dan ke bawah secara bersamaan dalam proporsi yang sama.

Teman Alice mengirim partikel ke teman Bob, dan dia mengukur putarannya. Berdasarkan hasilnya, teman Bob dapat menyimpulkan apa yang dilihat teman Alice setelah koin dilemparkan. Jika, misalnya, ia menemukan sebuah partikel dengan putaran mengarah ke atas, ia tahu bahwa ekornya telah jatuh.



Eksperimen berlanjut. Alice mengukur keadaan teman dan laboratoriumnya, menganggapnya sebagai sistem kuantum tunggal, dan menggunakan teori kuantum untuk membuat prediksi. Bob melakukan hal yang sama dengan temannya dan lab. Asumsi pertama: aktor dapat menganalisis sistem lain, bahkan yang kompleks, di mana orang lain berpartisipasi, menggunakan mekanika kuantum. Dengan kata lain, teori kuantum bersifat universal, dan segala sesuatu di alam semesta, termasuk seluruh laboratorium (dan ilmuwan di dalamnya) bekerja sesuai dengan aturan mekanika kuantum.

Asumsi ini memungkinkan Alice untuk menganggap temannya dan laboratorium sebagai satu sistem dan melakukan pengukuran tertentu yang menempatkan seluruh laboratorium, termasuk kontennya, dalam superposisi keadaan. Ini bukan pengukuran sederhana, yang membuat eksperimen aneh.

Cara termudah untuk memahami proses ini adalah dengan memeriksa satu foton dalam superposisi polarisasi horizontal dan vertikal. Misalkan kita mengukur polarisasi, dan menemukan bahwa itu adalah vertikal. Sekarang, jika kita terus mengukur polarisasi foton, itu akan menjadi vertikal sepanjang waktu. Tetapi jika kita mengukur foton yang terpolarisasi vertikal untuk mengetahui apakah foton itu terpolarisasi ke arah lain, katakanlah, pada 45 derajat ke vertikal, kita akan menemukan bahwa ada kemungkinan 50% itu, dan probabilitas 50% bukan itu. Sekarang, jika kita kembali mengukur apa yang kita pikir sebagai foton yang terpolarisasi vertikal, kita menemukan bahwa ada kemungkinan bahwa foton itu tidak lagi terpolarisasi vertikal, dan telah memperoleh polarisasi horizontal. Pengukuran polarisasi 45 derajat mengembalikan foton ke superposisi polarisasi horizontal dan vertikal.

Ini semua berfungsi dengan baik untuk partikel tunggal, dan pengukuran seperti itu telah berhasil dikonfirmasi dalam percobaan nyata. Tetapi dalam eksperimen pemikiran, Frauhiger dan Rener ingin melakukan sesuatu yang mirip dengan sistem yang kompleks.

Pada tahap percobaan ini, teman Alice sudah melihat bagaimana koin jatuh oleh elang atau ekor. Namun pengukuran Alice yang rumit membawa laboratorium, termasuk temannya, ke superposisi elang dan ekor. Dalam keadaan aneh seperti itu, tidak ada lagi yang dituntut dari teman Alice.


Renato Rener, seorang ahli fisika di sebuah lembaga Swiss, muncul dengan paradoks bersama dengan Daniela Frauhiger, yang meninggalkan lembaga itu tak lama setelah kerja bersama mereka

Tapi Alice belum selesai. Berdasarkan pengukurannya yang rumit, yang hasilnya dapat direpresentasikan hanya sebagai “ya” atau “tidak”, ia dapat belajar tentang hasil pengukuran yang dilakukan oleh teman Bob. Misalkan Alice mendapat jawaban ya. Menggunakan mekanika kuantum, dia dapat menghitung bahwa teman Bob menemukan partikel berputar ke atas, dan karena itu, teman Alice melihat ekornya jatuh.

Pengamatan oleh Alice ini memerlukan asumsi lain tentang penggunaannya teori kuantum. Dia tidak hanya tahu hasil ini, dia tahu bagaimana sebenarnya teman Bob menggunakan teori kuantum untuk sampai pada kesimpulannya tentang hasil lemparan koin. Alice juga membuat kesimpulan ini. Asumsi konsistensi menyatakan bahwa prediksi yang dibuat oleh individu yang berbeda menggunakan teori kuantum tidak saling bertentangan.

Sementara itu, Bob dapat mengambil lab lab temannya dengan dimensi kompleks yang sama dengan menempatkan mereka dalam superposisi kuantum. Jawabannya mungkin lagi ya atau tidak. Jika Bob mendapat "ya," pengukuran memungkinkannya untuk menyimpulkan bahwa teman Alice seharusnya melihat elang di koin.

Jelas bahwa Alice dan Bob dapat melakukan pengukuran dan membandingkan asumsi mereka tentang hasil lemparan koin. Tetapi di sini satu asumsi lagi digunakan: jika pengukuran wajah mengatakan bahwa koin itu telah berekor, maka fakta sebaliknya - hilangnya elang - tidak mungkin benar.

Sekarang semuanya siap untuk kontradiksi. Ketika Alice menerima "ya" dalam dimensi, dia berasumsi bahwa koin telah berekor, dan ketika Bob menerima "ya", dia menganggap bahwa koin itu telah jatuh dengan elang. Sebagian besar waktu, Alice dan Bob mendapatkan hasil yang berlawanan. Tetapi Frauhiger dan Rener menunjukkan bahwa dalam satu dari dua belas kasus, Alice dan Bob akan menerima "ya" dalam kasus yang sama, sebagai akibatnya mereka tidak akan setuju jika teman Alice melihat seekor elang atau ekor. "Akibatnya, keduanya berbicara tentang acara tersebut, keduanya yakin akan hasilnya, tetapi pernyataan mereka bertentangan," kata Rener. - Ini kontradiksi. Ini menunjukkan bahwa ada sesuatu yang salah. "

Ini memungkinkan Frauhiger dan Rener untuk menyatakan bahwa salah satu dari tiga asumsi yang mendasari percobaan pemikiran itu salah.



“Dan di sini sains berhenti. Kami hanya tahu bahwa salah satu dari ketiganya salah, dan kami tidak dapat secara meyakinkan membuktikan mana yang dilanggar, ”kata Rener. "Ini masalah interpretasi dan selera."

Untungnya, ada mobil interpretasi mekanika kuantum , dan hampir semuanya berbicara tentang apa yang terjadi pada fungsi gelombang pada saat pengukuran. Ambil posisi partikel. Sebelum pengukuran, kita hanya bisa membicarakan kemungkinan menemukannya di suatu tempat. Setelah pengukuran, partikel mengambil posisi tertentu. Dalam interpretasi Kopenhagen, pengukuran menyebabkan fungsi gelombang runtuh, dan kita tidak dapat berbicara tentang sifat-sifat partikel seperti posisinya sebelum pengukuran. Beberapa fisikawan percaya bahwa interpretasi Kopenhagen mengklaim bahwa sifat-sifat itu tidak nyata sampai saat pengukuran.

Bentuk "anti-realisme" ini asing bagi Einstein, seperti beberapa fisikawan modern. Seperti konsep dimensi yang membuat fungsi gelombang runtuh, terutama karena interpretasi Kopenhagen tidak mengatakan apa sebenarnya yang bisa dianggap sebagai dimensi. Interpretasi alternatif dari teori pada dasarnya mencoba mengedepankan pendekatan realistis - di mana sistem kuantum memiliki sifat yang independen terhadap pengamat dan pengukuran - atau untuk menghindari keruntuhan yang disebabkan oleh pengukuran, atau keduanya sekaligus.

Misalnya, interpretasi multi-dunia memandang evolusi fungsi gelombang dan menyangkal keruntuhannya. Jika lemparan kuantum dari sebuah koin dapat mengarah ke elang atau ke ekor, maka dalam kasus multi-dunia terjadi satu dan yang lainnya, hanya di dunia yang berbeda. Kemudian asumsi bahwa ada satu hasil percobaan, bahwa jika sebuah koin jatuh, tidak dapat secara bersamaan jatuh oleh seekor elang, menjadi bangkrut. Dalam interpretasi di seluruh dunia, hasil lemparan koin adalah elang dan ekor, sehingga fakta bahwa Alice dan Bob kadang-kadang mendapatkan jawaban yang berlawanan bukanlah kontradiksi.


Asumsi universalitas teori kuantum dilanggar oleh interpretasi di mana fungsi kuantum sistem kompleks runtuh secara spontan.
Asumsi interpretasi dilanggar oleh interpretasi seperti kuantum Bayesianisme , di mana hasil pengukuran tergantung pada sudut pandang pengamat.
Asumsi ketidakmungkinan hasil yang bertentangan dilanggar oleh interpretasi multi-dunia.

"Saya harus mengakui bahwa jika Anda bertanya kepada saya dua tahun yang lalu, saya akan mengatakan bahwa percobaan kami hanya menunjukkan bahwa interpretasi multivariat bekerja dengan baik, dan Anda hanya perlu menghentikannya," persyaratan bahwa pengukuran memberikan hasil tunggal, kata Rener.

Pandangan yang sama dipegang oleh fisikawan teoretis David Deutsch dari University of Oxford, yang mempelajari tentang karya Frauhiger-Rener ketika dia muncul di situs arxiv.org . Dalam versi karya itu, penulis condong ke arah skenario dengan banyak dunia (versi terbaru dari karya tersebut, yang ditinjau oleh rekan sejawat dan diterbitkan pada bulan September di Nature Communications, mengambil pendekatan yang lebih agnostik). Deutsch percaya bahwa eksperimen pemikiran masih mendukung interpretasi multi-dunia. "Saya percaya bahwa ia kemungkinan akan membunuh opsi dengan runtuhnya fungsi gelombang atau satu alam semesta, tetapi mereka sudah mati," katanya. "Aku tidak yakin apa gunanya menyerang mereka lagi dengan artileri yang lebih besar."



Rener mengubah sudut pandangnya. Dia percaya bahwa kemungkinan besar, asumsi universalitas mekanika kuantum akan salah.

Asumsi ini, misalnya, dilanggar oleh yang disebut teori keruntuhan spontan, yang menganjurkan - seperti namanya - keruntuhan acak spontan dari fungsi gelombang, tidak tergantung pada pengukuran. Model-model ini menjamin bahwa sistem kuantum kecil seperti partikel dapat tetap berada di superposisi hampir selamanya, tetapi semakin besar sistem tersebut, semakin besar kemungkinan keruntuhan spontan mereka ke keadaan klasik. Pengukuran hanya mendeteksi keadaan sistem yang runtuh.

Dalam teori keruntuhan spontan, mekanika kuantum tidak dapat diterapkan pada sistem dengan massa lebih besar dari ambang. Dan meskipun model-model ini belum diverifikasi secara empiris, belum ada yang membantahnya.

Nicholas Gizin dari University of Geneva lebih suka teori keruntuhan spontan sebagai cara untuk menyelesaikan kontradiksi dalam percobaan Frauhiger-Rener. "Jalan keluar saya dari kesulitan mereka adalah dengan mengatakan: Tidak, pada titik tertentu prinsip superposisi tidak lagi berfungsi," katanya.

Jika Anda ingin mematuhi asumsi penerapan universal teori kuantum dan versi tunggal pengukuran, maka Anda harus mengabaikan asumsi terakhir - dari konsistensi: "prediksi berbagai aktor yang menggunakan teori kuantum tidak dapat saling bertentangan."

Dengan menggunakan versi percobaan Frauchiger-Rener yang sedikit dimodifikasi, Leifer menunjukkan bahwa asumsi terakhir ini, atau variannya, harus ditinggalkan jika teori Kopenhagen benar. Dalam analisisnya, teori-teori ini memiliki atribut yang sama - mereka berlaku secara universal, anti-realistis (yaitu, mereka berbicara tentang tidak adanya sifat-sifat tertentu dari sistem kuantum, seperti posisi, sebelum pengukuran) dan lengkap (tidak ada kenyataan tersembunyi yang tidak dapat dijelaskan oleh teori). Dengan atribut ini, karyanya mengklaim bahwa dimensi yang diberikan tidak memiliki hasil tunggal yang secara objektif benar untuk semua pengamat. Jadi, jika detektor mengklik laboratorium teman Alice, ini akan menjadi fakta objektif baginya - tetapi tidak untuk Alice, yang berada di luar laboratorium dan mensimulasikan semuanya menggunakan teori kuantum. Hasil pengukuran tergantung pada sudut pandang pengamat.

"Jika Anda ingin mendukung sudut pandang Kopenhagen, maka cara terbaik adalah beralih ke versi perspektif yang berbeda ini," kata Leifer. Dia menunjukkan bahwa beberapa interpretasi, seperti kuantum Bayesianisme, atau KBism, telah mengambil pendekatan subjektivitas dari hasil pengukuran kepada pengamat.

Rener percaya bahwa meninggalkan asumsi ini akan menghancurkan kemampuan aktor untuk mengetahui apa yang orang lain ketahui; teori semacam itu dapat dengan mudah dibuang sebagai solipsisme . Setiap teori yang bergerak ke arah subjektivitas fakta harus entah bagaimana mendefinisikan kembali metode mentransfer pengetahuan sehingga memenuhi dua batasan yang berlawanan. Itu harus cukup lemah untuk tidak memprovokasi paradoks yang diamati dalam percobaan Frauhiger-Rener. Tetapi dia harus cukup kuat untuk tidak dituduh solipsisme. Sejauh ini, belum ada yang mampu merumuskan teori serupa yang memuaskan semua orang.



Eksperimen Frauhiger-Rener memunculkan kontradiksi antara tiga asumsi yang tampaknya masuk akal. Upaya untuk menjelaskan bagaimana interpretasi yang berbeda dari teori kuantum melanggar asumsi ini adalah "latihan yang sangat berguna," kata Rob Speckens dari Institute for Theoretical Physics, Perimeter dari Kanada.

"Eksperimen pemikiran ini adalah lensa yang hebat di mana Anda dapat menjelajahi perbedaan pendapat antara berbagai kubu yang menginterpretasikan teori kuantum," kata Speckens. - Saya tidak berpikir bahwa dia benar-benar menghilangkan pilihan yang didukung oleh orang-orang sebelumnya, tetapi dia menemukan persis apa yang harus diyakini oleh berbagai kamp interpretasi untuk menghindari kontradiksi. Dia membantu mengklarifikasi sikap orang terhadap beberapa masalah ini. "

Mengingat bahwa para ahli teori tidak dapat memisahkan interpretasi, para peneliti berpikir tentang bagaimana menerapkan eksperimen pemikiran ini, dengan harapan dapat mengklarifikasi masalah. Tapi ini bukan tugas yang mudah, karena percobaan mengedepankan persyaratan aneh. Misalnya, ketika Alice mengambil dimensi khusus dari teman dan laboratoriumnya, dia meletakkan segala sesuatu, termasuk otak temannya, dalam superposisi keadaan.

Secara matematis, pengukuran kompleks ini setara dengan fakta bahwa kami pertama kali membalikkan pengembangan sementara sistem - yaitu, memori aktor terhapus, dan sistem kuantum (partikel yang diukurnya) kembali ke keadaan semula - dan kemudian kami melakukan pengukuran yang lebih sederhana dari hanya satu partikel, kata Howard Wisemandari Griffith University dari Australia. Pengukurannya mungkin sederhana, tetapi, seperti yang Gizin tunjukkan dengan sopan, "Membalikkan seorang aktor, termasuk otak dan ingatannya, adalah bagian sensitif dari percobaan."

Namun, Gizin tidak menyangkal bahwa, mungkin, suatu hari eksperimen ini dapat dilakukan dengan menggunakan komputer kuantum yang kompleks, sebagai aktor di laboratorium (memainkan peran teman-teman Alice dan Bob). Pada prinsipnya, pengembangan sementara komputer kuantum dapat dibalik. Satu kemungkinan adalah bahwa percobaan seperti itu akan mereproduksi prediksi mekanika kuantum standar pada saat yang sama ketika komputer kuantum menjadi lebih kompleks. Atau mungkin juga tidak."Alternatif lain adalah bahwa pada titik tertentu, saat mengembangkan komputer kuantum, kita akan mengalami keterbatasan prinsip superposisi dan menemukan bahwa mekanika kuantum tidak universal," kata Gizin.

Leifer mengadvokasi sesuatu yang baru. "Saya pikir interpretasi mekanika kuantum yang benar tidak akan sama dengan yang di atas," katanya.

Dia membandingkan situasi saat ini dengan mekanika kuantum dengan masa sebelum munculnya Einstein dengan teori relativitas khususnya. Para peneliti tidak menemukan tanda-tanda eter luminiferous "- medium di mana gelombang cahaya diperkirakan merambat di alam semesta Newton. Einstein berpendapat bahwa eter tidak ada. Dia menunjukkan bahwa ruang dan waktu dapat berubah." Sebelum Einstein tidak mungkin untuk berpikir bahwa struktur ruang dan waktu akan berubah ", - kata Leifer.

Dia percaya bahwa mekanika kuantum sekarang dalam situasi yang sama. "Mungkin saja kita membuat asumsi tanpa syarat tentang bagaimana dunia seharusnya dibangun, yang sebenarnya salah," katanya. "Ketika kita mengubahnya, ketika kita mengubah asumsi kita, semuanya tiba-tiba akan jatuh ke tempatnya." Saya harap begitu. Siapa pun yang skeptis tentang semua interpretasi mekanika kuantum harus bernalar seperti ini. Dapatkah saya memberi tahu Anda tentang kandidat yang cocok untuk asumsi seperti itu? Jika saya bisa, saya akan mengerjakan teori ini. "