Ett kvantexperiment tyder på att det inte finns något sådant som objektiv verklighet

IBM Research | Flickr

Redan 1961 skisserade den nobelprisbelönade fysikern Eugene Wigner ett tankeexperiment som visade en av kvantmekanikens mindre kända paradoxer. Experimentet visar hur universums märkliga natur tillåter två observatörer - säg, Wigner och Wigners vän - att uppleva olika verkligheter.

Sedan dess har fysiker använt tankeexperimentet Wigner's Friend för att utforska mätningens natur och för att argumentera om objektiva fakta kan existera. Det är viktigt eftersom forskare utför experiment för att fastställa objektiva fakta. Men om de upplever olika verkligheter, lyder argumentet, hur kan de komma överens om vad dessa fakta kan vara?

Det har gett lite underhållande foder för samtal efter middagen, men Wigners tankeexperiment har aldrig varit mer än så - bara ett tankeexperiment.

Förra året märkte fysiker dock att de senaste framstegen inom kvantteknologi har gjort det möjligt att reproducera Wigners Friend-testet i ett riktigt experiment. Det borde med andra ord vara möjligt att skapa olika verkligheter och jämföra dem i labbet för att ta reda på om de går att förena.

Och idag säger Massimiliano Proietti vid Heriot-Watt University i Edinburgh och några kollegor att de har utfört detta experiment för första gången: de har skapat olika verkligheter och jämfört dem. Deras slutsats är att Wigner hade rätt – dessa verkligheter kan göras oförenliga så att det är omöjligt att komma överens om objektiva fakta om ett experiment.

Wigners ursprungliga tankeexperiment är i princip okomplicerat. Det börjar med en enda polariserad foton som, när den mäts, kan ha antingen en horisontell polarisation eller en vertikal polarisation. Men före mätningen, enligt kvantmekanikens lagar, existerar fotonen i båda polarisationstillstånden samtidigt – en så kallad superposition.

Wigner föreställde sig en vän i ett annat labb som mätte tillståndet för denna foton och lagrade resultatet, medan Wigner observerade på långt håll. Wigner har ingen information om sin väns mätning och är därför tvungen att anta att fotonen och mätningen av den är i en överlagring av alla möjliga resultat av experimentet.

Wigner kan till och med utföra ett experiment för att avgöra om denna superposition existerar eller inte. Detta är ett slags interferensexperiment som visar att fotonen och mätningen verkligen är i en superposition.

Ur Wigners synvinkel är detta ett faktum - superpositionen existerar. Och detta faktum talar för att en mätning inte kan ha skett.

Men detta står i skarp kontrast till vänns synvinkel, som verkligen har mätt fotonens polarisering och registrerat den. Vännen kan till och med ringa Wigner och säga att mätningen har gjorts (förutsatt att resultatet inte avslöjas).

Så de två verkligheterna står i strid med varandra. Detta ifrågasätter den objektiva statusen för de fakta som fastställts av de två observatörerna, säger Proietti och co.

Det är teorin, men förra året kom Caslav Brukner, vid universitetet i Wien i Österrike, på ett sätt att återskapa Wigners Friend-experimentet i labbet med hjälp av tekniker som involverar intrassling av många partiklar samtidigt.

Genombrottet som Proietti och co har gjort är att genomföra detta. I ett toppmodernt 6-fotonexperiment inser vi detta utökade Wigners vänscenario, säger de.

De använder dessa sex intrasslade fotoner för att skapa två alternativa verkligheter – en som representerar Wigner och en som representerar Wigners vän. Wigners vän mäter polariseringen av en foton och lagrar resultatet. Wigner utför sedan en interferensmätning för att avgöra om mätningen och fotonen är i en superposition.

Experimentet ger ett entydigt resultat. Det visar sig att båda verkligheterna kan samexistera även om de ger oförenliga resultat, precis som Wigner förutspådde.

Det väcker några fascinerande frågor som tvingar fysiker att ompröva verklighetens natur.

Tanken att observatörer i slutändan kan förena sina mätningar av någon form av fundamental verklighet bygger på flera antaganden. Den första är att universella fakta faktiskt existerar och att observatörer kan enas om dem.

Men det finns andra antaganden också. En är att observatörer har friheten att göra vilka observationer de vill. Och en annan är att de val en observatör gör inte påverkar de val andra observatörer gör – ett antagande som fysiker kallar lokalitet.

Om det finns en objektiv verklighet som alla kan enas om, så håller alla dessa antaganden.

Men Proietti och cos resultat tyder på att objektiv verklighet inte existerar. Experimentet antyder med andra ord att ett eller flera av antagandena – idén om att det finns en verklighet vi kan enas om, idén att vi har valfrihet eller idén om lokalitet – måste vara fel.

Naturligtvis finns det en annan utväg för dem som hänger på den konventionella synen på verkligheten. Det här är att det finns något annat kryphål som försöksledarna har förbisett. Faktum är att fysiker har försökt täppa till kryphål i liknande experiment i flera år, även om de medger att det kanske aldrig kommer att vara möjligt att täppa till dem alla.

Ändå har arbetet viktiga konsekvenser för forskarnas arbete. Den vetenskapliga metoden bygger på fakta, fastställda genom upprepade mätningar och överenskomna universellt, oberoende av vem som observerade dem, säger Proietti och co. Och ändå i samma tidning undergräver de denna idé, kanske ödesdigert.

Nästa steg är att gå längre: att konstruera experiment som skapar alltmer bisarra alternativa verkligheter som inte går att förena. Vart detta tar oss är någons gissning. Men Wigner och hans vän skulle säkert inte bli förvånade.

Ref: arxiv.org/abs/1902.05080 : Experimentellt förkastande av observatörsoberoende i kvantvärlden

Dölj