Почти 60 лет назад лауреат Нобелевской премии физик Юджин Вигнер в мысленном эксперименте уловил одну из многих странностей квантовой механики. Он представил своего друга, запертого в лаборатории, который измеряет такую ​​частицу, как атом, в то время как Вигнер стоит снаружи. Известно, что квантовая механика позволяет частицам занимать множество мест одновременно — так называемая суперпозиция, — но наблюдение друга «коллапсирует» частицу только в одну точку. Тем не менее, для Вигнера суперпозиция остается: коллапс происходит только тогда, когда он некоторое время спустя производит измерение. Хуже того, Вигнер также видит друга в суперпозиции. Их переживания напрямую противоречат друг другу.

Теперь исследователи из Австралии и Тайваня предлагают, пожалуй, самую яркую демонстрацию реальности парадокса Вигнера. В исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Nature Physics, они превращают мысленный эксперимент в математическую теорему, подтверждающую непримиримое противоречие, лежащее в основе сценария. Команда также проверяет теорему с помощью эксперимента, используя фотоны в качестве заместителей людей. В то время как Вигнер считал, что для разрешения парадокса требуется, чтобы квантовая механика перестала работать в больших системах, таких как люди-наблюдатели, некоторые авторы нового исследования считают, что нечто столь же фундаментальное находится на тонком льду: объективность. Это может означать, что не существует такой вещи, как абсолютный факт, такой же верный для меня, как и для вас.

 «Это немного сбивает с толку», — говорит соавтор Нора Тишлер из Университета Гриффита. «Результат измерения — это то, на чем основана наука. Если почему-то это не совсем так, трудно представить».

По словам Дастина Лазаровича, физика и философа из Лозаннского университета, не входившего в команду физиков, которые отвергли мысленные эксперименты, подобные эксперименту Вигнера, как интерпретирующее пристальное вглядывание в пупок, исследование показывает, что в реальных экспериментах могут возникнуть противоречия. «В газете очень много говорится о том, чтобы говорить на языке тех, кто пытался просто обсудить фундаментальные проблемы, и таким образом, может заставить по крайней мере некоторых лиц столкнуться с ними», — говорит он.

Мысленный эксперимент Вигнера привлек к себе больше внимания в последние годы. В 2015 году Часлав Брукнер из Венского университета проверил наиболее интуитивный способ обойти парадокс: друг в лаборатории на самом деле видел частицу в том или ином месте, а Вигнер просто еще не знает, что это такое. На жаргоне квантовой теории результат друга — это скрытая переменная.

Брукнер исключил этот вывод в собственном мысленном эксперименте, использовав трюк, основанный на квантовой запутанности, чтобы вывести скрытую переменную на поверхность. Он представил, как создать две пары друг-Вигнер и дать каждой частицу, запутанную со своим партнером таким образом, что их атрибуты при измерении коррелируются. Каждый друг измеряет частицу, каждый Вигнер измеряет друга, измеряя частицу, и два Вигнера сравнивают свои записи. Процесс повторяется. Если бы друзья увидели определенные результаты — как вы могли подозревать, — собственные выводы Вигнеров показали бы только слабую корреляцию. Но вместо этого они обнаруживают образец сильной корреляции. «Вы сталкиваетесь с противоречиями», — говорит Брукнер. Его эксперимент и аналогичный эксперимент Даниэлы Фраучигер и Ренато Реннера из ETH Zürich в 2016 году вызвали поток статей и горячие дискуссии на конференциях.

Но в 2018 году Ричард Хили, философ физики из Университета Аризоны, указал на лазейку в мысленном эксперименте Брукнера, которую Тишер и ее коллеги закрыли. В своем новом сценарии они делают четыре предположения. Во-первых, результаты, полученные друзьями, реальны: их можно комбинировать с другими измерениями, чтобы сформировать общий корпус знаний. Они также предполагают, что квантовая механика универсальна и применима как для наблюдателей, так и для частиц; что выбор, который делают наблюдатели, свободен от особых предубеждений, вызванных божественным супердетерминизмом; и что физика локальна, свободна от всего, кроме самой ограниченной формы «жуткого действия» на расстоянии.

Однако их анализ показывает, что противоречия парадокса Вигнера сохраняются. Настольный эксперимент команды, в котором они создали запутанные фотоны, также подтверждает парадокс. Оптические элементы направляли каждый фотон по пути, который зависел от его поляризации: эквивалент наблюдений друзей. Затем фотон попал во второй набор элементов и детекторов, которые играли роль Вигнера. Команда снова обнаружила непримиримое несоответствие между друзьями и Вигнерами. Более того, они точно изменили степень запутанности частиц и показали, что несоответствие происходит для других условий, чем в сценарии Брукнера. «Это показывает, что у нас действительно есть что-то новое», — говорит Тишлер.

Это также указывает на то, что одно из четырех предположений должно дать результат. Немногие физики считают, что в этом виноват супердетерминизм. Некоторые считают локальность слабым местом, но ее неудача была бы очевидной: действия одного наблюдателя повлияли бы на результаты другого даже на больших расстояниях — более сильный вид нелокальности, чем тот тип квантовых теоретиков, который часто считают. Поэтому некоторые ставят под сомнение принцип, согласно которому наблюдатели могут эмпирически объединять свои измерения. «Есть факты для одного наблюдателя и факты для другого; им не нужна сетка», — предлагает соавтор исследования и физик Гриффит Говард Уайзман. Это радикальный релятивизм, который до сих пор многих раздражает. «С классической точки зрения то, что каждый видит, считается объективным, независимо от того, что видят другие», — говорит Олимпия Ломбарди, философ физики из Университета Буэнос-Айреса.

Кроме того, есть вывод Вигнера о том, что сама квантовая механика не работает. Из предположений это наиболее непосредственно проверяется экспериментами, исследующими квантовую механику во все больших масштабах. Но единственная позиция, которая не выдерживает анализа, — это отсутствие позиции, говорит другой соавтор из Университета Гриффита, Эрик Кавальканти. «Большинство физиков думают: «Это просто философская ахинея», — говорит он. «Им придется нелегко».