Amicus est Socrates, magister meus, sed magis est amica veritas. «Сократ мне друг, но истина — больший друг» – Платон, ок. 428-348 гг. до н.э.
Amicus Plato, sed magis amica veritas. «Платон мне друг, но истина — больший друг» – Аристотель, Никомахова этика, 350 г. до н.э.
Amicus Plato amicus Aristoteles magis amica veritas. «Платон мне друг, Аристотель мне друг, но истина — больший друг». – Исаак Ньютон, Кембриджская студенческая тетрадь, 1661 г.
Ты мой друг, но что есть истина? – Юджин Вигнер, 1961
Если Исаак Ньютон подытожил афоризмы Платона и Аристотеля в своей студенческой тетради, то ровно 300 лет спустя Юджин Вигнер перевернул это понятие с ног на голову. Хотя я и взял на себя поэтическую вольность, заключив слова Вигнера выше в кавычки, я не знаю, говорил ли он когда-либо эти слова. По сути, он сказал следующее. Представьте себе, что друг Вигнера проводит эксперимент, например, заглядывает внутрь коробки с котом Шрёдингера, чтобы узнать, жив он или нет, тем самым разрушая волновую функцию кота. Вигнер входит в лабораторию и узнает, что его друг заглянул внутрь коробки и разрушил волновую функцию кота. Однако Вигнер не знает результата эксперимента, и поэтому для него волновая функция остается неразрушенной, и кот остается в размытом состоянии суперпозиции, подвешенным между жизнью и смертью. Итак, что есть истина, спросил Вигнер?
Давайте перемотаем время назад в 1930-е годы, когда еврейский венгерский математик Джон фон Нейман ломал голову над смыслом квантовой механики. Он хотел понять, что вызывает коллапс волновой функции, описывающей эволюцию квантовой системы. Нильс Бор предположил, что это измерительные инструменты из макромира, такие как микроскопы или интерферометры, вторгающиеся в микромир атомов и субатомных частиц, вызывают коллапс волновой функции. Бор выдвинул гипотезу, что, поскольку эти большие объекты, такие как микроскопы, подчиняются законам Ньютона, а не законам квантовой механики, их вторжение в микромир крошечных частиц разрушает уникальную квантовую природу частиц, что приводит к коллапсу волновой функции, который уникален для квантовой механики.
Фон Нейман, однако, рассуждал, что все состоит из атомов. Коллекция атомов, так же как и один атом, также описывается волновой функцией. Следовательно, очень большая коллекция атомов, составляющих лабораторный инструмент, должна описываться волновой функцией и подчиняться законам квантовой механики. Продолжая эту линию мысли, фон Нейман пришел к выводу, что все материальные объекты должны описываться волновой функцией, подчиняющейся законам квантовой механики. Следовательно, ни один материальный объект не может вызвать коллапс волновой функции. Это привело его к убеждению, что единственное нематериальное, что нам известно, — это сознание, и оно должно быть виновником. Фон Нейман рассуждал, что, поскольку сознание нематериально, оно не должно подчиняться законам квантовой механики и, следовательно, может быть способно разрушить волновую функцию. Другими словами, по мнению Джона фон Неймана, знание экспериментатора разрушает волновую функцию.
Многим физикам не понравилась эта идея, потому что она отдавала старым картезианским дуализмом, отвергнутым материалистами. Однако Юджин Вигнер, еще один венгерский еврей и физик, получивший Нобелевскую премию, сыгравший ключевую роль в формулировании современной квантовой теории поля, основанной на законах симметрии, был сторонником этой идеи. Исследуя эту идею, он задал сложный вопрос: чье именно знание разрушает волновую функцию? Он предложил следующий мысленный эксперимент. Друг Вигнера проводит эксперимент, пока Вигнера нет в лаборатории. Затем Вигнер входит в лабораторию и спрашивает, что произошло. Его друг говорит ему, что он провел эксперимент, но не сообщает результат эксперимента. По мнению друга Вигнера, он разрушил волновую функцию объекта, который он измерил. По мнению Вигнера, объект все еще находится в состоянии суперпозиции. Вигнер спросил, каково истинное состояние квантово-механического объекта, который, по мнению одного наблюдателя, измерившего его, находится в определенном состоянии, а по мнению другого наблюдателя, находится в состоянии суперпозиции? Это известно как парадокс друга Вигнера.
Вигнер, по сути, спрашивал, является ли коллапс волновой функции абсолютным или относительным. Другими словами, существует ли объективная реальность?
Это интересный метафизический вопрос. Однако можно ли его проверить экспериментально? Оказывается, можно. Если у вас когда-либо были поляризационные солнцезащитные очки, вы можете знать, что фотоны света обладают свойством, называемым поляризацией. Фотон может быть поляризован вертикально или горизонтально. Поляризованные линзы с вертикальной поляризацией пропускают только половину света, отсекая весь свет с горизонтальной поляризацией. Если вы рассматриваете фотон, теоретически он может находиться в одном из двух возможных состояний поляризации — вертикальном или горизонтальном. Квантовая механика, однако, допускает третье состояние — состояние суперпозиции. Прежде чем мы измерим поляризацию фотона, согласно квантовой механике, он находится в состоянии суперпозиции, имея вертикальную и горизонтальную поляризацию. Когда вы измеряете поляризацию этого фотона, его состояние коллапсирует в одно из этих двух состояний — он будет поляризован либо вертикально, либо горизонтально. Что означает, что фотон находится в состоянии суперпозиции? Хорошей иллюстрацией является эксперимент с двумя щелями. Давайте пропустим этот фотон через экран с двумя щелями, одной вертикальной и одной горизонтальной. Если фотон имеет вертикальную поляризацию, он пройдет через вертикальную щель. Если он имеет горизонтальную поляризацию, он пройдет через горизонтальную щель. Однако, если фотон находится в состоянии суперпозиции, он пройдет через обе щели. На экране за первым экраном с двумя щелями будет характерная картина интерференции. С помощью такого эксперимента можно окончательно доказать, находится ли фотон в состоянии суперпозиции или нет.
Перенесемся в 2018 год. Часлав Брукнер из Венского университета в Австрии разработал эксперимент для проверки парадокса друга Вингера путем запутывания нескольких частиц.
Согласно идее Вигнера, его друг проводит эксперимент с фотоном и определяет его поляризацию. Волновая функция фотона коллапсирует в одно из двух возможных состояний, и экспериментатор пишет в своем журнале, что он обнаружил, что фотон имеет вертикальную или горизонтальную поляризацию. Вигнер знает, что его друг провел эксперимент, но не знает результатов. Насколько известно Вигнеру, фотон находится в состоянии суперпозиции. Затем Вигнер проводит интерференционный эксперимент и доказывает, что фотон находится в состоянии суперпозиции, что противоречит выводам его друга. Что есть истина? Может ли существовать объективная реальность, с которой могут согласиться два независимых наблюдателя?
На прошлой неделе Массимилиано Пройетти из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге и его коллеги провели эксперимент, разработанный Брукнером, и проверили парадокс друга Вигнера, запутав шесть фотонов. Они доказали, что две противоречивые реальности могут сосуществовать. Юджин Вигнер был прав; квантовая реальность зависит от наблюдателя. По словам Любавичского Ребе, раввина Менахема Менделя Шнеерсона, «знание наблюдателя создает реальность в объекте». (Likuutei Sichos Том 38, стр. 63).
Давайте теперь вернемся к Мишне, трактат Терумот (4:8). В этой Мишне обсуждается сценарий, когда трума инжир (трума — это часть урожая, отдаваемая коэну-священнику и не разрешенная для потребления тем, кто не является коэном) падает в корзину с обычными инжирами, разрешенными для потребления. Закон гласит, что если соотношение трумы к не-труме составляет 1:100 или меньше, то смесь кошерна, т.е. трума аннулируется в обычной пище. В примере, обсуждаемом в этой Мишне, в корзине ровно 100 не-трумных инжиров — 50 белых и 50 черных. Трумный инжир падает в эту корзину, и вопрос в том, разрешена ли смесь для потребления. См. Инжир или раввин Акива Р. Д. Кагана. По этому вопросу есть три мнения:
- Раввин Йехошуа: Трума [инжир] аннулируется [и смесь разрешена].
- Раввин Элиэзер: Поскольку есть два цвета обычных инжиров, трума [инжир] не аннулируется. Если бы это был белый инжир, он смешался бы только с белыми инжирами, и соотношение менее 1:100 не было бы достигнуто. Аналогично, если бы это был черный инжир, он смешался бы только с черными инжирами, а не с белыми, и соотношение менее 1:100 не было бы достигнуто.
- Раввин Акива: Если цвет трумного инжира был известен, он не аннулируется; если нет, он аннулируется [и разрешен для потребления].
Мнение раввина Элиэзера прямолинейно и легко для понимания — есть два набора инжиров разного цвета, и цветной инжир принадлежит к одному набору или к другому, а не к обоим. Именно мнения раввина Йехошуа и раввина Акивы требуют объяснения. Примечательно, что Иерусалимский Талмуд разъясняет, что раввин Йехошуа согласен с тем, что, если цвет известен, инжир не аннулируется. Раввин Йехошуа, однако, говорит, что если цвет трумного инжира был известен, когда он упал, но впоследствии был забыт, то трумный инжир аннулируется, и смесь разрешена. Раввин Акива, с другой стороны, говорит, что если цвет был известен во время падения, он не будет аннулирован, даже если впоследствии он будет забыт или неизвестен.
Я собираюсь предложить здесь немного другое объяснение, чем то, которое предложил Рб. Каган. Для меня дебаты между раввином Йехошуа и раввином Акивой отражают дебаты о парадоксе друга Вигнера. Мнение раввина Йехошуа отражает мнение Юджина Вигнера о том, что реальность объекта зависит от наблюдателя. Если один наблюдатель не знает цвет (или спин, или поляризацию и т. д.) объекта, то для этого наблюдателя объект находится в состоянии суперпозиции, и его состояние не определено. Вот почему раввин Йехошуа считает, что инжир, цвет которого забыт, находится в состоянии суперпозиции и не принадлежит к определенному набору цветных инжиров, а ко всей смеси. Следовательно, достигается соотношение менее 1:100. Раввин Акива, однако, похоже, верит в объективный коллапс волновой функции. С этой точки зрения, однажды коллапсировав, волновая функция не может быть расколлапсирована.
Хотя последний эксперимент хорошо сочетается с Мишной, он не сулит ничего хорошего для физики, которая основана на понятии независимой от наблюдателя объективной реальности. Этот парадокс легко разрешается в футуристической интерпретации квантовой механики, предложенной мной несколько лет назад (см. О возрасте Вселенной в многомировой интерпретации квантовой механики, в которой я кратко объясняю эту новую интерпретацию и называю ее «время-релятивистской» интерпретацией квантовой механики). В этой интерпретации подчеркивается роль системы отсчета, и значение специальной теории относительности расширяется, чтобы включить квантовую механику. До измерения часы наблюдателя не синхронизированы с часами объекта, и волновая функция отождествляется с неопределенным состоянием, потому что объект находится в будущем времени наблюдателя. Акт измерения синхронизирует часы, перемещая объект в настоящее мгновение для наблюдателя. Из множества будущих возможных состояний актуализируется только одна настоящая реальность. Это то, что происходит с коллапсом волновой функции. Коллапс волновой функции — это просто переход из будущего в настоящее, который мы переживаем каждое мгновение.
В этой интерпретации нет ни парадокса, ни противоречия между разными реальностями. Хотя друг Вигнера измерил поляризацию фотона, тем самым синхронизировав свои часы с часами фотона (т. е. разрушив его волновую функцию и приведя фотон в свое настоящее), для Вигнера, который не знает результатов измерения и который не синхронизировал свои часы с часами фотона, фотон все еще находится в будущем. С 1905 года, когда Альберт Эйнштейн сформулировал свою специальную теорию относительности, было хорошо известно, что не существует универсального «сейчас» и одновременность событий относительна для наблюдателя. В этой интерпретации квантовой механики две реальности не противоречат друг другу; они просто находятся в разных часовых поясах. Таким образом, моя предложенная «футуристическая» интерпретация квантовой механики разрешает противоречие, известное как парадокс друга Вигнера.
