Jacob Hoover
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Alternative Fakten verbreiten sich wie ein Virus in der Gesellschaft. Jetzt scheinen sie sogar die Wissenschaft infiziert zu haben - zumindest das Quantenreich. Dies mag kontraintuitiv erscheinen. Die wissenschaftliche Methode basiert schließlich auf den verlässlichen Vorstellungen von Beobachtung, Messung und Wiederholbarkeit. Eine durch eine Messung festgestellte Tatsache sollte objektiv sein, so dass alle Beobachter damit einverstanden sind.
In einem kürzlich in Science Advances veröffentlichten Artikel zeigen wir jedoch, dass in der Mikrowelt der Atome und Teilchen, die den seltsamen Regeln der Quantenmechanik unterliegt, zwei verschiedene Beobachter Anspruch auf ihre eigenen Tatsachen haben. Mit anderen Worten, nach unserer besten Theorie der Bausteine der Natur selbst können Tatsachen tatsächlich subjektiv sein.
Beobachter sind mächtige Akteure in der Quantenwelt. Nach der Theorie können sich Teilchen an mehreren Orten oder in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden - dies wird als Überlagerung bezeichnet. Aber seltsamerweise ist dies nur dann der Fall, wenn sie nicht beobachtet werden. Wenn Sie ein Quantensystem beobachten, wählt es einen bestimmten Ort oder Zustand aus und bricht die Überlagerung. Die Tatsache, dass sich die Natur so verhält, wurde im Labor mehrfach bewiesen - zum Beispiel im berühmten Doppelspaltexperiment.
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1961 schlug der Physiker Eugene Wigner ein provokatives Gedankenexperiment vor. Er fragte sich, was passieren würde, wenn ein Beobachter, der selbst beobachtet wird, mit der Quantenmechanik konfrontiert wird. Stellen Sie sich vor, ein Freund von Wigner wirft eine Quantenmünze - die sich in einer Überlagerung von Kopf und Zahl befindet - in ein geschlossenes Labor. Jedes Mal, wenn der Freund die Münze wirft, beobachtet er ein bestimmtes Ergebnis. Wir können sagen, dass Wigners Freund eine Tatsache feststellt: Das Ergebnis des Münzwurfs ist definitiv Kopf oder Schwanz.
Wigner hat von außen keinen Zugang zu dieser Tatsache und muss laut Quantenmechanik den Freund und die Münze beschreiben, um alle möglichen Ergebnisse des Experiments zu überlagern. Das liegt daran, dass sie "verwickelt" sind - gruselig miteinander verbunden, so dass Sie, wenn Sie einen manipulieren, auch den anderen manipulieren. Wigner kann diese Überlagerung nun prinzipiell mit einem sogenannten "Interferenzexperiment" verifizieren - einer Art Quantenmessung, mit der Sie die Überlagerung eines gesamten Systems entschlüsseln und bestätigen können, dass zwei Objekte verwickelt sind.
Wenn Wigner und der Freund später Notizen vergleichen, besteht der Freund darauf, dass sie für jeden Münzwurf eindeutige Ergebnisse gesehen haben. Wigner wird jedoch nicht zustimmen, wenn er Freund und Münze in einer Überlagerung beobachtet.
Dies ist ein Rätsel. Die vom Freund wahrgenommene Realität kann nicht mit der äußeren Realität in Einklang gebracht werden. Wigner hielt dies ursprünglich nicht für ein Paradoxon, er argumentierte, es wäre absurd, einen bewussten Beobachter als Quantenobjekt zu beschreiben. Später ist er jedoch von dieser Ansicht abgewichen, und nach formalen Lehrbüchern zur Quantenmechanik ist die Beschreibung vollkommen gültig.
Das Experiment
Das Szenario ist seit langem ein interessantes Gedankenexperiment. Aber spiegelt es die Realität wider? Wissenschaftlich hat diesbezüglich bis vor kurzem nur geringe Fortschritte erzielt, als Časlav Brukner von der Universität Wien zeigte, dass Wigners Idee unter bestimmten Voraussetzungen verwendet werden kann, um formal zu beweisen, dass Messungen in der Quantenmechanik für Beobachter subjektiv sind.
Brukner schlug einen Weg vor, diesen Begriff zu testen, indem er das Wigner-Freundeszenario in einen Rahmen übersetzte, den der Physiker John Bell 1964 erstmals etablierte. Brukner betrachtete zwei Paare von Wigners und Freunden in zwei getrennten Kästchen, die Messungen an einem gemeinsamen Zustand durchführten - innerhalb und außerhalb ihrer jeweiligen Box. Die Ergebnisse können zusammengefasst werden, um letztendlich zur Bewertung einer sogenannten "Bell-Ungleichung" verwendet zu werden. Wenn diese Ungleichheit verletzt wird, könnten Beobachter alternative Fakten haben.
Wir haben diesen Test nun zum ersten Mal experimentell an der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh auf einem kleinen Quantencomputer durchgeführt, der aus drei Paaren verschränkter Photonen besteht. Das erste Photonenpaar repräsentiert die Münzen, und die anderen beiden werden verwendet, um den Münzwurf - Messen der Polarisation der Photonen - in ihrer jeweiligen Box durchzuführen. Außerhalb der beiden Boxen verbleiben auf jeder Seite zwei Photonen, die ebenfalls gemessen werden können.
Trotz der Verwendung modernster Quantentechnologie dauerte es Wochen, bis genügend Daten von nur sechs Photonen gesammelt wurden, um genügend Statistiken zu erstellen. Schließlich gelang es uns jedoch zu zeigen, dass die Quantenmechanik tatsächlich mit der Annahme objektiver Tatsachen unvereinbar sein könnte - wir haben die Ungleichung verletzt.
Die Theorie basiert jedoch auf einigen Annahmen. Dazu gehört, dass die Messergebnisse nicht durch Signale beeinflusst werden, die über die Lichtgeschwindigkeit hinausgehen, und dass die Beobachter frei wählen können, welche Messungen durchgeführt werden sollen. Das kann der Fall sein oder auch nicht.
Eine weitere wichtige Frage ist, ob einzelne Photonen als Beobachter betrachtet werden können. In Brukners Theorievorschlag müssen Beobachter nicht bewusst sein, sie müssen lediglich in der Lage sein, Fakten in Form eines Messergebnisses zu ermitteln. Ein lebloser Detektor wäre daher ein gültiger Beobachter. Und die Quantenmechanik des Lehrbuchs gibt uns keinen Grund zu der Annahme, dass ein Detektor, der nur wenige Atome klein machen kann, nicht wie ein Photon als Quantenobjekt beschrieben werden sollte. Es ist auch möglich, dass die Standardquantenmechanik nicht bei großen Längen angewendet wird, aber das Testen ist ein separates Problem.
Dieses Experiment zeigt daher, dass wir zumindest für lokale Modelle der Quantenmechanik unseren Begriff der Objektivität überdenken müssen. Die Tatsachen, die wir in unserer makroskopischen Welt erleben, scheinen sicher zu bleiben, aber es stellt sich eine große Frage, wie bestehende Interpretationen der Quantenmechanik subjektive Tatsachen berücksichtigen können.
Einige Physiker betrachten diese neuen Entwicklungen als unterstützende Interpretationen, die es ermöglichen, dass mehr als ein Ergebnis für eine Beobachtung auftritt, beispielsweise die Existenz paralleler Universen, in denen jedes Ergebnis auftritt. Andere sehen darin einen überzeugenden Beweis für intrinsisch beobachterabhängige Theorien wie den Quantenbayesianismus, in denen die Handlungen und Erfahrungen eines Agenten zentrale Anliegen der Theorie sind. Wieder andere nehmen dies als starken Hinweis darauf, dass die Quantenmechanik möglicherweise über bestimmten Komplexitätsskalen zusammenbricht.
Dies sind eindeutig alles zutiefst philosophische Fragen nach der fundamentalen Natur der Realität. Was auch immer die Antwort sein mag, es erwartet Sie eine interessante Zukunft.
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht unter Die Unterhaltung. Die Veröffentlichung trug den Artikel zu 's bei Expertenstimmen: Op-Ed & Insights.