Вигнердің досы: Кванттық физикадағы ой эксперименті

Кіріспе

Теориялық кванттық физикадағы ой эксперименті

Вигнердің досы – теориялық кванттық физикадағы ой эксперименті, оны венгр-американдық физик Юджин Вигнер алғаш рет 1961 жылы жариялаған, ал 1985 жылы Дэвид Дойч одан әрі дамытқан.

Бастапқы парадокс

Вигнер бұл ой-экспериментті 1961 жылы "Ақыл-дене мәселесіне қатысты ескертулер" атты мақаласында енгізді.

Көп әлемдер түсіндірмелері

Көптеген әлемдер түсіндірмесінің әртүрлі нұсқалары сананың құлдырауды тудыратынын жорамалдау қажеттілігін жоққа шығарады, тіпті құлдыраудың мүлдем болатынын жоққа шығарады. Хью Эверетт III-тің докторлық диссертациясы «Кванттық механиканың салыстырмалы күйі» бүгінгі көптеген әлемдер түсіндірмелерінің негізі болып табылады. Эверетт өзінің еңбегінің кіріспе бөлімінде Уигнердің досы парадоксының «күлкілі, бірақ өте гипотетикалық драмасын» талқылайды. Эверетттің диссертациясының алғашқы нұсқасында оқиғаның суретінің бар екеніне дәлелдер бар. Сондықтан, Эверетт бұл мәселенің алғашқы жазбаша талқылауын «Ай мен дене мәселесі туралы ескертулерде» талқыланғанға дейін төрт немесе бес жыл бұрын жасаған. Жаңа теориясының аясында Эверетт Уигнердің досы парадоксын ғаламның толқындық функциясының үздіксіз біртұтас уақыт бойынша эволюциясына ғана рұқсат беру арқылы шеше аламын деп мәлімдейді. Алайда, Эверетттің осы тақырыпта жазбаша дәлелдері табылмады. Көптеген әлемдер түсіндірмелерінде өлшеулер ғаламның ішкі жүйелері арасындағы өзара әрекеттесу ретінде модеделденеді және ғаламдық күйдің тармақтануы ретінде көрінеді. Әртүрлі тармақтар әртүрлі өлшем нәтижелерін қамтиды және тиісті бақылаушылардың субъективті тәжірибелері ретінде қарастырылады. Осы көзқарас бойынша, достың спинді өлшеуі әлемнің екі параллель әлемге бөлінуіне әкеледі: біреуінде дос спинді 1 деп өлшеген, ал екіншісінде өлшеу нәтижесі 0 болып тіркелген. Егер Вигнер кейінірек дос пен спин жүйесінің біріктірілген жүйесін өлшесе, әлем қайтадан екі параллель бөлікке бөлінеді.

QBизм және Байестің түсіндірмелері

QBism деп аталатын, Н. Дэвид Мермин және басқалар қолдайтын түсіндірмеде Вигнердің досы жағдайы парадокс тудырмайды, себебі ешбір жүйе үшін бірегей дұрыс толқындық функция болмайды. Оның орнына, толқындық функция – жеке тұлғалық Байес ықтималдығының мәлімдемесі, және толқындық функциялар кодтайтын ықтималдықтар, оларды сезінуші агент үшін жеке тәжірибелерге қатысты ықтималдықтар болып табылады. Джейнс бұл тұрғыда былай дейді: "Тығыздық матрицасы (яғни, ықтималдық таратуы) «физикалық жай-күйі» және «абсолютті» нәрсе деп есептесек ғана парадокс пайда болады. Бірақ ықтималдықтарға қатысты «туыстық принципін» мойындағанда бұл қиындық жоғалады. Тығыздық матрицасы (немесе классикалық физикада координаталар мен импульстар бойынша ықтималдық таратуы) физикалық жағдайды емес, мүмкін болатын физикалық жағдайлар туралы білімнің белгілі бір деңгейін көрсетеді". Ал фон Баер былай түсіндіреді: «Толқындық функциялар электрондарға байланысты болмайды және әулиелердің басының үстіндегі сәулелер сияқты олармен бірге жүрмейді – оларды агенттер тағайындайды және агенттің қолда бар толық ақпаратына тәуелді». Осылайша, Вигнер мен оның досының бір жүйеге әртүрлі толқындық функцияларды тағайындауында ешқандай кемшілік жоқ. Брукнер де осыған ұқсас пікірде, ол Вигнердің досы сценарийін кеңейту арқылы оны қолдайды.

Де Бролье-Бом теориясы

Де Брогли-Бом теориясы, Бом механикасы немесе пилоттық толқын теориясы деп те аталады, толқын функциясынан өзге, тіпті байқалмаған кезде де бар бөлшектердің нақты конфигурациясын постулаттайды. Бұл бөлшектердің конфигурациясы уақыт бойынша детерминистік заңға сәйкес эволюциялайды, ал толқын функциясы бөлшектердің қозғалысын басшылыққа алады. Бөлшектердің конфигурациясы нақты өлшеу нәтижесін анықтайды – мысалы, Шредингердің мысығы тірі ме, өлі ме, немесе Вигнердің досы 0 немесе 1 өлшеген, тіпті толқын функциясы суперпозиция болған жағдайда да. Шындығында, Де Брогли-Бом теориясына сәйкес, толқын функциясы фундаменталды деңгейде ешқашан құлдырамайды. Дегенмен, көптеген жағдайларда нақты бөлшектердің конфигурациясын басқармайтын толқын функциясының "бос тармақтарын" практикалық тұрғыдан елемеуге болады, осыған негізделіп тиімді құлдырау концепциясы пайда болады. Де Брогли-Бом теориясы саналы бақылаушыларға ешқандай артық мәртебе бермейді. Вигнердің досы жағдайында алғашқы өлшеу тиімді құлдырауға алып келеді. Бірақ егер Вигнер досының күйін суперпозиция ретінде сипаттаса да, бұл дос бөлшектердің конфигурациясы сипаттағандай нақты өлшеу нәтижесін байқағандығымен қайшылық тудырмайды. Осылайша, Де Брогли-Бом теориясына сәйкес, парадокс жоқ, себебі толқын функциясы ғана физикалық күйдің толық сипаттамасы бола алмайды.

Вигнердің досы экспериментінің жалғасы

2016 жылы Фраухигер мен Реннер кванттық теорияны кванттық теорияны қолданатын агенттер болып табылатын физикалық жүйелерді модельдеу үшін қолдануға болмайды деген тұжырымға келді, осы үшін Вигнердің досы сценарийін кеңейтті. Авторлардың өз нәтижелерін түсіндіруі айқын: оқулықта келтірілген және бүгінгі күнге дейін көптеген зертханалық тәжірибелерде қолданылған кванттық теория "өзін-өзі тұрақты түрде сипаттай алмайды" кез келген (гипотетикалық) жағдайда. Нәтижелердің салдары қазіргі уақытта теориялық және эксперименттік кванттық механика саласындағы физиктер арасында көптеген пікірталастарға себеп болып отыр. Әсіресе, кванттық механиканың әртүрлі түсіндірмелерін жақтаушылар Фраухигер-Реннер тұжырымының дұрыстығына күмән келтіруде. Эксперимент Вигнер мен Харди ұсынған аргументтердің үйлесімімен жасалған (Хардидің парадоксына қараңыз). Жүйеде белгілі бір уақыт ретімен алдын ала белгіленген кванттық өлшемдерді жүргізетін макроскопиялық агенттер (байқаушылар) бар. Бұл агенттердің эксперименттің барлық кезеңдерінен хабардар және басқа адамдардың өлшем нәтижелері туралы мәлімдеме жасау үшін кванттық теорияны қолдана алады деп есептеледі. Ой экспериментінің құрылымы әр түрлі агенттердің байқаулары мен кванттық теориялық талдаудан алынған логикалық қорытындыларының үйлесімсіздікке әкелетін мәлімдемелерді тудыратындай етілген. Сценарий шамамен екі жұп "Вигнерлер" және олардың достарына сәйкес келеді: әрбір дос белгілі бір спин жүйесін өлшейді, ал әр Вигнер "өз" досының зертханасын өлшейді (дос соның ішінде). Әрбір агент өз өлшем нәтижелеріне негізделген логикалық қорытындылар жасайды, хаттамадағы басқа агенттердің өлшемдері туралы болжамдар жасауға тырысады. Фраухигер мен Реннер үш шарттың бір мезгілде орындалуы жағдайында қарама-қайшылық пайда болады деп санайды. Бұл шарттар шамамен: (Q): Кванттық теория дұрыс. (C): Агенттердің болжамдары ақпараттық тұрғыдан дұрыс. (S): Өлшем тек бір ғана нәтиже береді. Нақтырақ айтқанда, (Q) шарты кванттық теориядағы ықтималдықтарды болжауды қамтиды, олар Борн ережесімен берілген. Бұл агенттің өз өлшем нәтижесіне байланысты басқа нәтижелерге ықтималдықтарды тағайындау кезінде осы ереже дұрыс екеніне сенуіне мүмкіндік береді. Дегенмен, кеңейтілген Вигнердің досы эксперименті үшін Борн ережесінің ықтималдығы 1 болатын жағдайлар үшін жарамдылығы жеткілікті, яғни болжамды сенімділікпен жасау мүмкін болса. (S) шарты агент белгілі бір өлшем үшін белгілі бір нәтижеге 1-ге тең ықтималдық тағайындағаннан кейін, сол өлшем үшін басқа нәтижеге келісе алмайтынын көрсетеді. (C) шарты әр түрлі агенттердің мәлімдемелеріндегі үйлесімділікті келесідей талап етеді: "Мен білемін (теория бойынша), олар да біледі (сол теория бойынша) x" деген мәлімдеме "Мен x білемін" дегенмен тең. Агенттер басқа агенттердің өлшем нәтижелерін талқылағанда (Q) және (S) шарттарын қолданады, ал агенттер басқа агенттердің мәлімдемелерін өздерінікімен біріктіргенде (C) шарты қолданылады. Нәтижесі қарама-қайшылықты болғандықтан, (Q), (C) және (S) шарттарының барлығы бірдей орындала алмайды, демек, теорема жоқ.

In 2016, Frauchiger and Renner used an elaboration of the Wigner's friend scenario to argue that quantum theory cannot be used to model physical systems that are themselves agents who use quantum theory. the authors' interpretation of their result is apparent: Quantum theory as given by the textbook and used in the numerous laboratory experiments to date "cannot consistently describe the use of itself" in any given (hypothetical) scenario. The implications of the result are currently subject to many debates among physicists of both theoretical and experimental quantum mechanics. In particular, the various proponents of the different interpretations of quantum mechanics have challenged the validity of the Frauchiger–Renner argument. The experiment was designed using a combination of arguments by Wigner and Hardy (see Hardy's paradox). The setup involves a number of macroscopic agents (observers) performing predefined quantum measurements in a given time order. Those agents are assumed to all be aware of the whole experiment and to be able to use quantum theory to make statements about other people's measurement results. The design of the thought experiment is such that the different agents' observations along with their logical conclusions drawn from a quantum theoretical analysis yields inconsistent statements. The scenario corresponds roughly to two parallel pairs of "Wigners" and friends: with and with The friends each measure a specific spin system, and each Wigner measures "his" friend's laboratory (which includes the friend). The individual agents make logical conclusions that are based on their measurement result, aiming at predictions about other agent's measurements within the protocol. Frauchiger and Renner argue that an inconsistency occurs if three assumptions are taken to be simultaneously valid. Roughly speaking, those assumptions are
(Q): Quantum theory is correct. (C): Agent's predictions are information theoretically consistent. (S): A measurement yields only one single outcome. More precisely, assumption (Q) involves the probability predictions within quantum theory given by the Born rule. This means that an agent is allowed to trust this rule being correct in assigning probabilities to other outcomes conditioned on his own measurement result. It is, however, sufficient for the extended Wigner's friend experiment to assume the validity of the Born rule for probability 1 cases, i. e., if the prediction can be made with certainty. Assumption (S) specifies that once an agent has arrived at a probability 1 assignment of a certain outcome for a given measurement, they could never agree to a different outcome for the same measurement. Assumption (C) invokes a consistency among different agents' statements in the following manner: The statement "I know (by the theory) that they know (by the same theory) that x" is equivalent to "I know that x". Assumptions (Q) and (S) are used by the agents when reasoning about measurement outcomes of other agents, and assumption (C) comes in when an agent combines other agent's statements with their own. The result is contradictory, and therefore, assumptions (Q), (C) and (S) cannot all be valid, hence the no go theorem.

Ойлану

Фраухигер-Реннер ой экспериментінің мәні мен салдары қызу талқылауда. Аргументте қолданылған бірқатар негізгі болжамдар мазмұнына қарай өте маңызды, сондықтан олардан оңай бас тарту қиын. Дегенмен, аргументте ашық айтылмаған "жасырын" болжамдар бар ма деген сұрақ туындайды. Авторлар өздері "кванттық теорияны күрделі жүйелерге, кем дегенде, тікелей жолмен қолдануға болмайды" деген қорытындыға келді. Квизим, реляциялық кванттық механика және Де Броль-Бом теориясы Фраухигер мен Реннердің кеңейтілген Вигнердің досы сценарийы ұсынған қайшылықтан қашуға мүмкіндік береді деп саналады.

Көркем шығармаларда

Стивен Бакстердің "Timelike Infinity" (1992) романы Вигнердің досы ой экспериментінің бір түрін, "Вигнердің достары" деп өздерін атаған босқындар тобы арқылы талқылайды. Олар, әлемнің соңындағы соңғы бақылаушы барлық мүмкін араласқан толқындық функцияларды, ғаламның пайда болуынан бері қалыптасқандарды күйрете алады деп сендіреді, осылайша қанаусыз шындықты таңдайды.