Введение

Мысленный эксперимент в теоретической квантовой физике

"Друг Вигнера" — это мысленный эксперимент в теоретической квантовой физике, впервые опубликованный венгерско-американским физиком Юджином Вигнером в 1961 году и впоследствии развитый Дэвидом Дойчем в 1985 году.

Первоначальный парадокс

Вигнер представил мысленный эксперимент в статье 1961 года "Замечания о проблеме соотношения сознания и материи".

Интерпретации многих миров

Различные версии интерпретации множества миров позволяют избежать необходимости постулировать, что сознание вызывает коллапс – более того, что коллапс вообще происходит. Докторская диссертация Хью Эверетта III «Формулировка относительного состояния в квантовой механике» служит основой для современных версий интерпретаций множества миров. Во вводной части своей работы Эверетт обсуждает «забавную, но крайне гипотетическую драму» парадокса «друга Вигнера». Следует отметить, что есть свидетельства наличия схемы этого сценария в раннем проекте диссертации Эверетта. Таким образом, именно Эверетт предоставил первое письменное обсуждение этой проблемы за четыре-пять лет до того, как она была затронута в работе «Замечания о проблеме соотношения разума и тела». В контексте своей новой теории Эверетт утверждает, что разрешает парадокс «друга Вигнера», допуская лишь непрерывную унитарную эволюцию волновой функции Вселенной. Однако нет никаких доказательств каких-либо письменных аргументов Эверетта по этой теме. В интерпретациях множества миров измерения моделируются как взаимодействия между подсистемами Вселенной и проявляются в виде ветвления универсального состояния. Различные ветви соответствуют различным возможным исходам измерений и рассматриваются как субъективный опыт соответствующих наблюдателей. Согласно этой точке зрения, измерение спина другом приводит к ветвлению мира на два параллельных мира: в одном друг измерил спин как 1, а в другом – получил результат измерения 0. Если затем Вигнер измерит объединенную систему, состоящую из друга и спиновой системы, мир снова разделится на две параллельные части.

КБизм и байесовские интерпретации

В интерпретации, известной как QBism, которую отстаивает, в частности, N. David Mermin, ситуация с другом Вигнера не приводит к парадоксу, поскольку для любой системы никогда не существует единственно верной волновой функции. Вместо этого волновая функция является выражением персоналистских байесовских вероятностей, причём вероятности, кодируемые волновыми функциями, – это вероятности переживаний, которые также субъективны для переживающего агента. Джейнс выражает это следующим образом: «Парадокс возникает только в том случае, если мы полагаем, что матрица плотности (то есть распределение вероятностей) является чем-то "физически реальным" и "абсолютным". Но эта дилемма исчезает, когда мы признаём "принцип относительности" для вероятностей. Матрица плотности (или, в классической физике, распределение вероятностей по координатам и импульсам) представляет не физическую ситуацию, а лишь определённое состояние знаний о диапазоне возможных физических ситуаций». А как выражается фон Бейер, «волновые функции не привязаны к электронам и не переносятся как нимбы над головами святых – они присваиваются агентом и зависят от всей информации, доступной этому агенту». Следовательно, нет ничего принципиально неправильного в том, что Вигнер и его друг присваивают разные волновые функции одной и той же системе. Схожей позиции придерживается Брукнер, который использует расширенную версию сценария с другом Вигнера для обоснования этой точки зрения.

Теория де Бройля-Бома

Теория Де Брогли — Бома, также известная как механика Бома или теория пилотной волны, постулирует, в дополнение к волновой функции, реальную конфигурацию частиц, которая существует даже когда не наблюдается. Эта конфигурация частиц эволюционирует во времени согласно детерминированному закону, при этом волновая функция направляет движение частиц. Конфигурация частиц определяет фактический результат измерения — например, мертв ли кот Шрёдингера или жив, или какое значение (0 или 1) измерил друг Вигнера — даже если волновая функция находится в состоянии суперпозиции. Действительно, согласно теории Де Брогли — Бома, волновая функция никогда не коллапсирует на фундаментальном уровне. Однако существует понятие эффективного коллапса, основанное на том факте, что во многих ситуациях «пустые ветви» волновой функции, которые не определяют реальную конфигурацию частиц, могут быть проигнорированы для всех практических целей. Теория Де Брогли — Бома не придает какого-либо особого статуса сознательным наблюдателям. В ситуации с другом Вигнера первое измерение приведёт к эффективному коллапсу. Но даже если Вигнер описывает состояние своего друга как суперпозицию, это не противоречит тому, что этот друг наблюдал определённый результат измерения, как это описывается конфигурацией частиц. Таким образом, согласно теории Де Брогли — Бома, парадокса нет, поскольку волновая функция сама по себе не является полным описанием физического состояния.

Расширение эксперимента "друг Вигнера"

В 2016 году Фраухигер и Реннер использовали развитие сценария «друг Вигнера», чтобы утверждать, что квантовая теория не может быть использована для моделирования физических систем, которые сами являются агентами, использующими квантовую теорию. Интерпретация авторов их результата очевидна: квантовая теория, как она представлена в учебниках и используется в многочисленных лабораторных экспериментах на сегодняшний день, «не может последовательно описывать использование самой себя» в любом заданном (гипотетическом) сценарии. Последствия этого результата в настоящее время являются предметом многочисленных дискуссий среди физиков, занимающихся как теоретической, так и экспериментальной квантовой механикой. В частности, различные сторонники различных интерпретаций квантовой механики оспаривают обоснованность аргумента Фраухигера — Реннера. Эксперимент был разработан с использованием комбинации аргументов Вигнера и Харди (см. парадокс Харди). В установке используется ряд макроскопических агентов (наблюдателей), выполняющих предопределенные квантовые измерения в заданном временном порядке. Предполагается, что все агенты осведомлены о ходе эксперимента и способны использовать квантовую теорию для формулирования утверждений о результатах измерений других. Конструкция мысленного эксперимента такова, что наблюдения различных агентов, наряду с их логическими выводами, полученными в результате квантово-теоретического анализа, приводят к противоречивым утверждениям. Сценарий приблизительно соответствует двум параллельным парам «Вигнеров» и их друзей: с и с. Друзья каждый измеряют определенную спиновую систему, а каждый Вигнер измеряет лабораторию «своего» друга (включая самого друга). Индивидуальные агенты делают логические выводы, основанные на результатах своих измерений, стремясь к прогнозированию измерений других агентов в рамках протокола. Фраухигер и Реннер утверждают, что возникает противоречие, если три предположения считаются одновременно справедливыми. Грубо говоря, эти предположения: (Q): Квантовая теория верна. (C): Прогнозы агентов информационно-теоретически согласованы. (S): Измерение дает только один единственный исход. Более точно, предположение (Q) включает в себя вероятностные прогнозы в рамках квантовой теории, задаваемые правилом Борна. Это означает, что агент может доверять этому правилу при присвоении вероятностей другим исходам, обусловленным его собственным результатом измерения. Однако для расширенного эксперимента «друг Вигнера» достаточно предположить справедливость правила Борна для случаев вероятности 1, то есть, если предсказание можно сделать с уверенностью. Предположение (S) указывает, что как только агент пришел к присвоению вероятности 1 определенному исходу для данного измерения, он никогда не согласится на другой исход для того же измерения. Предположение (C) подразумевает согласованность между утверждениями различных агентов следующим образом: утверждение «Я знаю (по теории), что они знают (по той же теории), что x» эквивалентно «Я знаю, что x». Предположения (Q) и (S) используются агентами при рассуждениях об исходах измерений других агентов, а предположение (C) вступает в силу, когда агент объединяет утверждения других агентов со своими собственными. Результат противоречив, и, следовательно, предположения (Q), (C) и (S) не могут быть одновременно справедливыми, отсюда и теорема о невозможности.

Отражение

Смысл и последствия мысленного эксперимента Фраухигера — Реннера активно обсуждаются. Ряд допущений, лежащих в основе аргументации, носят фундаментальный характер и поэтому их трудно отбросить. Тем не менее, остаётся вопрос о наличии "скрытых" предположений, которые не выражены в аргументе явно. Сами авторы заключают, что "квантовая теория не может быть напрямую экстраполирована на сложные системы". QBism, реляционная квантовая механика и теория де Бройля — Бома, как утверждается, позволяют избежать противоречия, возникающего в расширенном сценарии "друг Вигнера", предложенном Фраухигером и Реннером.

В художественной литературе

В романе Стивена Бакстера "Время, подобное бесконечности" (1992) рассматривается вариация мысленного эксперимента "Друг Вигнера" через группу беженцев, самоназвавшихся "Друзьями Вигнера". Они полагают, что окончательный наблюдатель в конце времен может вызвать коллапс всех возможных запутанных волновых функций, возникших с начала Вселенной, тем самым выбрав реальность, свободную от угнетения.