«Друг Вигнера» — мысленный эксперимент в области теоретической квантовой физики, опубликованный физиком Юджином Вигнером в 1961 году Reprinted in , и развитый впоследствии Дэвидом Дойчем в 1985 году. Сценарий предполагает косвенное наблюдение за квантовым измерением: наблюдатель наблюдает за другим наблюдателем, , который выполняет квантовое измерение в физической системе. Затем оба наблюдателя формулируют утверждение о состоянии физической системы после измерения в соответствии с законами квантовой теории. Однако в «ортодоксальной» копенгагенской интерпретации фиксирующие заявления двух наблюдателей противоречат друг другу. Это отражает кажущуюся несовместимость двух законов в копенгагенской интерпретации: детерминированной и непрерывной эволюции состояния замкнутой системы во времени и недетерминированного, прерывистого коллапса состояния системы при измерении. Таким образом, друг Вигнера напрямую связан с проблемой измерения в квантовой механике с её знаменитым парадоксом кота Шредингера.
Были предложены обобщения и расширения друга Вигнера. Два таких сценария с участием нескольких друзей были реализованы в лаборатории, где в качестве «друзей» использовались фотоны.
Оригинальный парадокс Вигнер представил мысленный эксперимент в статье 1961 года «Замечания по вопросу разума и тела». Он начинает с отметки, что некоторые физики недавнего прошлого были убеждёнными материалистами, которые настаивали на том, что «разум» или «душа» иллюзорны и что природа фундаментально детерминистична. Он утверждает, что квантовая физика изменила эту ситуацию:
Все, что претендует на обеспечение квантовой механики, — это вероятностные связи между последующими впечатлениями (также называемыми «апперцепциями») сознания, и даже несмотря на то, что разделительная линия между наблюдателем, на сознание которого оказывается воздействие, и наблюдаемым физическим объектом может быть смещена в сторону то или иное в значительной степени, оно не может быть устранено.
Природа волновой функции Вдаваясь в подробности, Вигнер говорит:
Учитывая любой объект, вся возможная информация об этом объекте может быть задана как его волновая функция. Это математическое понятие, точная природа которого нас здесь не интересует — оно состоит из (счетной) бесконечности чисел. Зная эти числа, можно предвидеть поведение объекта, насколько это возможно. Точнее, волновая функция позволяет предсказать, с какой вероятностью объект произведет на нас то или иное впечатление, если мы позволим ему взаимодействовать с нами прямо или косвенно. […] Фактически, волновая функция является подходящим языком только для описания совокупности знаний, полученных в результате наблюдений, которые важны для прогнозирования будущего поведения системы. По этой причине взаимодействия, которые могут вызвать у нас то или иное ощущение, называются также наблюдениями или измерениями. Человек осознает, что вся информация, которую предоставляют законы физики, состоит из вероятностных связей между последующими впечатлениями, которые система производит на человека, если с ней неоднократно взаимодействуют, то есть если с ней производят повторные измерения. Волновая функция представляет собой удобную сводку той части прошлых впечатлений, которая остаётся актуальной для вероятностей получения различных возможных впечатлений при взаимодействии с системой в более поздние моменты времени.
Волновая функция объекта «существует» (кавычки Вигнера), потому что наблюдатели могут разделять их:
Информация, предоставляемая волновой функцией, является передаваемой. Если кто-то другой каким-то образом определяет волновую функцию системы, он может рассказать мне об этом, и, согласно теории, вероятности возможных различных впечатлений (или «ощущений») будут одинаково велики, независимо от того, взаимодействуем ли он или я с системой заданным образом.
Наблюдение за системой приводит к недетерминированному изменению её волновых функций, поскольку «вхождение впечатления в наше сознание» предполагает пересмотр «вероятностей различных впечатлений, которые мы ожидаем получить в будущем».
Наблюдатель заметил Вигнер представляет два аргумента в пользу тезиса о том, что разум влияет на тело, то есть что человеческое тело может «отклоняться от законов физики», полученных в результате экспериментов над неодушевленными объектами. Аргумент, который лично он считает менее убедительным, стал известен как «друг Вигнера». В этом мысленном эксперименте Вигнер утверждает, что его друг находится в лаборатории, и Вигнер позволяет другу выполнить квантовое измерение физической системы (это может быть спиновая система). Предполагается, что эта система находится в суперпозиции двух различных состояний, скажем, состояния 0 и состояние 1 (или и в обозначениях Дирака). Когда друг Вигнера измеряет систему в базисе 0/1, согласно квантовой механике, он получит один из двух возможных результатов (0 или 1), и система коллапсирует в соответствующее состояние.
Теперь Вигнер сам моделирует сценарий снаружи лаборатории, зная, что внутри его друг в какой-то момент проведет 0/1-измерение физической системы. В соответствии с линейностью квантово-механических уравнений Вигнер припишет состояние суперпозиции всей лаборатории (то есть совместной системе физической системы вместе с другом): Состояние суперпозиции лаборатории тогда представляет собой линейную комбинацию «система есть в состоянии 0/друг измерил 0» и «система находится в состоянии 1/друг измерил 1».
Пусть теперь Вигнер спросит у своего друга результат измерения. Какой бы ответ ни дал друг (0 или 1), Вигнер затем присвоит лаборатории состояние «система находится в состоянии 0/друг измерил 0» или «система находится в состоянии 1/друг измерил 1». Поэтому только в тот момент, когда он узнает о результате своего друга, состояние суперпозиции лаборатории рушится.
Однако, если только Вигнер не рассматривается в «привилегированном положении как окончательный наблюдатель», точка зрения друга должна рассматриваться как равнозначная, и здесь вступает в игру очевидный парадокс : с точки зрения друга, измерение Результат был определен задолго до того, как об этом спросил Вигнер, а состояние физической системы уже рухнуло. Когда именно произошел обвал? Было ли это тогда, когда друг закончил измерение, или когда информация о его результате вошла в сознание Вигнера? Как говорит Вигнер, он мог бы спросить своего друга: «Что вы почувствовали по поводу [результата измерения] до того, как я вас спросил?» Вопрос о том, какой результат увидел друг, наверняка «уже решён в его уме», пишет Вигнер, а это означает, что совместное состояние друга и системы должно быть уже одним из рухнувших вариантов, а не их суперпозицией. Вигнер заключает, что линейная эволюция квантовых состояний во времени согласно уравнению Шрёдингера не может применяться, когда рассматриваемая физическая сущность является сознательным существом.
Вигнер представляет свой второй аргумент, который он считает более убедительным, и гораздо более кратким:
Второй аргумент в пользу существования влияния сознания на физический мир основан на наблюдении, что нам неизвестен ни один феномен, в котором один субъект подвергался бы влиянию другого, не оказывая на него влияния. Автору это кажется убедительным.
Доведение до абсурда По словам физика Лесли Баллентайна, к 1987 году Вигнер решил, что сознание не вызывает физического коллапса волновой функции, хотя он все ещё считал, что его цепочка выводов, приведшая к этому заключению, верна. Как вспоминает Баллентайн, Вигнер считал свой аргумент 1961 года , указывая на то, что постулаты квантовой механики нуждаются в некотором пересмотре.
Ответы в различных интерпретациях квантовой механики
Многомировые интерпретации Различные версии интерпретации множественности миров избегают необходимости постулировать, что сознание вызывает коллапс — более того, что этот коллапс вообще происходит.
Докторская диссертация Хью Эверетта III «Формулировка квантовой механики в относительном состоянии» служит для сегодняшних многочисленных версий многомировых интерпретаций. Во вступительной части своей работы Эверетт обсуждает «забавную, но крайне гипотетическую драму» парадокса друга Вигнера. Обратите внимание, что в раннем наброске диссертации Эверетта есть свидетельства того, что этот сценарий был нарисован.Barrett, J. A., and Byrne, P. (eds.). (2012). The Everett interpretation of quantum mechanics: Collected works 1955—1980 with commentary. Princeton University Press. Поэтому именно Эверетт впервые письменно обсудил эту проблему за четыре или пять лет до того, как она была обсуждена в «Замечаниях по вопросу разума и тела» Вигнером, от которого она впоследствии получила название и известность. Однако, поскольку Эверетт был учеником Вигнера, ясно, что в какой-то момент они, должно быть, обсуждали это вместе.
В отличие от своего учителя Вигнера, который считал сознание наблюдателя ответственным за коллапс, Эверетт понимает сценарий друга Вигнера по-другому: Настаивая на том, что назначения квантовых состояний должны быть объективными и неперспективными, Эверетт выводит прямое логическое противоречие, когда сдача в аренду и позволяет рассуждать о состоянии лаборатории вместе с . Затем сценарий «Друг Вигнера» показывает Эверетту несовместимость постулата коллапса для описания измерений с детерминированной эволюцией закрытых систем. В контексте своей новой теории Эверетт утверждает, что разрешил парадокс друга Вигнера, допустив только непрерывную унитарную эволюцию во времени волновой функции Вселенной. Однако нет никаких свидетельств каких-либо письменных аргументов Эверетта по этой теме.
В многомировых интерпретациях измерения моделируются как взаимодействия между подсистемами Вселенной и проявляются как разветвление универсального состояния. Различные ветви объясняют разные возможные результаты измерений и рассматриваются как субъективный опыт соответствующих наблюдателей. С этой точки зрения измерение вращения другом приводит к разветвлению мира на два параллельных мира: один, в котором друг измерил вращение равным 1, и другой, в котором друг получил результат измерения 0. Если затем Вигнер измерит позднее объединённую систему друга и спиновую систему, мир снова расколется на две параллельные части.
Теории объективного коллапса Согласно теориям объективного коллапса, коллапс волновой функции происходит, когда наложенная система достигает определенного объективного порога размера или сложности. Сторонники объективного коллапса ожидают, что такая макроскопическая система, как кошка, рухнет до того, как ящик будет открыт, поэтому вопрос о наблюдении за наблюдателями для них не возникает. Если бы измеряемая система была намного проще (например, состояние с одним спином), то после проведения наблюдения можно было бы ожидать, что система рухнет, поскольку более крупная система, состоящая из учёного, оборудования и комнаты, считалась бы слишком сложной для того, чтобы ее можно было понять. запутаться в суперпозиции.
Реляционная квантовая механика (RQM) была разработана в 1996 году Карло Ровелли и является одной из новейших интерпретаций квантовой механики . В RQM любая физическая система может играть роль системы наблюдения, которой любая другая система может отображать «факты» о физических переменных. Эта присущая RQM относительность фактов обеспечивает прямое «решение» кажущейся парадоксальной ситуации в сценарии друга Вигнера: состояние, которое друг приписывает вращению, является состоянием относительно себя как друга, тогда как состояние, которое Вигнер приписывает комбинированной системе друга и спина — это состояние относительно самого себя как Вигнера. По построению теории эти два описания не обязательно должны совпадать, поскольку оба являются правильным присвоением состояний относительно соответствующей системы.