Когда Вселенная замечает наш взгляд: парадокс квантовой механики

В конце 1970-х годов легендарный физик Джон Уилер предложил радикальный вопрос: когда Вселенная замечает, что мы наблюдаем за квантовым экспериментом? И действительно ли это имеет значение? Ответ противоречит всему, что мы думали, что знаем.

Эксперимент Уилера, который в конечном итоге стал реальным экспериментом, включал в себя знаменитый эксперимент с двумя щелями. Допустим, у вас есть источник света и экран с двумя тонкими вертикальными щелями. Когда вы пропускаете свет через щели, свет ведет себя как волна. Он взаимодействует с собой, создавая на дальней стенеripple-подобный узор, с полосами яркости, чередующимися с темнотой. Это именно так, как работают волны, и если вы когда-нибудь окажетесь в гавани с двумя узкими отверстиями, вы увидите волны, накатывающиеся на берег с подобным узором.

Теперь давайте скажем, что вы делаете свет очень слабым - настолько слабым, что в конечном итоге только один фотон проходит через двойную щель за раз. Удивительно, но каждый отдельный фотон ведет себя как частица - он попадает в дальней стену в одном определенном месте - но после того, как достаточно фотонов прибудет, тот же узор интерференции возникает. Обычный вывод состоит в том, что волновая природа одного фотона взаимодействует с собой, чтобы создать узор.

Теперь давайте добавим еще один слой. Допустим, вы вводите детектор в щели, чтобы выяснить, через какую щель проходит фотон на самом деле на своем пути через экран. Когда вы это делаете, волновая природа фотона исчезает. Вы видите, через какую щель проходит фотон - но он всегда ведет себя как частица, и вы никогда не получаете узор интерференции на дальней стене.

Когда мы проектируем квантовый эксперимент, мы должны выбрать, будете ли мы исследовать волновую или корпускулярную природу фотонов - но мы не можем сделать и то, и другое. Хорошо, это странно. Но пока это стандартная квантовая странность.

Уилер поднял ставки. Он спросил, что произойдет, если вы введете задержку. Что если вы введете детектор в щели после того, как фотон уже прошел через?

Уилер предложил полезную аналогию. Представьте себе далекий источник света, как квазар, который отправляет свет, путешествующий миллиарды световых лет. Некоторый из этого света идет прямо к нам, в то время как некоторые лучи следуют изогнутому пути через гравитационную линзу, как массивный кластер. Оба луча прибывают на Землю в одно и то же время, и мы можем установить эксперимент, чтобы взаимодействовать с этими лучами. В этом эксперименте мы можем выбрать, чтобы изучить либо волновую, либо корпускулярную природу света.

Уилер угадал ответ. Он был прав, и его правильность была позже подтверждена экспериментами. Даже когда мы делаем задержанный выбор, фотоны каким-то образом отслеживают это и изменяют, будут ли они создавать узор интерференции.

Как это работает? Мы делаем свой выбор на последнем этапе путешествия света. Как фотоны "знали", какой выбор мы собираемся сделать заранее? Казалось бы, наш выбор в будущем вернулся назад во времени, чтобы изменить, как фотоны вели себя в прошлом.

Обновленная версия эксперимента, известная как "задержанный квантовый стиратель", делает это еще более безумным. В этом эксперименте фотоны проходят через щели. Затем эксперимент решает, будет ли он контролировать щели. Долго после того, как фотоны ударили по экрану, экспериментатор решает прочитать информацию. Если экспериментатор читает информацию о том, через какую щель прошел фотон, никогда не будет узора интерференции. Если эксперимент выбрасывает информацию, узор интерференции возникает.

Помните, все это происходит после того, как фотон уже ударил по экрану.

Уилер научил нас, как думать об этом. Он утверждал, что не имеет смысла говорить о фотонах "в полете". У нас есть только измерения и наблюдения - окончательные результаты наших экспериментов. Порядок событий и то, что произошло во время эксперимента, не имеют значения. Фотоны не действительно находятся в полете в том смысле, в котором мы об этом думаем, и волновая-корпускулярная двойственность фотонов не имеет смысла в том смысле, в котором мы обычно об этом думаем.

Что мы получаем, либо частицы, либо волны, - это то, что мы получаем. И только когда мы делаем это измерение, природа раскрывает нам, какой аспект реальности показать.