Hat die Wissenschaft nur mehrere Realitäten bewiesen? Oh, und jetzt kann die Zeit rückwärts laufen. Ernsthaft.

24 Stunden epische Verrücktheit in der Welt der Quantenphysik

Ich habe auf eine gute Gelegenheit gewartet, dieses Bild zu veröffentlichen, eine offensichtliche Hommage an Heavy Metal!

In den letzten vierundzwanzig Stunden wurden zwei große Fortschritte in der Quantenphysik gemeldet: Erstens berichtet MIT Technology Review, dass die Realität möglicherweise nicht objektiv ist, dass verschiedene Beobachter dasselbe Ereignis beobachten und beide zu 100% Recht haben, was sie gesehen haben (also Natur berichtet, dass Wissenschaftler in Amerika und Russland gezeigt haben, dass die Zeit rückwärts verlaufen kann.

Au! Ja, mein Gehirn Hertz, häufig.

Wenden wir uns zunächst dem weniger bedeutsamen Ereignis zu, der Demonstration, dass die Zeit rückwärts verlaufen kann, und stellen somit eine existenzielle Bedrohung für Newtons zweiten Hauptsatz der Thermodynamik dar:

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der Entropiezustand des gesamten Universums als isoliertes System mit der Zeit immer größer wird. Das zweite Gesetz besagt auch, dass die Veränderungen der Entropie im Universum niemals negativ sein können.

Der Artikel in Nature ist für Nichtwissenschaftler wie mich eine Art Slog, weshalb Newsweek die Dinge für den Rest von uns nachdenklich klarer machte:

In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler aus den USA und Russland experimentell die Zeitumkehr nachgewiesen - indem sie ein Qubit von einem komplizierteren in einen einfacheren Zustand versetzten.
Der Algorithmus, den sie vorschlagen, ändert den Zustand der Quantenentwicklung, sodass er sich in der Zeit zurückentwickelt. "Wenn wir diese Magie mit dem entwickelten Tintenzustand anwenden, werden wir feststellen, dass sich die Tinte nach derselben Zeit (die für das Auflösen der Tinte im Wasser benötigt wird) wieder zu dem ursprünglichen Tropfen zusammenfügt", sagte der Studienautor Andrei Lebedev gegenüber Newsweek. "Genau das haben wir in unserer Arbeit getan, bei der der Tintentropfen den Zustand von drei Qubits und das Wasser den Hilbert-Zustand des Quantencomputers aufweist."

Magie in der Tat.

Diese Studie hat diesen Effekt allerdings nur auf der Quantenebene gezeigt. Bisher gibt es keinen Hinweis darauf, dass dieser Effekt auf etwas über dem Quantenlevel dupliziert werden kann, so dass wir Ehemänner vergessen können, dieses wirklich blöde Ding, das wir gesagt haben, zu sagen, bevor wir die stille Behandlung aus der Hölle bekommen. Mädchen wissen, was ich meine ... aber für Männer, die noch nie eine langfristige Beziehung zu einem Mädchen hatten, lernst du es auf die harte Tour. Das machen wir immer.

Aber ich schweife ab. Da der Effekt nur auf der Quantenebene beobachtet wurde, bis er in die Praxis umgesetzt werden kann, sollten wir ihn in der gleichen Weise sehen wie die Entdeckung des Higgs-Bosons: Er ist unglaublich und hält das „coole Messgerät“ in Schach. , aber noch nicht von praktischem Wert jenseits des wissenschaftlichen Verständnisses. Oder anders ausgedrückt:

Nicht viel. Noch.

Meiner Meinung nach war der Bericht, dass die Realität nicht objektiv ist, sondern dass das, was ein Beobachter in einem Ereignis sieht, buchstäblich in einer anderen Realität ist als das, was ein zweiter Beobachter miterlebt hat, von Bedeutung. Um dies zu erklären, muss man sich eine Weile mit dem Quantenunkraut befassen.

Erinnerst du dich an Schrödingers Katze? Hier ist eine vereinfachte Version von WhatIs.com:

Eine lebende Katze wird zusammen mit einem Hammer, einem Fläschchen Blausäure und einer sehr geringen Menge radioaktiver Substanz in eine Stahlkammer gegeben. Wenn während des Testzeitraums auch nur ein einziges Atom der radioaktiven Substanz zerfällt, löst ein Relaismechanismus den Hammer aus, wodurch die Giftgasflasche zerstört wird und die Katze stirbt
In dem Experiment kann der Beobachter nicht wissen, ob ein Atom der Substanz zerfallen ist oder nicht, und folglich weiß er nicht, ob die Phiole zerbrochen ist und die Katze getötet wurde. Nach dem Quantengesetz der Kopenhagener Interpretation ist die Katze sowohl tot als auch lebendig, bis jemand in die Schachtel schaut. Im Fachjargon der Quantenmechanik wird die Fähigkeit der Katze, sowohl lebend als auch tot zu sein, bis sie beobachtet wird, als Quantenunbestimmtheit oder als Paradoxon des Beobachters bezeichnet. Die Logik hinter dem Paradoxon des Beobachters ist die nachgewiesene Fähigkeit der Beobachtung, die Ergebnisse zu beeinflussen. (fett gedruckt)

Siehst du den letzten Satz? Es ist erwiesen, dass die Beobachtung selbst die Ergebnisse beeinflusst. Wir wissen auch, dass, wenn zwei Teilchen verschränkt sind, wenn sich der Zustand eines Teilchens durch Beobachtung ändert, sich auch das andere verschränkte Teilchen ändert. Denken Sie auch daran, dass es in Bezug auf die Quantenverschränkung keine zeitliche oder räumliche Begrenzung gibt (ja, ein Teilchen kann in der Vergangenheit mit einem anderen Teilchen verschränkt sein). Mit anderen Worten, wenn Sie nachts hinausgehen und die Sterne betrachten, ist das Licht, das Sie sehen, Photonen von Sternen, die viele Lichtjahre entfernt sind. Angenommen, Sie betrachten Betelgeuse, den roten Riesen, der die „rechte Schulter“ der Orion-Konstellation darstellt. Es ist ungefähr 520 Lichtjahre (+/- 73 Jahre) entfernt. Wenn eines dieser Photonen, die auf Ihren Augapfel treffen, mit einem Photon in der brodelnden, kochenden Hölle, die die Oberfläche von Betelgeuse ist, verwickelt ist, hat Ihre Beobachtung des Photons, das auf Ihren Augapfel trifft, nicht nur den Zustand dieses Photons geändert, sondern auch im selben Moment änderte den Zustand seines verstrickten Partnerphotons in der Oberfläche der 520 Lichtjahre entfernten Betelgeuse!

Verwickelte Partikel von Betelgeuse einfach nicht dreimal wechseln!

Ist es dir schon komisch genug? Warten Sie - es wird besser!

Okay, wir haben also festgestellt, dass die Beobachtung eines Quantenteilchens den Zustand dieses Teilchens verändert. Bist du bereit, deinen Verstand zu sprengen? Was passiert, wenn zwei Personen gleichzeitig dasselbe Partikel beobachten?

Das Experiment besteht aus zwei Personen, die ein einzelnes Photon beobachten, die kleinste quantifizierbare Lichteinheit, die unter verschiedenen Bedingungen entweder als Teilchen oder als Welle fungieren kann.
Das Photon kann in einer von zwei Ausrichtungen existieren, aber bis zu dem Moment, an dem jemand es tatsächlich misst, um zu bestimmen, welches Photon existiert, soll es in einer Überlagerung existieren - beide Bedingungen sind gleichzeitig wahr.
Im Gedankenexperiment analysiert ein Wissenschaftler leise das Photon und bestimmt dessen Ausrichtung.
Ein anderer Wissenschaftler, der die Messung des ersten nicht kennt, kann bestätigen, dass das Photon - und damit die Messung des ersten Wissenschaftlers - immer noch in einer Quantenüberlagerung aller möglichen Ergebnisse vorliegt.
Infolgedessen erlebte jeder Wissenschaftler eine andere Realität. Beide sind technisch wahr, obwohl sie nicht übereinstimmen.
Um diese Idee vom Gedankenexperiment in die Realität umzusetzen, wurde ein Versuchsaufbau mit Lasern, Strahlteilern und einer Reihe von sechs Photonen durchgeführt, die von verschiedenen Geräten gemessen wurden, die für die beiden Wissenschaftler standen.
Andere Forscher hatten den Versuchsaufbau laut MIT Tech bereits entwickelt, aber dies war das erste Mal, dass es jemandem gelang, das Experiment durchzuführen.

Zwei unterschiedliche Beobachter, zwei unterschiedliche Ergebnisse, zwei unterschiedliche Realitäten ... und beide haben Recht. Dies ist im Wesentlichen der Beweis für das Gedankenexperiment „Wigners Freund“, wenn jemand noch tiefer in das Unkraut eintauchen möchte.

Aber es wird noch seltsamer! Hier ist eine Frage: Befindet sich nun, da jeder Wissenschaftler eine andere Realität beobachtet hat, eine noch in der gleichen Realität wie zuvor? Oder befinden sich beide in Realitäten, die sich (wenn auch infinitesimal) von derjenigen, die sie vor der Beobachtung dieses Photons geteilt haben, entfernt haben? Die Sache ist, als die Wissenschaftler jeweils die Zustandsänderung dieses einzelnen Photons beobachteten, passierte das Ereignis nicht in einem Vakuum, denn alle Materie und Energie bestehen aus Teilchen und Wellen, die sich ständig ändern. Die Beobachtung von Photonen durch Menschen verändert den Zustand dieser Photonen. Ist jedoch eine menschliche Beobachtung erforderlich, damit sich der Zustand von Photonen oder Partikeln ändert?

Von LiveScience.com: "Die Regeln der Quantenphysik besagen, dass ein unbeobachtetes Photon in allen möglichen Zuständen gleichzeitig existiert, aber, wenn es beobachtet oder gemessen wird, nur einen Zustand aufweist."

Bedeutet das also, dass Quantenteilchen ihren Zustand erst ändern können, wenn sie beobachtet werden? Natürlich nicht.

Die populärste Antwort, die zu der Zeit formuliert wurde, als Schrödinger seine Gleichung erstellte, ist als Kopenhagener Interpretation bekannt. Benannt nach der Heimatstadt eines seiner Pioniere, Niels Bohr, ist der Zustand eines Teilchens vor der Beobachtung von Grund auf unüberwindlich ungewiss. Wenn die Wellenfunktion besagt, dass ein Teilchen hier und da sein könnte, dann ist es wirklich hier und da, wie schwer es auch ist, dies in Bezug auf die Alltagserfahrung zu ergründen. Nur der Blick auf ein Quantenobjekt „kollabiert“ seine Wellenfunktion und schleudert es aus einer schattigen Unterwelt in eine bestimmte Realität.

Der Artikel beschreibt weiterhin Probleme mit der „Kopenhagener Interpretation“ und beschreibt dann drei Alternativen:

Alternativen zum Kopenhagener Bild lassen sich grob in drei Kategorien einteilen. Zum einen ist das Wellenfunktionsbild keine vollständige Beschreibung der Realität. Jahrzehntelange strenge Experimente haben jedoch gezeigt, dass jedes zusätzliche Schnickschnack schneller als das Licht funktionieren müsste, was möglicherweise gegen das grundlegendste Gesetz der Physik verstoßen würde. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass ein Zusammenbruch der Wellenfunktion überhaupt nicht auftritt. Jedes mögliche Ergebnis einer Beobachtung findet tatsächlich in einem eigenen Universum statt. Dies ist die Interpretation "viele Welten" (siehe "Wer hat Schrödingers Katze getötet?").
Die Theorie der vielen Welten schafft auch fast so viele philosophische Probleme, wie sie löst, und so begann Sudarsky mit einer dritten Option: Wellenfunktionen sind reale Dinge und kollabieren tatsächlich - aber zufällig für sich. "Es passiert so etwas wie eine Messung, aber ohne dass jemand wirklich misst", sagt Sudarsky. Es wird kein menschlicher Beobachter benötigt, so dass dieser Prozess als objektiver Zusammenbruch bezeichnet wird.
Ein objektiver Zusammenbruch wäre selten, aber fangend. Warten Sie, bis die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens zusammengebrochen ist, und warten Sie möglicherweise länger als das Alter des Universums. Gruppieren Sie jedoch viele Partikel, und die Chance steigt schnell an. Bei einigen Milliarden Partikeln müssen Sie möglicherweise nur einige Sekunden warten, bis eine Wellenfunktion zusammenbricht - und damit den Rest auslösen. (fett gedruckt)

Der Autor bevorzugt eindeutig die dritte Alternative und macht ein vernünftiges Argument für ihre Richtigkeit.

… Aber das zu Beginn dieses Artikels beschriebene Experiment könnte das zweite gewesen sein, die „Many Worlds Interpretation“ (MWI). Schauen Sie sich die fettgedruckten Sätze oben an: Jedes mögliche Ergebnis einer Beobachtung findet in einem eigenen, separaten Universum statt. Es sollte beachtet werden, dass es unterschiedliche „Versionen“ von MWI gibt und dass diese spezielle Version von MWI 1970 erstmals von Bryce DeWitt beschrieben wurde. Sie besagt im Wesentlichen, dass alles, was passieren kann, geschieht, beginnend auf der Quantenebene (mit Quanten) Teilchen, die ständig in jedem möglichen Zustand existieren) und so jedes einzelne mögliche Ergebnis über der Quantenniveau beeinflussen ... und dass jeder einzelne Zustand jedes existierenden Quantenteilchens in seiner eigenen Realität existiert. Ja, dies würde bedeuten, dass Stephen King die meistverkauften Kinderreime schreibt und Donald Trump, PhD., Ein weltberühmter Astrophysiker / Komiker ist, obwohl er von ALS an einen Rollstuhl gebunden ist. Und er ist mit einem Transgender namens Nancy Pelosi verheiratet und liebt ihn sehr.

Aber warte - es gibt noch mehr! Wenn diese Version von MWI zutrifft, kann es erforderlich sein, dass es für jede unterschiedliche Kombination von Zuständen von Quantenteilchen im Universum eine andere Realität gibt. Mit anderen Worten, das Quantenteilchen Alice hier auf der Erde befindet sich im Zustand 0, während sich das Quantenteilchen Bob in Betelgeuse (oder Andromeda oder wo auch immer) ebenfalls im Zustand 0 befindet, sich aber auch in den Zustand 1 verschiebt… und es würde für jeden eine separate Realität geben Kombination von Alice und Bob, wobei diese Kombinationen immer dann, wenn Alice oder Bob ihren Zustand wieder ändern, noch mehr Zweige der Realität schaffen würden. Und dies geschah mit jedem einzelnen Teilchen oder jeder einzelnen Welle, wenn ein solches Teilchen oder eine solche Welle ihren Zustand ändert, zumindest seit Beginn des Urknalls.

Wenn dies absurd klingt, schauen Sie noch einmal:

Zum ersten Mal haben Massimiliano Proietti und seine Kollegen dieses berühmte quantenphysikalische Gedankenexperiment für sich selbst durchgeführt, indem sie zwei alternative Realitäten geschaffen und diese beiden Welten miteinander verglichen haben. Nach ihrem Experiment stellten die Physiker fest, dass Wigner mit seinem Vorschlag, dass zwei Personen sich über die von ihnen beobachteten Realitäten nicht einig sein können, absolut richtig war, und zeigten, dass auch einfache und objektive Fakten nicht vereinbart werden können. (fett gedruckt)
Wir sind ziemlich lächerlich. Jetzt sind wir kariert! (Entschuldigung an alle, die Spaceballs noch nicht gesehen haben)

Es gibt noch eine letzte Einschränkung (aus demselben Artikel):… Es ist wichtig zu bedenken, dass diese neue Forschung noch nicht von anderen Wissenschaftlern analysiert wurde, aber zweifellos in Zukunft gründlich untersucht werden wird.

Es ist also (noch) nicht sicher, aber wenn es bestätigt wird, kann es durchaus vorkommen, dass Sie, Ihr Ehepartner und Ihre Kinder sich anziehen und Dr. Donald Trump und seine Ehepartnerin / Betreuerin Nancy Pelosi Ihnen die Wunder zeigen aus seinem Rollstuhl in einem Planetarium auf der Südseite von Chicago.

P.S. Ich bin in keiner Weise ein Wissenschaftler, daher sind alle oben genannten Fehler (egal wie dumm oder ungeheuerlich) allein meine. Die Schleudern und Pfeile der empörenden Kommentare werden mit offenen Armen und zusammengebissenen Zähnen begrüßt.