Wigner's Friend Paradox Revisited

Stellen Sie sich das Universum als die ultimative, unsichtbare Bühne vor, auf der Teilchen ihre Rollen spielen. In der Welt der Quantenmechanik sind die Regeln dieser Bühne berühmt nach ihrer Seltsamkeit. Im Gegensatz zu einem Baseball, der entweder im linken oder im rechten Außenfeld liegt, kann ein Quantenteilchen in einer „Superposition“ sein, was so ist, als wäre es in beiden Feldern gleichzeitig, bis jemand hinsieht. Dieses „Hinschauen“ wird als Messung bezeichnet, und nach den Standardregeln des Spiels zwingt der Akt des Hinschauens das Teilchen dazu, sich für einen einzigen Ort zu entscheiden – ein Prozess, der oft als „Wellenfunktionskollaps“ bezeichnet wird. Aber hier liegt der Haken: Was passiert, wenn die Person, die hinsieht, in einem versiegelten Raum ist und jemand anderes von außen zusieht? Entscheidet sich das Teilchen für einen Ort, wenn die Person im Inneren hinsieht, oder erst, wenn die Person draußen hinsieht? Dieses Rätsel, bekannt als „Wigners Freund“, bereitet Physikern seit Jahrzehnten Kopfzerbrechen, denn es scheint zu suggerisieren, dass zwei Menschen dieselbe Realität betrachten können und dabei zwei völlig unterschiedliche, widersprüchliche Wahrheiten sehen. Wenn die Wissenschaft eine einzige, gemeinsame Realität beschreiben soll, ist dies ein großes Problem.

Ein neues Paper von Peter Reichert und Markus Enz schlägt einen Weg vor, diesen Knoten zu entwirren. Sie schlagen eine leicht angepasste Version der Standardregeln vor, die das Universum als eine einzige, objektive Bühne für alle beibehält, während sie gleichzeitig zugibt, dass das, was wir über die Bühne wissen, von Person zu Person variieren kann. Anstatt dass das Universum seine Meinung ändert, je nachdem, wer hinsieht, schlagen sie vor, dass das Universum eine Entscheidung trifft, sobald eine Messung stattfindet, selbst wenn kein Mensch anwesend ist, um dies zu sehen. Der „Freund“ im Raum sieht ein definites Ergebnis, und der „Wigner“ draußen, der noch nicht hineingeschaut hat, besitzt lediglich unvollständige Informationen über dieses Ergebnis, nicht aber eine andere Realität. Indem sie den Kollaps der Wellenfunktion als ein reales Ereignis behandeln, das dem System selbst widerfährt, und nicht bloß als eine Aktualisierung unseres Wissens, schlagen die Autoren vor, dass wir diese Widersprüche aufhalten können. Sie zeigen, dass die Mathematik funktioniert, wenn man diesen modifizierten Regeln folgt, ohne die Paradoxien zu erzeugen, und sie sagen sogar voraus, dass die Wahrscheinlichkeiten bestimmter Ergebnisse etwas anders wären als in anderen Theorien, was eine Möglichkeit bietet, in der Zukunft zu testen, wer recht hat.

Die Geschichte vom Freund und dem Beobachter

Um zu verstehen, was Reichert und Enz tun, spielen wir ein Spiel namens „Quanten-Verstecken“.

In der klassischen Version dieses Spiels stellen Sie sich vor, ein Freund (nennen wir ihn F) ist in einem schallisolierten, isolierten Labor eingesperrt. Im Inneren besitzt er eine rotierende Münze, die sich in einem magischen Zustand befindet, gleichzeitig Kopf und Zahl zu sein. Er wirft die Münze und sieht das Ergebnis. In seinem Geist ist die Münze definitiv auf Kopf (oder Zahl) gefallen. Er kennt die Wahrheit.

Nun stellen Sie sich vor, Wigner (nennen wir ihn W) steht außerhalb des Labors. Er hat die Tür nicht geöffnet oder hineingeschaut. Nach einigen alten Quantenregeln ist das gesamte Labor – einschließlich seines Freundes und der Münze – aufgrund der Tatsache, dass Wigner noch nicht hingesehen hat, immer noch in einer magischen Superposition aus „Freund sieht Kopf“ und „Freund sieht Zahl“ gleichzeitig. Für Wigner ist der Freund unentschieden. Für den Freund ist der Freund entschieden. Dies ist das Paradoxon: Zwei Personen, die auf dieselbe Situation blicken, sehen zwei verschiedene Realitäten.

Reichert und Enz sagen: „Moment mal. Ändern wir die Regeln ein kleines bisschen.“

Sie schlagen drei Hauptideen vor, um das Spiel zu korrigieren:

1. Das Universum ist ein einziger großer Film: Es gibt nur einen wahren Zustand des Universums, und dieser ändert sich nicht baslich darauf, wer zuschaut. Es ist wie ein Film, der auf einer Leinwand läuft; der Film ändert sich nicht, nur weil Sie eine 3D-Brille tragen oder in der letzten Reihe sitzen.
2. Der „Snap“ geschieht überall: Wenn eine Messung stattfindet (wie etwa wenn der Freund auf die Münze schaut), „schnappt“ das Universum sofort in einen definiten Zustand. Dies geschieht selbst dann, wenn der Freund in einem versiegelten Raum ist und noch niemand anderes davon weiß. Die Beobachtung des Freundes verursacht den Kollaps der Wellenfunktion, genau wie ein reales Ereignis.
3. Wissen ist nicht gleich Realität: Dies ist der wichtigste Teil. Die Autoren ziehen eine scharfe Unterscheidung zwischen dem, was tatsächlich geschieht (der objektive Zustand) und dem, was wir darüber wissen (unser Wissen). Der Freund im Inneren weiß, dass die Münze auf Kopf liegt. Wigner draußenen weiß es noch nicht. Aber Wigners Mangel an Wissen bedeutet nicht, dass die Münze noch immer in der Luft rotiert. Es bedeutet nur, dass Wigner rät. Er hat eine 50/50-Chance, richtig zu raten, aber die Münze liegt bereits auf dem Tisch.

Das erweiterte Spiel: Zwei Freunde, zwei Beobachter

Das Paper wird noch interessanter, wenn die Autoren eine komplexere Version des Spiels betrachten, die von anderen Wissenschaftlern (Frauchiger und Renner) vorgeschlagen wurde. In dieser Version gibt es zwei Labore, zwei Freunde (F und F') und zwei Beobachter (W und W'). Es ist wie ein doppeltes Versteckspiel, bei dem die Freunde sich gegenseitig geheime Notizen zuwerfen.

In der alten, paradoxen Version dieses Spiels deutete die Mathematik darauf hin, dass, wenn alle den Regeln der Quantenmechanik folgen würden, sie schließlich an einen Punkt kämen, an dem sie sich zwar alle über den Aufbau einig sind, aber über das Ergebnis uneinig werden, was die Logik bricht. Es war wie ein Puzzle, bei dem die Teile für jeden perfekt zusammenpassen, außer dass das Bild, das sie sehen, unmöglich ist.

Reichert und Enz führen dieses komplexe Szenario mit ihren neuen Regeln durch. Sie verfolgen den „wahren Zustand“ der Labore und das „Wissen“ der Beobachter Schritt für Schritt.

• Schritt 1: Der erste Freund wirft eine Quantenmünze. Das Universum schnappt zu einem Ergebnis (Kopf oder Zahl). Der Freund kennt das Ergebnis. Die anderen Beobachter kennen es nicht, also halten sie eine Wahrscheinlichkeitsverteilung (eine Vermutung) basierend auf dem, was sie wissen.
• Schritt 2: Das Münzergebnis bestimmt, wie ein zweites Teilchen vorbereitet wird. Der zweite Freund misst dieses Teilchen. Wieder schnappt das Universum zu. Der zweite Freund kennt das Ergebnis. Die anderen aktualisieren ihre Vermutungen.
• Schritt 3: Die äußeren Beobachter (W und W') führen eine spezielle Messung an den gesamten Laboren durch.

Hier geschieht der magische Trick: Da die Autoren davon ausgehen, dass die Wellenfunktion früher kollabiert ist (als die Freunde im Inneren ihre Messungen vornahmen), sieht die Mathematik anders aus als in der paradoxen Version. In der paradoxen Version nehmen die äußeren Beobachter an, dass die Labore noch in einer verschwommenen Superposition sind, was zu einem Widerspruch führt. In dieser neuen Version sind die Labore jedoch bereits in einem definiten Zustand (selbst wenn die Beobachter nicht wissen, welcher es ist).

Wenn sie die Zahlen berechnen, stellen sie fest, dass die Wahrscheinlichkeit, eine spezifische „unmögliche“ Kombination von Ergebnissen zu erhalten, 1/4 (oder 25 %) beträgt. In der alten, paradoxen Analyse lag diese Wahrscheinlichkeit bei 1/12 (etwa 8,3 %).

Warum das wichtig ist

Die Autoren behaupten nicht, dass sie das Geheimnis des Universums für immer gelöst haben. Sie geben zu, dass wir immer noch nicht genau wissen, wie oder warum die Wellenfunktion kollabiert. Sie behandeln den „Kollaps“ vorerst als eine Regel, als einen Platzhalter, bis wir eine tiefere Theorie finden. Aber indem sie diese Regel verwenden, zeigen sie, dass die erschreckenden Widersprüche des Wigners-Freund-Paradoxons verschwinden.

Sie argumentieren, dass das Universum keinen bewussten Beobachter braucht, der „aufwacht“ und entscheidet, was real ist. Die Messung findet statt, der Zustand wird definit, und das Einzige, was sich für den äußeren Beobachter ändert, ist sein Wissen über diesen Zustand.

Das Beste daran? Dies ist nicht nur eine philosophische Debatte. Da ihre neuen Regeln eine andere Wahrscheinlichkeit (1/4 statt 1/12) für bestimmte Ergebnisse vorhersagen, ist diese Idee tatsächlich testbar. Wenn zukünftige Experimente diese spezifischen Ergebnisse mit genügend Präzision messen können, könnten wir vielleicht beweisen, ob das Universum kollabiert, wenn der Freund hinsieht, oder ob es wartet, bis der Beobachter draußen hinsieht.

Wenn Sie also das nächste Mal darüber nachdenken, ob ein Baum ein Geräusch macht, wenn er in einem leeren Wald umfällt, denken Sie an dieses Paper: Der Baum macht wahrscheinlich ein Geräusch (das Universum schnappt zu), aber wenn Sie nicht da sind, um es zu hören, müssen Sie einfach nur raten, welches Geräusch es war. Und dank Reichert und Enz könnten wir bald einen Weg haben, um zu prüfen, ob unsere Vermutung richtig war.