Wigner's Friend Paradox Revisited

Stel je het universum voor als het ultieme, onzichtbare podium waar deeltjes hun rollen spelen. In de wereld van de kwantummechanica zijn de regels van dit podium berucht vreemd. In tegenstelling tot een honkbal die ofwel in het linkerveld of in het rechterveld is, kan een kwantumdeeltje in een "superpositie" zijn, wat betekent dat het in beide velden tegelijkert is totdat iemand kijkt. Dit "kijken" wordt een meting genoemd, en volgens de standaardregels van het spel dwingt de handeling van het kijken het deeltje om een specifieke plek te kiezen, een proces dat vaak "golffunctie-instorting" wordt genoemd. Maar hier komt het lastige deel: wat gebeurt er als de persoon die kijkt zich in een afgesloten kamer bevindt, en iemand anders van buitenaf toekijkt? Kiest het deeltje een plek wanneer de persoon binnen kijkt, of pas wanneer de persoon buiten kijkt? Dit puzzelstukje, bekend als "Wigner's Friend", is decennialang een hoofdpijndossier geweest voor natuurkundigen, omdat het suggereert dat twee mensen naar dezelfde realiteit kunnen kijken en twee volkomen verschillende, tegenstrijdige waarheden kunnen zien. Als de wetenschap bedoeld is om een enkele, gedeelde realiteit te beschrijven, is dit een groot probleem.

Een nieuwe paper van Peter Reichert en Markus Enz suggereert een manier om deze knoop te ontwarren. Ze stellen een aangepaste versie van de standaardregels voor die het universum als een enkel, objectief podium voor iedereen behoudt, terwijl ze toegeven dat wat wij weten over het podium van persoon tot persoon kan verschillen. In plaats van dat het universum van gedachten verandert afhankelijk van wie er kijkt, suggereren zij dat het universum een keuze maakt op het moment dat een meting plaatsvindt, zelfs als er geen mens aanwezig is om het te zien. De "vriend" binnen de kamer ziet een definitief resultaat, en de "Wigner" buiten, die nog niet heeft gekeken, heeft simpelweg onvolledige informatie over dat resultaat, en niet een andere realiteit. Door de instorting van de golffunctie te behandelen als een reële gebeurtenis die plaatsvindt aan het systeem zelf, in plaats van slechts een update van onze kennis, suggereren de auteurs dat we de tegenstrijdigheden kunnen stoppen. Ze laten zien dat als men deze aangepaste regels volgt, de wiskunde werkt zonder de paradoxen, en ze voorspellen zelfs dat de kansen op bepaalde uitkomsten iets anders zouden zijn dan in andere theorieën, wat een manier biedt om in de toekomst te testen wie er gelijk heeft.

Het verhaal van de Vriend en de Toeschouwer

Om te begrijpen wat Reichert en Enz doen, laten we een spelletje "Kwantum-verstoppertje" spelen.

In de klassieke versie van dit spel stel je je een vriend (laten we haar F noemen) voor die opgesloten zit in een geluidsdichte, geïsoleerde laboratoriumruimte. Binnenin heeft ze een draaiende munt die zich in een magische staat bevindt van zowel Kop als Munt tegelijkertijd. Ze werpt de munt en kijkt naar het resultaat. In haar geest is de munt definitief op Kop (of Munt) gevallen. Zij kent de waarheid.

Stel je nu voor dat Wigner (laten we hem W noemen) buiten de labruimte staat. Hij heeft de deur niet geopend of naar binnen gekeken. Volgens sommige oude kwantumregels is, omdat Wigner nog niet heeft gekeken, de hele labruimte — inclusief zijn vriend en de munt — nog steeds in een magische superpositie van "Vriend ziet Kop" en "Vriend ziet Munt" tegelijkertijd. Voor Wigner is de vriend onbeslist. Voor de vriend is de vriend beslist. Dit is de paradox: twee mensen die naar dezelfde situatie kijken, zien twee verschillende realiteiten.

Reichert en Enz zeggen: "Wacht eens even. Laten we de regels een klein beetje veranderen."

Ze stellen drie hoofdideeën voor om het spel te repareren:

1. Het Universum is Eén Grote Film: Er is slechts één ware staat van het universum, en die verandert niet op basis van wie er kijkt. Het is als een film die op een scherm wordt afgespeeld; de film verandert niet alleen omdat je een 3D-bril draagt of achterin de zaal zit.
2. De "Snap" Gebeurt Overal: Wanneer een meting plaatsvindt (zoals de vriend die naar de munt kijkt), "klapt" het universum onmiddellijk in een definitieve staat. Dit gebeurt zelfs als de vriend in een afgesloten kamer is en niemand anders het nog weet. De observatie van de vriend veroorzaakt de instorting van de golffunctie, net als een echte gebeurtenis.
3. Kennis is Verschillend van Realiteit: Dit is het belangrijkste deel. De auteurs maken een scherp onderscheid tussen wat er werkelijk gebeurt (de objectieve staat) en wat wij weten over het (onze kennis). De vriend binnen weet dat de munt op Kop staat. Wigner buiten weet het nog niet. Maar het gebrek aan kennis van Wigner betekent niet dat de munt nog steeds in de lucht draait. Het betekent alleen dat Wigner aan het gokken is. Hij heeft een kans van 50/50 om het goed te raden, maar de munt ligt al op tafel.

Het Uitgebreide Spel: Twee Vrienden, Twee Toeschouwers

De paper wordt nog interessanter wanneer ze kijken naar een complexere versie van dit spel, voorgesteld door andere wetenschappers (Frauchiger en Renner). In deze versie zijn er twee labs, twee vrienden (F en F'), en twee toeschouwers (W en W'). Het is als een dubbel spelletje verstoppertje waarbij de vrienden elkaar een geheim briefje sturen.

In de oude, paradoxale versie van dit spel suggereerde de wiskunde dat als iedereen de regels van de kwantummechanica zou volgen, ze uiteindelijk een punt zouden bereiken waarop ze het allemaal eens zijn over de opzet, maar van mening verschillen over de uitkomst op een manier die de logica breekt. Het was als een puzzel waarbij de stukjes voor iedereen perfect passen, behalve dat het plaatje dat ze zien onmogelijk is.

Reichert en Enz lopen dit complexe scenario door met hun nieuwe regels. Ze volgen de "ware staat" van de labs en de "kennis" van de waarnemers stap voor stap.

• Stap 1: De eerste vriend werpt een kwantummunt. Het universum klapt naar een resultaat (Kop of Munt). De vriend kent het resultaat. De andere waarnemers weten het niet, dus houden zij een waarschijnlijkheidsverdeling aan (een gok) op basis van wat zij weten.
• Stap 2: Het muntresultaat bepaalt hoe een tweede deeltje wordt voorbereid. De tweede vriend meet dit deeltje. Opnieuw klapt het universum. De tweede vriend kent het resultaat. De anderen updaten hun gokken.
• Stap 3: De buitenste toeschouwers (W en W') voeren een speciale meting uit op de gehele labs.

Hier gebeurt de magische truc: Omdat de auteurs ervan uitgaan dat de golffunctie eerder is ingestort (toen de vrienden binnen hun metingen deden), werkt de wiskunde anders dan in de paradoxale versie. In de paradoxale versie gaan de buitenste toeschouwers ervan uit dat de labs nog in een vage superpositie verkeren, wat tot een tegenstrijdigheid leidt. Maar in deze nieuwe versie zijn de labs al in een definitieve staat (zelfs als de toeschouwers niet weten welke).

Wanneer ze de getallen berekenen, vinden ze dat de kans op een specifieke "onmogelijke" combinatie van resultaten 1/4 (of 25%) is. In de oude, paradoxale analyse was die kans berekend als 1/12 (ongeveer 8,3%).

Waarom Dit Ertoe Doet

De auteurs beweren niet dat ze het mysterie van het universum voor altijd hebben opgelost. Ze geven toe dat we nog steeds niet precies weten hoe of waarom de golffunctie instort. Ze behandelen de "instorting" voor nu als een regel, een tijdelijke oplossing totdat we een diepere theorie vinden. Maar door deze regel te gebruiken, laten ze zien dat de angstaanjagende tegenstrijdigheden van de Wigner's Friend-paradox verdwijnen.

Ze betogen dat het universum geen bewuste waarnemer nodig heeft om "wakker te worden" en te beslissen wat echt is. De meting vindt plaats, de staat wordt definitief, en het enige dat verandert voor de buitenste waarnemer is hun kennis van die staat.

Het beste deel? Dit is niet alleen een filosofisch debat. Omdat hun nieuwe regels een andere waarschijnlijkheid voorspellen (1/4 in plaats van 1/12) voor bepaalde uitkomsten, is dit idee ook daadwerkelijk testbaar. Als toekomstige experimenten deze specifieke uitkomsten met voldoende precisie kunnen meten, kunnen we misschien bewijzen of het universum instort wanneer de vriend kijkt, of dat het wacht op de toeschouwer buiten.

Dus, de volgende keer dat je je afvraagt of een boom een geluid maakt als hij valt in een leeg bos, denk dan aan deze paper: de boom maakt waarschijnlijk wel een geluid (het universum klapt), maar als jij er niet bent om het te horen, moet je gewoon gokken wat het geluid was. En dankzij Reichert en Enz hebben we misschien binnenkort een manier om te controleren of onze gok juist was.