Om ett träd faller i en skog och ingen är där för att höra det, gör det ett ljud? Kanske inte, vissa säger.

Och om någon är där för att höra det? Om du tror att det betyder det så klart gjorde göra ett ljud, du kanske måste revidera den åsikten.

Vi har hittat en ny paradox inom kvantmekaniken - en av våra två mest grundläggande vetenskapliga teorier, tillsammans med Einsteins relativitetsteori – det ställer tvivel på några sunt förnuftiga idéer om fysisk verklighet.

Kvantmekanik vs sunt förnuft

Ta en titt på dessa tre påståenden:

1. När någon ser en händelse inträffar, den verkligen hände.
2. Det är möjligt att göra fria val, eller åtminstone, statistiskt slumpmässiga val.
3. Ett val gjort på ett ställe kan inte omedelbart påverka en avlägsen händelse. (Fysiker kallar detta "lokal.")

Dessa är alla intuitiva idéer, och allmänt trott även av fysiker. Men vår forskning, publicerad i Naturfysik , visar att de inte alla kan vara sanna – eller så måste kvantmekaniken själv gå sönder på någon nivå.

Detta är det starkaste resultatet hittills i en lång rad upptäckter inom kvantmekaniken som har förhöjt våra idéer om verkligheten. För att förstå varför det är så viktigt, låt oss titta på den här historien.

Kampen om verkligheten

Kvantmekaniken fungerar extremt bra för att beskriva beteendet hos små föremål, såsom atomer eller ljuspartiklar (fotoner). Men det beteendet är ... väldigt märkligt.

I många fall, kvantteorin ger inga säkra svar på frågor som "var är den här partikeln just nu?" Istället, det ger bara sannolikheter för var partikeln kan hittas när den observeras.

För Niels Bohr, en av grundarna av teorin för ett sekel sedan, det är inte för att vi saknar information, men för att fysiska egenskaper som "position" faktiskt inte existerar förrän de mäts.

Och vad mer, eftersom vissa egenskaper hos en partikel inte kan observeras perfekt samtidigt – såsom position och hastighet – kan de inte verklig samtidigt.

Ingen mindre figur än Albert Einstein fann denna idé ohållbar. I en artikel från 1935 med andra teoretiker Boris Podolsky och Nathan Rosen, han hävdade att det måste finnas mer i verkligheten än vad kvantmekaniken kunde beskriva.

Artikeln betraktade ett par avlägsna partiklar i ett speciellt tillstånd som nu är känt som ett "entangled" tillstånd. När samma egenskap (säg, position eller hastighet) mäts på båda intrasslade partiklar, resultatet kommer att vara slumpmässigt – men det kommer att finnas en korrelation mellan resultaten från varje partikel.

Till exempel, en observatör som mäter positionen för den första partikeln kunde perfekt förutsäga resultatet av att mäta positionen för den avlägsna, utan att ens röra den. Eller så kan betraktaren välja att förutsäga hastigheten istället. Detta hade en naturlig förklaring, de bråkade, om båda egenskaperna fanns innan de mättes, tvärtemot Bohrs tolkning.

Dock, 1964 fann den nordirländska fysikern John Bell att Einsteins argument gick sönder om du utförde en mer komplicerad kombination av annorlunda mätningar på de två partiklarna.

Bell visade att om de två observatörerna slumpmässigt och oberoende väljer mellan att mäta en eller annan egenskap hos sina partiklar, som position eller hastighet, de genomsnittliga resultaten kan inte förklaras i någon teori där både position och hastighet var redan existerande lokala egenskaper.

Det låter otroligt, men experiment har nu slutgiltigt visat att Bells korrelationer förekommer. För många fysiker, detta är bevis på att Bohr hade rätt:fysikaliska egenskaper existerar inte förrän de mäts.

Men det väcker den avgörande frågan:vad är det som är så speciellt med en "mätning"?

Observatören, observerade

1961, den ungersk-amerikanske teoretiska fysikern Eugene Wigner utarbetade ett tankeexperiment för att visa vad som är så knepigt med idén om mätning.

Han övervägde en situation där hans vän går in i ett tätt tillslutet labb och utför en mätning på en kvantpartikel - dess position, säga.

Dock, Wigner märkte att om han tillämpade kvantmekanikens ekvationer för att beskriva denna situation utifrån, resultatet blev helt annorlunda. Istället för att kompisens mätning gör partikelns position verklig, ur Wigners perspektiv blir vännen intrasslad med partikeln och infekterad av den osäkerhet som omger den.

Detta liknar Schrödingers berömda katt, ett tankeexperiment där ödet för en katt i en låda trasslar in sig i en slumpmässig kvanthändelse.

För Wigner, detta var en absurd slutsats. Istället, han trodde att när en observatörs medvetande blir involverad, förvecklingen skulle "kollaps" för att göra vänns observation bestämd.

Men tänk om Wigner hade fel?

Vårt experiment

I vår forskning, vi byggde på en utökad version av Wigners vänparadoxen, först föreslog av Časlav Brukner vid universitetet i Wien. I detta scenario, det finns två fysiker – kallar dem Alice och Bob – var och en med sina egna vänner (Charlie och Debbie) i två avlägsna labb.

Det finns en annan twist:Charlie och Debbie mäter nu ett par intrasslade partiklar, som i Bell-experimenten.

Som i Wigners argument, kvantmekanikens ekvationer säger oss att Charlie och Debbie borde trassla in sig i sina observerade partiklar. Men eftersom dessa partiklar redan var intrasslade med varandra, Charlie och Debbie borde själva trassla in sig – i teorin.

Men vad innebär det experimentellt?

Vårt experiment går till så här:vännerna går in i sina labb och mäter sina partiklar. Någon gång senare, Alice och Bob slår varsitt mynt. Om det är huvuden, de öppnar dörren och frågar sin vän vad de såg. Om det är svansar, de utför en annan mätning.

Denna annorlunda mätning ger alltid ett positivt utfall för Alice om Charlie är intrasslad med sin observerade partikel på det sätt som Wigner beräknat. Likaså för Bob och Debbie.

I varje realisering av denna mätning, dock, varje registrering av deras väns observation inne i labbet blockeras från att nå den yttre världen. Charlie eller Debbie kommer inte ihåg att ha sett något inne i labbet, som om jag vaknade från total bedövning.

Men hände det verkligen, även om de inte kommer ihåg det?

Om de tre intuitiva idéerna i början av denna artikel är korrekta, varje vän såg ett verkligt och unikt resultat för sin mätning i labbet, oberoende av om Alice eller Bob senare bestämde sig för att öppna sin dörr eller inte. Också, vad Alice och Charlie ser borde inte bero på hur Bobs avlägsna mynt landar, och vice versa.

Vi visade att om så var fallet, det skulle finnas gränser för de samband som Alice och Bob kunde förvänta sig att se mellan sina resultat. Vi visade också att kvantmekaniken förutspår att Alice och Bob kommer att se korrelationer som går utöver dessa gränser.

Nästa, vi gjorde ett experiment för att bekräfta de kvantmekaniska förutsägelserna med hjälp av par av intrasslade fotoner. Rollen för varje väns mätning spelades av en av två vägar varje foton kan ta i installationen, beroende på en egenskap hos fotonen som kallas "polarisation". Det är, banan "mäter" polariseringen.

Vårt experiment är bara ett principbevis, eftersom "vännerna" är väldigt små och enkla. Men det öppnar frågan om samma resultat skulle hålla med mer komplexa observatörer.

Vi kanske aldrig kommer att kunna göra detta experiment med riktiga människor. Men vi hävdar att det en dag kan vara möjligt att skapa en avgörande demonstration om "vännen" är en artificiell intelligens på mänsklig nivå som körs i en massiv kvantdator.

Vad betyder det hela?

Även om ett avgörande test kan vara decennier bort, om de kvantmekaniska förutsägelserna fortsätter att gälla, detta har starka implikationer för vår förståelse av verkligheten – ännu mer än Bell-korrelationerna. För en, de korrelationer vi upptäckte kan inte förklaras bara genom att säga att fysikaliska egenskaper inte existerar förrän de mäts.

Nu ifrågasätts den absoluta verkligheten av själva mätresultaten.

Våra resultat tvingar fysiker att ta itu med mätproblemet direkt:antingen skalar inte vårt experiment upp, och kvantmekaniken ger vika för en så kallad "objektiv kollapsteori, " eller så måste ett av våra tre sunt förnuftsantaganden förkastas.

Det finns teorier, som de Broglie-Bohm, som postulerar "handling på avstånd, " där handlingar kan ha omedelbara effekter på andra ställen i universum. detta står i direkt konflikt med Einsteins relativitetsteori.

Vissa söker efter en teori som förkastar valfrihet, men de kräver antingen bakåtriktad kausalitet, eller en till synes konspiratorisk form av fatalism som kallas "superdeterminism".

Ett annat sätt att lösa konflikten kan vara att göra Einsteins teori ännu mer relativ. För Einstein, olika observatörer kan vara oense om när eller var något händer - men Vad händer var ett absolut faktum.

Dock, i vissa tolkningar, såsom relationell kvantmekanik, QBism, eller tolkningen av många världar, händelserna i sig kan bara inträffa i förhållande till en eller flera observatörer. Ett fallen träd som observerats av en kanske inte är ett faktum för alla andra.

Allt detta innebär inte att du kan välja din egen verklighet. För det första, du kan välja vilka frågor du ställer, men svaren ges av världen. Och även i en relationsvärld, när två observatörer kommunicerar, deras verklighet är intrasslad. På så sätt kan en delad verklighet uppstå.

Vilket betyder att om vi båda ser samma träd falla och du säger att du inte kan höra det, du kanske bara behöver en hörapparat.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.