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量子实验被证明!你所认为的客观事实并不存在

还记得薛定谔的猫吗?这个轰动全球的量子力学思维实验至今被人们所称道。

著名物理学家薛定谔在1935年提出了这个非常有趣的实验:在一个封闭的盒子里,有一只活猫及一瓶毒药。当衰变发生时,药瓶被打破,猫将被毒死。按照常识,猫可能死了也可能还活着。

虽然在我们普通人看来,猫只有一种结果,那就是死或生,但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。

有趣的是,在1961年,诺贝尔奖得主物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)(此时没有获诺贝尔奖)提出了一项相当超前的思维实验。但是这个实验其实可以看成是薛定谔猫的加强版。这回盒子里还加了一个人,维格纳想要证实将量子力学应用到一个被观察者身上会发生什么。于是他叫了一个朋友在一个封闭的实验室里掷出一枚量子硬币,根据薛定谔猫的同样结果,在量子的世界里硬币的两面都是正面和反面的叠加。但是对于他朋友来说,他们都观察到一个明确的结果。也就是说维格纳的朋友证实了一个事实:掷硬币的结果肯定是正面或反面。而不是叠加。

但是维格纳跟他的朋友不一样,他无法从外界得知这个事实,根据量子力学,他必须把朋友和硬币描述成实验所有可能结果的叠加。这是因为它们是“纠缠”的,后来,当维格纳和他的朋友交换意见时,他的朋友会坚持认为,他们在每次抛硬币时都看到了明确的结果。然而,当维格纳观察到“朋友”和“硬币”处于叠加状态时,这种观点就被否定了。朋友眼中的现实与外界的现实是不一致的。维格纳最初并不认为这是一个悖论,因为他认为把一个有意识的观察者描述成一个量子对象是荒谬的。然而,他后来抛弃了这一观点,根据量子力学的正规教科书,这种悖论是完全正确的。

而近日在最近发表在《科学进展》上的一篇论文中表示,量子力学的规则支配着原子和粒子的微观世界中,比如抛硬币实验中,两个不同的观察者都有着自己的事实。换句话说,事实实际上是主观的,而客观现实并不存在。也就是说,这取决于观察者的角度,根据这一理论,粒子可以同时处于多个地方或状态,也就是说薛定谔猫生死态共存的现象,这被称为叠加。但当你试图观察一个量子系统时,它会选择一个特定的位置或者打破叠加的状态。事实上,类似的实验已经在实验室中被多次证实——例如,著名的双缝实验。

双缝实验在量子力学中是尤为著名,它是一种演示光子或电子等微观物体的波动性与粒子性的实验。在这种更广义的实验里,微观物体可以同时通过两条路径或通过其中任意一条路径,从初始点抵达最终点。这两条路径的程差促使描述微观物体物理行为的量子态发生相移,因此产生干涉现象。使用双缝实验与各种不同衍生的变版来检试单独粒子的物理行为,这方法已成为经典的思想实验,因为它能够清楚地探讨量子力学的核心谜题,它演示出对于实验结果的理论预测能力所不可避免的基础极限。

在最新的研究中,科学家首次在爱丁堡的赫瑞瓦特大学用三对纠缠光子组成的小型量子计算机进行了实验。第一对光子代表硬币,另外两个用于测量光子的偏振。在两个盒子之外,两边各有两个光子也可以测量。尽管使用了最先进的量子技术,但仅从6个光子中收集足够的数据就需要数周时间,从而生成足够的统计数据。幸运的是,研究成功地证明了量子力学可能确实与客观事实的假设不相容,事实在客观上并不存在。

因此,这个实验表明,我们需要重新思考对于量子力学客观性的概念。我们在宏观世界中所经历的事实是绝对的,但现有的量子力学解释如何能适应主观事实?这是一个重要的问题。

量子力学的发展革命性地改变了人们对物质的结构以及其相互作用的认识,即便是未来,它的发展也将是未来科学领域的一大主流。

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