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新量子悖论


量子理论适用于所有尺度吗?甚至包括观察者的尺度?1961年,诺奖得主、物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了这样一个疑问:如果将量子力学应用到一个正在被观察的观察者身上,会发生什么

在他的思想实验中,他想象自己的一个朋友(被观察的观察者)被关在了一个密闭的实验室中,这个朋友在里面抛掷一枚处于正面与反面的叠加态量子硬币,每当朋友完成抛掷,硬币的叠加态就会坍缩到要么正面、要么反面的状态,因此朋友总能观测到一个明确的结果;但是处于实验室之外的维格纳对此却一无所知,对他来说,这种叠加仍然存在,他需要将朋友和硬币描述为实验的所有可能结果的叠加。

接下来,当维格纳和朋友在事后对抛掷结果交换意见时,会发现他的朋友认为自己在每次抛硬币时都看到了明确的结果,而维格纳观测到的却是“朋友”和“硬币”的叠加态。他们的经验彼此冲突,无法就观测结果达成共识。于是问题便陷入了两难,形成了一个悖论:朋友眼中的现实与外界的现实不一致。

最近,一项新发表于《自然-物理》杂志的研究,为“维格纳的朋友”悖论提供了迄今为止最有利的证明。在新的研究中,来自澳大利亚的物理学家Nora Tischler和她的同事将维格纳的思想实验转变成了一个数学定理,并且利用光子对这一定理进行了实验验证。

2015年,维也纳大学的物理学家Časlav Brukner发展出了一种理论,表明在一定假设下,维格纳的朋友的悖论可被用于证明量子力学中的测量对观测者来说是主观的。

在Brukner的思想实验中,他使用了两对纠缠的“维格纳与维格纳的朋友”,每个维格纳的朋友都有一个粒子,接着这两个朋友分别被置于两个不同的密闭实验室中,在各自的实验室中对各自的粒子进行测量。实验室外的两个维格纳则对相应的正在测量粒子的朋友进行测量,然后两个维格纳相互交换答案,重复这个过程。如果两个朋友所看到的是明确的结果,两个维格纳所发现的结果之间按道理只应显示出微弱的相关性;但是,维格纳们所发现的是一种高度相关的模式。这就陷入了矛盾之中。

2018年,有研究指出,Brukner的思想实验中存在一个漏洞。而Tischler和她的合著者在最新的研究中填补了这一漏洞。这是一个与Brukner的思想实验中所设置的假设有关的问题。Brukner的理论基于三个假设:

  1. 在进行测量时,两个朋友所观测到的结果是真实、单一的事件。

  1. 观察者可以自由选择实验设置,进行随机试验。

  1. 一旦做出了自由选择,所产生的结果在宇宙中的扩散速度不会比光速更快。换句话说物理是局部的,在一定距离上没有任何形式的“超距作用”。

这三个基本假设看似是合理的,并且被普遍认为是正确的。而在新的研究中,物理学家发现维格纳的朋友悖论意味着,如果量子力学是通用的,是可以被应用于描述更大的系统——比如观察者的,那么上述三个假设中的其中之一个,必须是错的。

然而,摒弃其中任何一种,都将对我们理解这个世界产生深远的影响。

在实际的实验操作中,他们制造了纠缠的光子“效仿”维格纳与他的朋友。实验装置中的光学器件会根据光子的偏正,将每个光子引到一条路径上——这一部分对应于朋友们所观测到的结果;随后,光子进入另一组扮演维格纳们的角色的探测器中。实验结果表明,朋友组和威格纳组之间存在不可调和的不相容

 
实验装置。| 图片来源:Kok-Wei Bong

更重要的是,通过精确地改变粒子的纠缠程度,研究人员发现这种不相容的出现发生在不同于Brukner所设定的场景之下。这也表明这三个假设中的其中一个必须被舍弃。

问题是否出在“局部性”上?如果要舍弃的是局部性的假设,那就意味着即便两个观察者相距甚远,其中一个观察者的行为会影响到另一个观察者的结果,这似乎不太合理。又或者,一个观察者经历的事实是这样的,另一个观察者经历的事实是那样的,他们不需要互相啮合?这是一种激进的相对主义,许多人对此也难以接受。再或者,是量子力学本身会失效?这种可能性可以通过在更大尺度上进行量子力学实验来验证。但这对大多数物理学家来说,必定是件令人不安的结果。

不过目前来看,新研究中的实验所使用的“观测者”所拥有的“智能性”非常低,它只有两种记忆状态,即一个光子的两种不同路径。因此,在证明悖论中的三个基本假设之一肯定是错误的这一问题上,研究人员只能将这研究称为原理论证,而非决定性证明。

若要更有说服力地证明这一悖论,实验中的观察者需要拥有更高级别的“智能”,比如最好是一个具备人类智能级别的人工智能程序。然而要实现这一点,我们或许还要等上好一段时间。

参考来源:
https://www.sciencemag.org/news/2020/08/quantum-paradox-points-shaky-foundations-reality?utm_campaign=SciMag&utm_medium=Facebook&utm_source=JHubbard
https://news.griffith.edu.au/2020/08/18/new-quantum-paradox-reveals-contradiction-between-widely-held-beliefs/
https://www.nature.com/articles/s41567-020-0990-x

封面图来源:GDJ / Pixabay
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