量子物理：客觀現(xiàn)實或許并不存在

事實是主觀的

另類事實就像病毒一樣在全社會蔓延，現(xiàn)在看來，甚至科學(xué)也被它們所浸染，至少在量子領(lǐng)域就是這樣。這聽起來似乎有違直覺。畢竟科學(xué)方法是建立在有據(jù)可查的觀察、測量，以及可復(fù)制的概念之上的。一個通過測量確定的事實應(yīng)該是客觀的，且所有的觀測者都能對其達(dá)成共識的。

但在一篇近期發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的論文中，有物理學(xué)家指出，在由量子力學(xué)的奇異規(guī)則所支配的原子和粒子的微觀世界中，兩個不同的觀測者可以“看到”各自的事實。換句話說，根據(jù)我們所擁有的最好的自然構(gòu)造理論——量子理論來看：事實實際上是主觀的。

思想實驗

觀測者是量子世界中的強大玩家。根據(jù)量子理論，粒子可以同時處于多個地方或多種狀態(tài)，也就是所謂的疊加態(tài)。但奇怪的是，這只發(fā)生在它們沒有被觀測的情況下。當(dāng)對一個量子系統(tǒng)進(jìn)行觀測時，疊加態(tài)就會被打破，坍縮到一個特定的位置或者特定的狀態(tài)。我們已經(jīng)在實驗室中多次驗證自然界的這種行為。

1961年，物理學(xué)家尤金·維格納(Eugene Wigner)提出了一項頗能激起爭議的思想實驗。他提出，如果將量子力學(xué)應(yīng)用到一個被觀測的觀測者身上，會發(fā)生什么。他假想了這樣一個場景：維格納的一個朋友在一個封閉的實驗室中拋擲一枚量子硬幣，這枚硬幣處于正面和反面的疊加態(tài)。每次當(dāng)朋友拋擲這枚硬幣后，他都能觀測到一個明確的結(jié)果?？梢哉f，朋友的操作創(chuàng)建了一個事實，那就是拋擲硬幣會得出要么正面要么反面的確定結(jié)果。

○維格納的朋友實驗。A。 封閉盒子中是維格納的朋友和他要拋擲的硬幣。B。 對于站在盒子外的維格納來說，朋友和硬幣處于一種疊加的糾纏態(tài)。| 圖片來源：Massimiliano Proietti et。 al。/ Science

糾纏

在實驗室之外的維格納無法得知這一事實，而根據(jù)量子力學(xué)，他必須將朋友和硬幣描述為實驗的所有可能結(jié)果的疊加。因為它們以一種詭異的方式連接在一起，相互“”，如果你操縱其中一個，也就操縱了另一個。理論上講，維格納現(xiàn)在可以通過“干涉實驗”來驗證這種疊加，這是一種量子測量方法，它能解開整個系統(tǒng)的疊加，從而確認(rèn)兩個物體的確是糾纏在一起的。

當(dāng)維格納和他的朋友在事后對拋擲硬幣的結(jié)果交換意見時，他的朋友會堅持認(rèn)為自己在每次拋硬幣時都看到了明確的結(jié)果。然而，當(dāng)維格納觀測到“朋友”和“硬幣”處于疊加狀態(tài)時，他就無法認(rèn)同朋友的這種觀點。這就讓問題陷入了兩難。朋友眼中的現(xiàn)實與外界的現(xiàn)實并不一致。

維格納最初并沒有把這個問題當(dāng)成一個悖論，他認(rèn)為把一個有意識的觀測者描述成一個量子對象是很荒謬的。然而后來的他摒棄了這一觀點，根據(jù)量子力學(xué)來看，這種描述是完全可行的。

一個實驗

長期以來，這個場景一直停留在作為一個有趣的思想實驗階段。但它能反映現(xiàn)實嗎?這一問題在科學(xué)上幾乎沒有取得什么進(jìn)展，直到最近，維也納大學(xué)的物理學(xué)家?aslav Brukner的理論表明，在一定假設(shè)下，維格納的想法可被用于正式證明——量子力學(xué)中的測量對觀測者來說是主觀的。

貝爾不等式

Brukner提出了一種驗證這一概念的方法，他將維格納所假想的場景轉(zhuǎn)換成了由物理學(xué)家約翰·貝爾(John Bell)在1964年首次建立的一個理論框架：Brukner考慮了兩對“維格納與朋友”，分別將他們置于兩個不同的盒子里，在各自的盒子里和盒子外對共有的狀態(tài)進(jìn)行測量。然后，所有的這些結(jié)果最終可以結(jié)合起來用于評估“”。如果不等式被違反，那么觀測者們可能就見證了不同的事實。

現(xiàn)在，赫瑞-瓦特大學(xué)的物理學(xué)家用由三對糾纏光子組成的小型量子計算機，第一次用實驗對Brukner的想法進(jìn)行了驗證：一對光子代表硬幣;另一對用于在各自的盒子里“拋擲硬幣”，也就是測量光子的偏振;在兩個盒子之外，兩邊各有兩個可以進(jìn)行測量的光子。

盡管研究人員使用的是最先進(jìn)的量子技術(shù)，但要從6個光子中收集足夠的數(shù)據(jù)還是花費了他們數(shù)周的時間才產(chǎn)生足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。最終，研究人員成功地證明了量子力學(xué)或許確實與客觀事實的假設(shè)不相容——他們的結(jié)果違反了貝爾不等式。

有趣的未來

然而，這一理論是基于一些假設(shè)的。比如它假設(shè)觀測結(jié)果是不受超光速信號的影響的，它也假設(shè)觀測者可以自由選擇進(jìn)行何種測量。這有可能就是事實，但也可能不是。

另一個重要的問題是——單光子是否可被視為是觀測者。在Brukner所提出的理論中，觀測者并不需要具有意識，但它們必須能夠以測量結(jié)果的形式創(chuàng)立事實。因此，一個沒有生命的探測器可以是一個有效的觀測者。根據(jù)教科書版的量子力學(xué)，我們沒有理由認(rèn)為探測器(可被制造成只有幾個原子大小)不應(yīng)該被描述成像光子一樣的量子物體。也有可能標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)并不適用于大尺度，但驗證卻是另一個問題。

因此，這個實驗表明，至少對于量子力學(xué)的局域模型來說，我們需要重新思考客觀性的概念。雖然我們在宏觀世界中所體驗的事實似乎并不會受到這一研究結(jié)果的影響，但由此引發(fā)的一個主要問題是，現(xiàn)有的量子力學(xué)詮釋要如何適應(yīng)主觀事實。

一些物理學(xué)家認(rèn)為，新的進(jìn)展支持了這樣一種解釋，那就是它允許在一次觀測中出現(xiàn)多種結(jié)果，例如平行宇宙的存在，能讓每種結(jié)果都在其發(fā)生。還有一些物理學(xué)家則將新的進(jìn)展視為是力證具有內(nèi)在觀測者依賴性的理論(如量子貝葉斯理論)的證據(jù)。在量子貝葉斯理論中，主體的行為和經(jīng)驗是這一理論的核心關(guān)注點。但也有人認(rèn)為，這是一個強有力的信號，預(yù)示著或許量子力學(xué)將打破某些復(fù)雜的規(guī)模。

顯然，這些都是一些深刻的關(guān)于現(xiàn)實本質(zhì)的哲學(xué)問題。不論答案是什么，一個有趣的未來都正在等待著我們。（作者Fedrizzi）

關(guān)鍵詞： 量子物理