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量子物理:客观现实或许并不存在

  来源:原理 ,作者Fedrizzi

  事实是主观的

  另类事实就像病毒一样在全社会蔓延,现在看来,甚至科学也被它们所浸染,至少在量子领域就是这样。这听起来似乎有违直觉。毕竟科学方法是建立在有据可查的观察、测量,以及可复制的概念之上的。一个通过测量确定的事实应该是客观的,且所有的观测者都能对其达成共识的。

  但在一篇近期发表于《科学进展》杂志上的论文中,有物理学家指出,在由量子力学的奇异规则所支配的原子和粒子的微观世界中,两个不同的观测者可以“看到”各自的事实。换句话说,根据我们所拥有的最好的自然构造理论——量子理论来看:事实实际上是主观的。

  思想实验

  观测者是量子世界中的强大玩家。根据量子理论,粒子可以同时处于多个地方或多种状态,也就是所谓的叠加态。但奇怪的是,这只发生在它们没有被观测的情况下。当对一个量子系统进行观测时,叠加态就会被打破,坍缩到一个特定的位置或者特定的状态。我们已经在实验室中多次验证自然界的这种行为。

  1961年,物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一项颇能激起争议的思想实验。他提出,如果将量子力学应用到一个被观测的观测者身上,会发生什么。他假想了这样一个场景:维格纳的一个朋友在一个封闭的实验室中抛掷一枚量子硬币,这枚硬币处于正面和反面的叠加态。每次当朋友抛掷这枚硬币后,他都能观测到一个明确的结果。可以说,朋友的操作创建了一个事实,那就是抛掷硬币会得出要么正面要么反面的确定结果。

○维格纳的朋友实验。A。 封闭盒子中是维格纳的朋友和他要抛掷的硬币。B。 对于站在盒子外的维格纳来说,朋友和硬币处于一种叠加的纠缠态。| 图片来源:Massimiliano Proietti et。 al。/ Science○维格纳的朋友实验。A。 封闭盒子中是维格纳的朋友和他要抛掷的硬币。B。 对于站在盒子外的维格纳来说,朋友和硬币处于一种叠加的纠缠态。| 图片来源:Massimiliano Proietti et。 al。/ Science

  在实验室之外的维格纳无法得知这一事实,而根据量子力学,他必须将朋友和硬币描述为实验的所有可能结果的叠加。因为它们以一种诡异的方式连接在一起,相互“纠缠”,如果你操纵其中一个,也就操纵了另一个。理论上讲,维格纳现在可以通过“干涉实验”来验证这种叠加,这是一种量子测量方法,它能解开整个系统的叠加,从而确认两个物体的确是纠缠在一起的。

  当维格纳和他的朋友在事后对抛掷硬币的结果交换意见时,他的朋友会坚持认为自己在每次抛硬币时都看到了明确的结果。然而,当维格纳观测到“朋友”和“硬币”处于叠加状态时,他就无法认同朋友的这种观点。这就让问题陷入了两难。朋友眼中的现实与外界的现实并不一致。

  维格纳最初并没有把这个问题当成一个悖论,他认为把一个有意识的观测者描述成一个量子对象是很荒谬的。然而后来的他摒弃了这一观点,根据量子力学来看,这种描述是完全可行的。

  一个实验

  长期以来,这个场景一直停留在作为一个有趣的思想实验阶段。但它能反映现实吗?这一问题在科学上几乎没有取得什么进展,直到最近,维也纳大学的物理学家Časlav Brukner的理论表明,在一定假设下,维格纳的想法可被用于正式证明——量子力学中的测量对观测者来说是主观的。

  Brukner提出了一种验证这一概念的方法,他将维格纳所假想的场景转换成了由物理学家约翰·贝尔(John Bell)在1964年首次建立的一个理论框架:Brukner考虑了两对“维格纳与朋友”,分别将他们置于两个不同的盒子里,在各自的盒子里和盒子外对共有的状态进行测量。然后,所有的这些结果最终可以结合起来用于评估“贝尔不等式”。如果不等式被违反,那么观测者们可能就见证了不同的事实。

  现在,赫瑞-瓦特大学的物理学家用由三对纠缠光子组成的小型量子计算机,第一次用实验对Brukner的想法进行了验证:一对光子代表硬币;另一对用于在各自的盒子里“抛掷硬币”,也就是测量光子的偏振;在两个盒子之外,两边各有两个可以进行测量的光子。

  尽管研究人员使用的是最先进的量子技术,但要从6个光子中收集足够的数据还是花费了他们数周的时间才产生足够的统计数据。最终,研究人员成功地证明了量子力学或许确实与客观事实的假设不相容——他们的结果违反了贝尔不等式。

  有趣的未来

  然而,这一理论是基于一些假设的。比如它假设观测结果是不受超光速信号的影响的,它也假设观测者可以自由选择进行何种测量。这有可能就是事实,但也可能不是。

(责任编辑:东莞网)

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