《自然》子刊:往薛丁格的貓箱裡加個人,客觀現實還存在嗎?

2020-12-03 澎湃新聞

薛丁格的貓已令人暈頭轉向,1963年諾貝爾物理學獎得主維格納(Eugene Paul Wigner),更是喪心病狂地把他的朋友也塞進那隻虛擬的箱子,和貓關在一起。

這是著名的「維格納朋友」悖論,直指量子力學最根本的觀測問題。對維格納的朋友而言,貓是生是死一目了然,對箱外的維格納而言,貓和他的朋友在箱子打開前都處於疊加態中。兩人對世界的認知分歧了,那客觀現實還存在嗎?

絕大多數物理學家都把這個腦洞視為哲學上的胡言亂語。然而,8月17日,學術期刊《自然-物理學》(Nature Physics)刊登了一篇來自澳大利亞格裡菲斯大學和中國臺灣成功大學的論文,逼迫大家不得不再次直面這個燒腦的問題。

研究人員將「維格納朋友」悖論轉化成數學定理,證明在該場景下確實存在難以調和的衝突。他們更設計了一個實驗,用光學器件來代替維格納和他的朋友,對數學定理進行了驗證。

換句話說,這個世界的絕對客觀性也許並不存在:對你如是,對我不一定亦如是。

「測量結果是科學的根基。如果這都不絕對了,令人難以想像。」論文作者Nora Tischler說道。

維格納的朋友

奧地利著名物理學家薛丁格提出的一個思想實驗已廣為人知:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。在打開容器之前,這隻貓處在既死又活疊加態,直到被觀測的一瞬間才瞬間坍縮成「活貓」或者「死貓」。

描述這個場景,本質上是為了把微觀世界裡的粒子放大成為宏觀世界裡的「貓」。按照量子力學的敘事,粒子可以處於幾種不同狀態的疊加,只有對其進行測量,才會坍縮成其中一個確定的狀態。

而「維格納朋友」悖論,可以理解為維格納給他的朋友套上防毒面具,和貓關在一起。

維格納在1961年提出的表述是讓一個朋友(觀測者)在一個密閉的實驗室裡對粒子進行量子態測量,而維格納(超級觀測者)則站在實驗室外。

對維格納的朋友來說,在他測量的那一刻,粒子的狀態已經確定了。而對維格納來說,粒子和朋友都還處於疊加態上,直到他本人對整個實驗室進行觀測。在同樣一段時空內,兩人對世界的經歷和認知是分歧的。

當然,你可以把維格納也關在他的實驗室裡,自己站在外面觀測,形成套娃效果。

維格納認為,要想解決這個悖論,量子力學就不能適用於像人類這樣的大尺度物體。疊加態在抵達「觀測者」之前依然崩塌。

從腦洞到實驗

雖然聽起來荒誕,但近年來這個悖論重新有了討論熱度。2015年,奧地利維也納大學的aslav Brukner想到了用糾纏光子來設計檢驗實驗。所謂糾纏光子,就是一對互相關聯的光子,不論相隔多遠,如果你對其中一個進行測量,使其坍縮到某個量子態上,那另一個光子也會瞬間坍縮成相對應的那個量子態,

這次,澳大利亞和中國臺灣的研究人員同樣用糾纏光子來設計實驗。他們製備出一對糾纏光子,每個光子都會通過一個光學器件(扮演朋友的角色),根據其偏振方向(一種量子態)進入相應的光路,隨後再次進入一套探測器(扮演維格納的角色)。

結果顯示,「朋友們」和「維格納們」的探測結果之間存在不可調和的矛盾,分歧程度與光子的糾纏程度相符。「這裡面確實有點新東西。」 Tischler說道。

在該實驗結果下,以下三個假設不能同時成立。1、被觀測事件的絕對性。2、無超級決定論,即自由選擇論,沒有什麼「上帝」提前決定了實驗結果。3、局域性,即物理量的影響範圍是有限的。

另一名論文作者Howard Wiseman認為,我們可能不得不放棄第一條假設。「對一個觀測者來說有這些事實,對其他人來說有其他事實,不一定要融合。」

論文在結尾部分也提到,如果未來能用人工智慧和通用量子計算機來模擬維格納朋友悖論,可能會帶來新的挑戰。

法國洛桑大學物理學家、哲學家Dustin Lazarovici則認為,這篇論文最大的價值在於說明了維格納朋友悖論並非鑽牛角尖,而會出現在真實的實驗中,逼迫一部分物理學家直面這件事。

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  • 《自然》子刊:往薛丁格的貓箱裡加個人,客觀現實還存在嗎?
    對維格納的朋友而言,貓是生是死一目了然,對箱外的維格納而言,貓和他的朋友在箱子打開前都處於疊加態中。兩人對世界的認知分歧了,那客觀現實還存在嗎?絕大多數物理學家都把這個腦洞視為哲學上的胡言亂語。然而,8月17日,學術期刊《自然-物理學》(Nature Physics)刊登了一篇來自澳大利亞格裡菲斯大學和中國臺灣成功大學的論文,逼迫大家不得不再次直面這個燒腦的問題。研究人員將「維格納朋友」悖論轉化成數學定理,證明在該場景下確實存在難以調和的衝突。他們更設計了一個實驗,用光學器件來代替維格納和他的朋友,對數學定理進行了驗證。
  • 名聲大噪的薛丁格的貓,根本就不存在?
    什麼是薛丁格的貓?「薛丁格的貓」是由奧地利著名物理學家薛丁格提出的一個著名思想實驗,描述了如何將一隻活潑可愛的貓變成「生死疊加」狀態。這隻貓可以說是讓「量子力學」名聲大噪、家喻戶曉的第一功臣。一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。
  • 薛丁格的貓不可能存在,可是你們為何要相信它存在!
    薛丁格的貓是不存在的!在量子力學中,有一個假想實驗,叫薛丁格的貓。想必大家都聽說過,可是你仔細思考過這個問題嗎? 薛丁格的貓究竟存不存在?薛丁格的貓究竟是死還是活? 這個問題的本質是什麼?薛丁格貓是奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出的一個思想實驗。
  • 薛丁格的什麼貓?
    由於粒子的衰變直接導致貓的死亡,那麼貓也就同時處於既死又活的狀態——不荒謬嗎?這把思想武器用直指本質的方式,把量子微觀變成日常直觀,不僅讓哥本哈根學派吃下重擊,更讓全世界每個人都看到,原來概率波是這樣一個「怪物」。
  • 「薛丁格的貓」到底是怎麼回事?
    這些物質有50%的概率發生衰變,並釋放出毒氣殺死這隻貓;同時,也有50%的概率不會發生衰變,貓就能活下來。問題來了,最後,貓還活著嗎?根據我們所知道的常理,盒子裡必然會發生這兩個結果的其中一個,而我們只有打開這個盒子才能知道裡面的結果。但在另一套學說中卻不是這樣的結果,那就是量子力學。
  • 每日科普|薛丁格的什麼貓?
    為了將這隻名貓說清楚,筆者選取了與這隻貓相關的五個常見爭論點,(基於學術界主流認識)略加辨析。物質波的物理圖像是什麼?從直覺理解物質粒子的波,可能產生這樣的誤解:是不是粒子彌散開,連續分布在整個空間,其分布的形狀像波浪一樣,這樣叫作物質波呢?其實在量子力學建立初期,人們就存在這樣的討論,但這個設想在理論上存在缺陷,也沒有得到實驗的證實。
  • 為什麼「薛丁格的貓」這個實驗在現實中永遠無法實現
    作為愛因斯坦的盟友,薛丁格同樣無法認可玻爾的觀點,所以他提出了「薛丁格的貓」。薛丁格提出在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
  • 為什麼「薛丁格的貓」這個實驗在現實中永遠無法實現?
    作為愛因斯坦的盟友,薛丁格同樣無法認可玻爾的觀點,所以他提出了「薛丁格的貓」。薛丁格提出在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。根據經典物理學,在盒子裡必將發生這兩個結果之一,而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。但是在量子的世界裡,當盒子處於關閉狀態,整個系統則一直保持不確定性的波態,即貓生死疊加。
  • 每日科普|薛丁格的什麼貓?
    從科普的角度說,薛丁格的貓通過展示自身的怪誕,向人們傳達了這樣的信息:量子概念很難與宏觀直覺對應起來,如果用視覺常識來理解量子概念,可能產生諸多誤解困惑。為了將這隻名貓說清楚,筆者選取了與這隻貓相關的五個常見爭論點,(基於學術界主流認識)略加辨析。
  • 夢境是真的嗎?薛丁格的貓或許能解釋,夢境有可能是真是存在的!
    那麼在科學上來解釋夢境,夢境是否真的存在的夢境,可以用來預測未來嗎?在解讀夢境之前,首先給大家引入一個新的概念叫做平行宇宙,薛丁格的貓可能很多人都有耳聞,就是把一隻貓放進盒子裡,向盒子裡源源不斷的注入毒氣,在盒子外面的你根本不知道貓在裡面是什麼狀態,當打開盒子的一瞬間只有兩種可能貓是活的或者是死的,這就是一個概率事件。
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  • 拉普拉斯妖與薛丁格的貓
    不僅如此,他還製造了巧合(利用人的心理,利用圖書管理員去殺賽車手,因為圖書管理員有要把女主送到普林斯頓的迫切心情),使該概率達到100%。而這個賽車手的心臟正是女主角換心需要的。所以這個拉普拉斯妖是什麼?從百度上查看,拉普拉斯提出過,已知存在一個神明,熟知宇宙所有粒子的位置和動量,並通過公式對這些數據進行分析,能夠準確預測一切未來。世人把這個稱之為,拉普拉斯妖。
  • 薛丁格的貓會存在於現實生活中嗎?我們的研究可能很快會提供答案
    您能同時去過多個地方嗎?因為您比一個原子大得多,這是不可能實現的。但是原子和粒子受量子力學規則支配,其中幾種不同的可能情況可以同時存在。在1930年代,奧地利物理學家歐文·薛丁格(ErwinSchrödinger)提出了他著名的關於盒子裡的貓的思想實驗,根據量子力學,盒子裡的貓可以同時活著或死掉。
  • 王陽明的「巖中花樹」和量子物理中「薛丁格的貓」是一回事嗎?
    薛丁格是著名的量子力學奠基者之一,但他的名氣遠沒有他的「貓」更著名。設想在一個封閉的匣子裡,有一隻活貓及一瓶毒藥。當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照量子力學的解釋,箱中的貓處於「死—活的疊加態」,只有當你打開盒子的時候,疊加態突然結束,我們就知道了貓的唯一確定態:是死,還是活。這就是著名的"薛丁格的貓"這個假設實驗。
  • 薛丁格的貓在講一個什麼道理?真的存在「既死又活」的狀態嗎
    學物理的朋友對「薛丁格的貓」這個實驗是非常了解的吧?但是這個小小的實驗說明了什麼問題呢?可能大家的理解也是五花八門的吧?「薛丁格的貓」是由奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。
  • 兩千年前的學說在說薛丁格的貓?
    的貓"是由奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的有關貓生死疊加 的著名理想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。微觀物質有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微觀物質以波的疊加混沌態存在;一旦觀測後,它們立刻選擇成為粒子。實驗是這樣的:在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
  • 薛丁格的貓是什麼意思
    什麼是薛丁格的貓,薛丁格的貓是什麼意思,薛丁格的貓給我們的啟示有哪些?本文我們將簡單了解「薛丁格的貓」。
  • 「巖中花樹」和「薛丁格的貓」,看似異曲同工,根本是兩回事
    當衰變發生時,藥瓶被打破,貓將被毒死。按照量子力學的解釋,箱中的貓處於「死—活的疊加態」,只有當你打開盒子的時候,疊加態突然結束,我們就知道了貓的唯一確定態:是死,還是活。著名的"薛丁格的貓"的假設實驗,奠定了波動力學的基礎。這隻虛構的小貓也因此成就了一隻名動天下、號稱物理界四大神獸之一的「薛丁格的貓」。
  • 科學史上最負盛名的貓——薛丁格的貓,究竟是怎樣的存在?
    根據量子力學理論,物質在微觀尺度上存在兩種完全相反狀態並存的奇特狀況,這被稱為有效的相干疊加態。由大量微觀粒子組成的宏觀世界是否也遵循量子疊加原理?奧地利物理學家薛丁格為此在1935年提出著名的「薛丁格貓」佯謬。一隻貓被封在一個密室裡,密室裡有食物有毒藥。毒藥瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控制,電子開關由放射性原子控制。