新的量子實驗表明:客觀現實可能並不存在

北京時間11月22日消息，「另類事實」（alternative facts，一般指替代性，不真實的謊言）像病毒一樣在全社會蔓延，現在似乎也感染了科學界——至少在量子領域。這聽起來有點違反直覺。科學方法畢竟是建立在可靠的觀察、測量和重複性的概念之上。通過測量確定的事實應該是客觀的，這樣所有的觀察者才能達成共識。

然而，最近發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌的一篇論文中，研究人員指出，在由量子力學支配的微觀粒子世界中，兩個不同的觀察者都有權獲取自己的事實。換句話說，根據目前的量子理論，事實實際上是主觀的。

觀察者在量子世界中扮演著重要的角色。根據量子理論，粒子可以同時處於多個地方或多種狀態，這就是所謂的「疊加態」。但奇怪的是，這只是在它們沒有被觀察到的情況下。當我們觀察一個量子系統時，粒子會選擇一個特定的位置，即打破疊加態。事實上，自然界的這種行為已經在實驗室中被多次證實，比如著名的雙縫實驗。

1961年，物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）提出了一項頗具挑釁意味的思維實驗。他問道，如果將量子力學應用到一個觀察者身上，而這個觀察者同時也受到觀察，將會發生什麼？想像一下，維格納的一個朋友在封閉的實驗室裡擲出一枚量子硬幣——處於正面和反面的疊加態。每次朋友扔硬幣時，他們都觀察到一個明確的結果。我們可以說，維格納的朋友建立了一個事實：擲硬幣的結果肯定是正面或反面。

維格納無法在外面得知這個事實，根據量子力學，他必須把朋友和硬幣描述成實驗中所有可能結果的疊加。因為二者是「糾纏」的，彼此詭異地聯繫在一起。所以如果你操縱其中一個，同時也會操縱另一個。在原則上，維格納可以通過所謂的「幹涉實驗」來驗證這種疊加。幹涉實驗是一種量子測量方法，可以讓你解開整個系統的疊加，從而確認兩個物體之間的糾纏。

在觀察結束之後，當維格納和他的朋友交換意見時，朋友會堅持認為，他們在每次拋硬幣時都看到了明確的結果。但是，維格納不會同意這種觀點，因為他觀察到的是「朋友」和「硬幣」處於疊加態。

這就成了一個難題。朋友眼中的現實與外界看到的現實是不一致的。維格納最初並不認為這是一個悖論，他認為把一個有意識的觀察者描述成一個量子對象是荒謬的。然而，他後來背離了這種觀點，根據量子力學的正規教科書，這樣的描述是完全正確的。

新的實驗

維格納想像的場景長期以來一直是一個有趣的思維實驗，但真的能反映現實嗎？在科學上，這一問題幾乎一直沒有什麼進展。直到最近，維也納大學的Časlav Brukner研究表明，在某些假設下，維格納的思想實驗可以用來證明，量子力學中的測量對觀察家而言是主觀的。

Brukner提出了一種測試方法，他將維格納的朋友場景轉換成物理學家約翰·貝爾（John Bell）在1964年首次建立的框架。最後的結果總結起來，可以用於估算所謂的「貝爾不等式」。如果這個不等式被打破，觀察者可能就會得到替代性的事實。

研究人員首次在愛丁堡赫瑞瓦特大學進行了實驗性測試。他們使用了一臺由三對糾纏光子組成的小型量子計算機。第一對光子代表硬幣，另外兩對光子則代表著在各自的盒子裡投擲硬幣（測量光子的偏振）。在兩個盒子之外，兩邊各有兩個光子，也可以進行測量。

儘管使用了最先進的量子技術，但僅從6個光子中收集足夠的統計數據就需要數周時間。最終，研究人員成功證實了量子力學可能確實會與客觀事實的假設不相容——不等式被打破了。不過，這個理論建立在一些假設的基礎上，包括測量結果不受光速以上信號的影響，以及觀察者可以自由選擇測量內容等。因此，這並不是最終確定的結論。

另一個重要的問題是，是否可以將單光子視為觀察者。在Brukner的理論中，觀察者不需要具有意識，只需要能夠以測量結果的形式建立事實。因此，一個無生命的探測器也可以是有效的觀察者。根據教科書上的量子理論，我們有理由相信，一個探測器如果能做得像原子那麼小，那應該也可以描述成像光子一樣的量子物體。也有可能標準的量子力學不適用於大尺度，但想要進行測試的話，又是另一個問題了。

因此，這個實驗表明，至少就量子力學的局部模型而言，我們需要重新思考客觀性的概念。在宏觀世界中，我們所體驗到的事實似乎仍是安全的，但主要問題在於，現有的量子力學解釋如何能容納主觀事實。

一些物理學家將這些新進展視為支持一次觀測中可以出現多種結果的理論依據，例如存在平行宇宙，每一種結果都可能發生。另一些人則認為，這些研究結果是本質上依賴觀察者的理論（如量子貝葉斯理論）的有力證據。在量子貝葉斯理論中，主體的行為和體驗是該理論的核心關注點。還有人認為，這是一個強有力的暗示，或許意味著量子力學將在某些複雜的尺度上崩解。

很顯然，這些都是關於現實本質的哲學問題。無論答案是什麼，一個有趣的未來正等待著我們。（任天）