新量子悖論，揭示了現實世界的不牢靠

2020-09-03 原理

圖源：GDJ / Pixabay



量子理論適用於所有尺度嗎？甚至包括觀察者的尺度？1961年，諾獎得主、物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）提出了這樣一個疑問：如果將量子力學應用到一個正在被觀察的觀察者身上，會發生什麼？


在他的思想實驗中，他想像自己的一個朋友（被觀察的觀察者）被關在了一個密閉的實驗室中，這個朋友在裡面拋擲一枚處於正面與反面的疊加態量子硬幣，每當朋友完成拋擲，硬幣的疊加態就會坍縮到要么正面、要麼反面的狀態，因此朋友總能觀測到一個明確的結果；但是處於實驗室之外的維格納對此卻一無所知，對他來說，這種疊加仍然存在，他需要將朋友和硬幣描述為實驗的所有可能結果的疊加。


接下來，當維格納和朋友在事後對拋擲結果交換意見時，會發現他的朋友認為自己在每次拋硬幣時都看到了明確的結果，而維格納觀測到的卻是「朋友」和「硬幣」的疊加態。他們的經驗彼此衝突，無法就觀測結果達成共識。於是問題便陷入了兩難，形成了一個悖論：朋友眼中的現實與外界的現實不一致。


最近，一項新發表於《自然-物理》雜誌的研究，為「維格納的朋友」悖論提供了迄今為止最有利的證明。在新的研究中，來自澳大利亞的物理學家Nora Tischler和她的同事將維格納的思想實驗轉變成了一個數學定理，並且利用光子對這一定理進行了實驗驗證。



2015年，維也納大學的物理學家Časlav Brukner發展出了一種理論，表明在一定假設下，維格納的朋友的悖論可被用於證明量子力學中的測量對觀測者來說是主觀的。


在Brukner的思想實驗中，他使用了兩對糾纏的「維格納與維格納的朋友」，每個維格納的朋友都有一個粒子，接著這兩個朋友分別被置於兩個不同的密閉實驗室中，在各自的實驗室中對各自的粒子進行測量。實驗室外的兩個維格納則對相應的正在測量粒子的朋友進行測量，然後兩個維格納相互交換答案，重複這個過程。如果兩個朋友所看到的是明確的結果，兩個維格納所發現的結果之間按道理只應顯示出微弱的相關性；但是，維格納們所發現的是一種高度相關的模式。這就陷入了矛盾之中。


2018年，有研究指出，Brukner的思想實驗中存在一個漏洞。而Tischler和她的合著者在最新的研究中填補了這一漏洞。這是一個與Brukner的思想實驗中所設置的假設有關的問題。Brukner的理論基於三個假設：

  1. 在進行測量時，兩個朋友所觀測到的結果是真實、單一的事件。
  1. 觀察者可以自由選擇實驗設置，進行隨機試驗。
  1. 一旦做出了自由選擇，所產生的結果在宇宙中的擴散速度不會比光速更快。換句話說物理是局部的，在一定距離上沒有任何形式的「超距作用」。


這三個基本假設看似是合理的，並且被普遍認為是正確的。而在新的研究中，物理學家發現維格納的朋友悖論意味著，如果量子力學是通用的，是可以被應用於描述更大的系統——比如觀察者的，那麼上述三個假設中的其中之一個，必須是錯的。


然而，摒棄其中任何一種，都將對我們理解這個世界產生深遠的影響。



在實際的實驗操作中，他們製造了糾纏的光子來「效仿」維格納與他的朋友。實驗裝置中的光學器件會根據光子的偏正，將每個光子引到一條路徑上——這一部分對應於朋友們所觀測到的結果；隨後，光子進入另一組扮演維格納們的角色的探測器中。實驗結果表明，朋友組和威格納組之間存在不可調和的不相容。


實驗裝置。| 圖片來源：Kok-Wei Bong


更重要的是，通過精確地改變粒子的糾纏程度，研究人員發現這種不相容的出現發生在不同於Brukner所設定的場景之下。這也表明這三個假設中的其中一個必須被捨棄。


問題是否出在「局部性」上？如果要捨棄的是局部性的假設，那就意味著即便兩個觀察者相距甚遠，其中一個觀察者的行為會影響到另一個觀察者的結果，這似乎不太合理。又或者，一個觀察者經歷的事實是這樣的，另一個觀察者經歷的事實是那樣的，他們不需要互相嚙合？這是一種激進的相對主義，許多人對此也難以接受。再或者，是量子力學本身會失效？這種可能性可以通過在更大尺度上進行量子力學實驗來驗證。但這對大多數物理學家來說，必定是件令人不安的結果。



不過目前來看，新研究中的實驗所使用的「觀測者」所擁有的「智能性」非常低，它只有兩種記憶狀態，即一個光子的兩種不同路徑。因此，在證明悖論中的三個基本假設之一肯定是錯誤的這一問題上，研究人員只能將這研究稱為原理論證，而非決定性證明。


若要更有說服力地證明這一悖論，實驗中的觀察者需要擁有更高級別的「智能」，比如最好是一個具備人類智能級別的人工智慧程序。然而要實現這一點，我們或許還要等上好一段時間。


參考來源：

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

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