量子力學迄今最具現實衝擊力的悖論

2020-09-03 煎蛋

如果荒山老林裡有一棵樹倒下,它會發出聲音嗎?如果恰好有人在那裡呢?

量子力學中出現了一個新悖論,使人們對有關物理現實的一些常識性觀念產生了懷疑。

量子力學與常識

看一下以下三個語句:

  • 當有人觀察到事件發生時,它確實發生了。

  • 可以做出自由選擇,或者至少可以進行可被統計的隨機選擇。

  • 在一個地方做出的選擇不會立即影響一個遙遠的事件。(物理學家稱此為「局部性」。)

這些都是直覺性的想法,為幾乎所有的物理學家所採信。但根據發表在《自然·物理學》上的研究,它們不可能全部都是正確的,否則量子力學本身就是錯的。

這是迄今為止量子力學一系列發現裡的最強結果,這些發現顛覆了我們對現實的看法。要了解它為何如此重要,讓我們先看一下歷史。

為現實而戰

量子力學可以很好地描述微小物體的行為,例如原子或光粒子(光子)。但是這種行為是……非常奇怪。

在許多情況下,量子理論無法給出諸如「該粒子現在在哪裡?」之類的問題的明確答案。取而代之的是,它僅提供觀察粒子時可能在何處發現的概率。

對於一個世紀前該理論奠基人之一的尼爾斯·玻爾來說,這不是因為我們缺乏信息,而是因為諸如「位置」之類的物理屬性實際上是不存在的,除非對其進行測量。

而且,由於無法同時完美觀察粒子的某些屬性(例如位置和速度),因此無法同時實現它們的真實性。

阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)認為這個想法站不住腳。在1935年他與理論物理學家鮑裡斯·波多爾斯基(Boris Podolsky)和內森·羅森(Nathan Rosen)合寫的文章裡,他認為,現實遠超量子力學的描述。

愛因斯坦等人考慮了處於特殊狀態的兩個粒子——現在被稱為「糾纏態」粒子。當為兩個糾纏粒子測量同一屬性(如位置或速度)時,結果將是隨機的,但每個粒子的結果之間將存在相關性。

例如,測量第一個粒子位置的觀察者可以完美地預測另一個粒子位置信息的測量結果,那怕兩個粒子相距極遠。他們認為,這一性質可以用來反駁波爾的論點:我測量了1號粒子的位置,但是沒有測量2號粒子,然而2號粒子的位置已經固定——所以,在測量之前,物理屬性就是實在的。

但是,在1964年,北愛爾蘭的物理學家約翰·貝爾(John Bell)發現,如果對兩個粒子進行更複雜的組合測量,愛因斯坦的論點就無法成立。

貝爾表明,如果兩個觀察者隨機且獨立地在測量其粒子的一種或另一種性質(例如位置或速度)之間進行選擇,則平均結果無法用任何將位置和速度都預先存在的局部性質理論來解釋。

這聽起來令人難以置信,但是實驗現在已經確定地證明了貝爾的相關性確實存在。對於許多物理學家來說,這是玻爾正確的證據:物理性質只有在進行測量後才存在。

但這就引出了一個關鍵問題:「測量」有什麼特別之處?

觀察者,觀察到

1961年,匈牙利裔美國理論物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)設計了一個思想實驗,以說明測量概念的棘手之處。

他考慮了一種情況,即把他的朋友關進一間封閉的實驗室裡。朋友可以完成量子力學的實驗,從自身的角度來說,作為觀察者,實驗結果應該是確定的。但是,如果將實驗室+朋友+朋友所做的實驗看做是一個整體,則只有在外面的人觀察到裡面的結果時,實驗結果才是確定的。

對於維格納來說,這是一個荒謬的結論。取而代之的是,他相信觀察者的意識一旦介入,糾纏就會「崩潰」,使朋友的觀察變得確定。

但是,如果維格納錯了怎麼辦?

我們的實驗

在我們的研究中,我們基於維格納朋友悖論的擴展版本——由維也納大學的ČaslavBrukner 首次提出。在這種情況下,有兩個物理學家(分別稱為愛麗絲和鮑勃)在兩個遙遠的實驗室裡囚禁了自己的朋友(查理和黛比)。

然後,再增加點難度:查理和黛比現在正在測量一對糾纏的粒子。

正如維格納的觀點一樣,量子力學方程告訴我們查理和黛比應該與他們觀察到的粒子糾纏在一起。但是由於這些粒子已經相互糾纏,理論上,查理和黛比本人也應該糾纏在一起。

但我們的實驗是這樣的:查理和黛比進入自己的實驗室並測量他們的粒子。一段時間後,愛麗絲和鮑勃各自擲硬幣。如果是字,他們打開門,問他們的朋友看到了什麼。如果是背,執行不同的測量。

如果查理以維格納的方式與他所觀察到的粒子糾纏在一起,則這種不同的測量方法始終會給愛麗絲帶來積極的結果。對於鮑勃和黛比也是如此。

如果本文開頭的三大直覺思想是正確的,那麼每個朋友都可以在實驗室中看到一個真實而獨特的測量結果,而與愛麗絲或鮑勃後來是否開門無關。而且,愛麗絲和查理所看到的東西不應取決於鮑勃的硬幣的落地方式,反之亦然。

我們證明,如果是這種情況,則愛麗絲和鮑勃可能期望看到的結果之間的相關性將受到限制。我們還表明,量子力學預測愛麗絲和鮑勃將看到超出這些極限的相關性。

我們的實驗僅是原則上的證明,因為「朋友」非常小而簡單。這提出一個問題,即對於更複雜的觀察者來說,是否也會得到相同的結果。

我們可能永遠無法對真正的人類進行這項實驗。但是我們認為,如果「朋友」是在大型量子計算機中運行的人類級人工智慧,有一天可能會做出結論性的演示。

什麼意思呢?

儘管結論性的測試可能還需要數十年的時間,但是如果將量子力學繼續推論下去,會對我們對現實的理解產生深遠影響,甚至比貝爾相關性更加重要。一方面,我們發現的相關性不能僅通過物理特性在被測量之前就不存在來解釋。

現在,是對測量結果本身的絕對現實提出了質疑。

我們的結果迫使物理學家直面測量問題:要麼我們的實驗在擴大規模下是不成立的,要麼量子力學讓位給所謂的「客觀坍塌理論」,要麼我們的三個常識性假設之一必須被拒絕。

像de Broglie-Bohm這樣的理論提出了「遠距離動作」假說,行動可以在宇宙中的其他地方產生瞬時影響。但是,這與愛因斯坦的相對論直接衝突。

一些人在尋找一種拒絕自由選擇的理論,但它們要麼要求倒退的因果關係,要麼需要一種宿命論的形式,被稱為「超確定論」。

解決衝突的另一種方法可能是要求愛因斯坦的理論更具相對性。愛因斯坦認為,不同的觀察者可能會對事件的發生次序有不同的看法,但發生事件本身是一個絕對的事實。

但是,在某些解釋中,例如關係量子力學,QBism或多世界解釋,事件本身可能僅相對於一個或多個觀察者發生。一個人觀察到的倒下的樹可能對其他所有人都不是事實。

所有這些並不意味著您可以選擇自己的現實。首先,您可以選擇要問的問題,但是答案是世界給出的。即使在關係世界中,當兩個觀察者交流時,他們的現實也被糾纏了。這樣,可以出現一個共同的現實。

這意味著,如果我們倆目睹同一棵樹倒下而您沒有聽到聲音,您可能需要助聽器。

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原文作者 Eric Cavalcanti。以前簡短介紹過他們的實驗,現在是原作者從更形而上的角度,闡釋實驗結論的顛覆性。

https://phys.org/news/2020-08-quantum-paradox-foundations-reality.html

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