《自然》子刊:往薛定谔的猫箱里加个人,客观现实还存在吗?

时间:2020-08-20 10:55:50 来源:互联网作者:河北省涿州市点击:1000

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薛定谔的猫已令人晕头转向,1963年诺贝尔物理学奖得主维格纳(Eugene Paul Wigner),更是丧心病狂地把他的朋友也塞进那只虚拟的箱子,和猫关在一起。

这是著名的“维格纳朋友”悖论,直指量子力学最根本的观测问题。对维格纳的朋友而言,猫是生是死一目了然,对箱外的维格纳而言,猫和他的朋友在箱子打开前都处于叠加态中。两人对世界的认知分歧了,那客观现实还存在吗?

绝大多数物理学家都把这个脑洞视为哲学上的胡言乱语。然而,8月17日,学术期刊《自然-物理学》(Nature Physics)刊登了一篇来自澳大利亚格里菲斯大学和中国台湾成功大学的论文,逼迫大家不得不再次直面这个烧脑的问题。

研究人员将“维格纳朋友”悖论转化成数学定理,证明在该场景下确实存在难以调和的冲突。他们更设计了一个实验,用光学器件来代替维格纳和他的朋友,对数学定理进行了验证。

换句话说,这个世界的绝对客观性也许并不存在:对你如是,对我不一定亦如是。

“测量结果是科学的根基。如果这都不绝对了,令人难以想象。”论文作者Nora Tischler说道。

维格纳的朋友

奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个思想实验已广为人知:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。在打开容器之前,这只猫处在既死又活叠加态,直到被观测的一瞬间才瞬间坍缩成“活猫”或者“死猫”。

描述这个场景,本质上是为了把微观世界里的粒子放大成为宏观世界里的“猫”。按照量子力学的叙事,粒子可以处于几种不同状态的叠加,只有对其进行测量,才会坍缩成其中一个确定的状态。

而“维格纳朋友”悖论,可以理解为维格纳给他的朋友套上防毒面具,和猫关在一起。

维格纳在1961年提出的表述是让一个朋友(观测者)在一个密闭的实验室里对粒子进行量子态测量,而维格纳(超级观测者)则站在实验室外。

对维格纳的朋友来说,在他测量的那一刻,粒子的状态已经确定了。而对维格纳来说,粒子和朋友都还处于叠加态上,直到他本人对整个实验室进行观测。在同样一段时空内,两人对世界的经历和认知是分歧的。

当然,你可以把维格纳也关在他的实验室里,自己站在外面观测,形成套娃效果。

维格纳认为,要想解决这个悖论,量子力学就不能适用于像人类这样的大尺度物体。叠加态在抵达“观测者”之前依然崩塌。

从脑洞到实验

虽然听起来荒诞,但近年来这个悖论重新有了讨论热度。2015年,奥地利维也纳大学的Časlav Brukner想到了用纠缠光子来设计检验实验。所谓纠缠光子,就是一对互相关联的光子,不论相隔多远,如果你对其中一个进行测量,使其坍缩到某个量子态上,那另一个光子也会瞬间坍缩成相对应的那个量子态,

这次,澳大利亚和中国台湾的研究人员同样用纠缠光子来设计实验。他们制备出一对纠缠光子,每个光子都会通过一个光学器件(扮演朋友的角色),根据其偏振方向(一种量子态)进入相应的光路,随后再次进入一套探测器(扮演维格纳的角色)。

结果显示,“朋友们”和“维格纳们”的探测结果之间存在不可调和的矛盾,分歧程度与光子的纠缠程度相符。“这里面确实有点新东西。” Tischler说道。

在该实验结果下,以下三个假设不能同时成立。1、被观测事件的绝对性。2、无超级决定论,即自由选择论,没有什么“上帝”提前决定了实验结果。3、局域性,即物理量的影响范围是有限的。

另一名论文作者Howard Wiseman认为,我们可能不得不放弃第一条假设。“对一个观测者来说有这些事实,对其他人来说有其他事实,不一定要融合。”

论文在结尾部分也提到,如果未来能用人工智能和通用量子计算机来模拟维格纳朋友悖论,可能会带来新的挑战。

法国洛桑大学物理学家、哲学家Dustin Lazarovici则认为,这篇论文最大的价值在于说明了维格纳朋友悖论并非钻牛角尖,而会出现在真实的实验中,逼迫一部分物理学家直面这件事。

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