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量子物理:客观现实或许并不存在

来源:原则,作者费崔西

事实是主观的

另一个事实像病毒一样在整个社会传播。现在似乎连科学都受到它们的影响,至少在量子领域是这样。 这听起来违反直觉。 毕竟,科学方法是基于有充分记录的观察、测量和可复制的概念。 通过测量确定的事实应该是客观的,所有观察者都可以就此达成共识。

但是在最近发表在《《科学进展》》杂志上的一篇论文中,物理学家指出,在受量子力学奇怪规则支配的原子和粒子的微观世界中,两个不同的观察者可以“看到”他们自己的事实。 换句话说,根据我们最好的自然结构理论,量子理论:事实上,它是主观的。

思想实验

观察者是量子世界中一个强大的玩家 根据量子理论,粒子可以同时处于多个位置或状态,这被称为叠加态。 但是奇怪的是,这只是在他们没有被观察到的时候发生的。 当观察一个量子系统时,叠加态将被打破并坍缩到一个特定的位置或特定的状态。 我们已经在实验室多次证实了这种行为。

1961年,物理学家尤金维格纳提出了一个有争议的思想实验。 他问,如果量子力学应用于被观察的观察者,会发生什么 他想象了一个场景,维格纳的一个朋友在一个封闭的实验室里扔了一枚量子硬币。硬币处于前后重叠的状态 每次朋友扔硬币,他都能看到一个明确的结果。 可以说,朋友的操作创造了一个事实,即投掷硬币会导致积极或消极的结果。

0魏格纳的朋友实验 A 封闭的盒子里是魏格纳的朋友和他扔的硬币。 B 对于站在盒子外面的维格纳来说,朋友和硬币处于重叠纠缠状态。 |图片来源:massimiliano proietietet al /Science

Wigner,他在实验室之外,无法知道这个事实,根据量子力学,他必须把朋友和硬币描述为实验所有可能结果的叠加。 因为它们以一种奇怪的方式连接在一起,并且彼此“纠缠”,如果你操纵一个,你就操纵了另一个 理论上,维格纳现在可以通过“干涉实验”来验证这种叠加,这是一种量子测量方法,可以解开整个系统的叠加,从而确认两个物体确实是交织在一起的。

当维格纳和他的朋友们事后就抛硬币的结果交换意见时,他的朋友们会坚持说他们每次抛硬币都看到了明确的结果。 然而,当魏格纳观察到“朋友”和“硬币”被叠加在一起时,他不同意朋友的这种观点。 这使这个问题进退两难。 朋友眼中的现实与外界的现实不一致。

魏格纳起初并不认为这个问题是一个悖论。他认为把有意识的观察者描述为量子物体是荒谬的。 然而,他后来拒绝了这一观点,根据量子力学这是完全可行的。

一个实验

很长一段时间,这个场景一直是一个有趣的思想实验阶段。 但是它能反映现实吗?直到最近,维也纳大学的物理学家们才在这个问题上取得什么进展。阿斯拉夫布鲁克纳(Aslav Brukner)的理论表明,维格纳的想法可以用来正式证明量子力学中的测量在某些假设下对观察者来说是主观的。

布鲁克纳提出了一种验证这一概念的方法。他将维格纳的想象场景转化为物理学家约翰贝尔在1964年首次建立的理论框架:布鲁克纳考虑两对“维格纳和朋友”,并分别将他们放在两个不同的盒子里,测量盒子内外的共同状态 然后,所有这些结果最终可以结合起来评估“贝尔不等式” 如果不平等被违反,观察者可能已经目睹了不同的事实。

现在,亨利瓦特大学的物理学家首次用一台由三对纠缠光子组成的小型量子计算机进行实验,测试布鲁克纳的想法:一对光子代表一枚硬币;另一对用来在各自的盒子里“扔硬币”,也就是说,测量光子的偏振;在这两个盒子外面,每一边都有两个可以测量的光子。

尽管研究人员使用了最先进的量子技术,但他们花了数周时间才产生足够的统计数据,从六个光子中收集到足够的数据 最后,研究人员成功地证明了量子力学可能确实与客观事实的假设不相容,他们的结果违反了贝尔不等式

有趣的未来

然而,这个理论是基于一些假设 例如,它假设观察结果不受超光速信号的影响,并且它还假设观察者可以自由选择进行哪些测量。 这可能是事实,也可能不是。

另一个重要问题是个单光子能否被视为观察者 在布鲁克纳的理论中,观察者不需要有意识,但是他们必须能够以测量结果的形式创造事实 因此,无生命的探测器可以成为有效的观察者。 根据量子力学的教科书版本,我们没有理由认为探测器(可以做成只有几个原子大小)不应该被描述为像光子一样的量子物体。 标准量子力学也可能不适合大规模,但验证是另一个问题。

因此,这个实验表明,至少对于量子力学的局部模型,我们需要重新思考客观性的概念。 尽管我们在宏观世界中所经历的事实似乎不受这一研究结果的影响,但由此产生的一个主要问题是如何使现有的量子力学解释适应主观事实。

一些物理学家认为,新的进展支持这样一种解释,即它允许在一次观察中出现多个结果,例如平行宇宙的存在,允许每个结果出现在其中。 其他物理学家将这一新进展视为证明具有内在观察者依赖性的理论(如量子贝叶斯理论)的证据 在量子贝叶斯理论中,主体的行为和经验是该理论的核心关注点。 然而,一些人认为这是一个强烈的信号,表明量子力学可能打破一些复杂的尺度。

显然,这些是关于现实本质的一些深刻的哲学问题。 不管答案是什么,一个有趣的未来正等着我们。