《自然》子刊:往薛定諤的貓箱里加個人,客觀現實還存在嗎?
2020年08月19日15:34

原標題:《自然》子刊:往薛定諤的貓箱里加個人,客觀現實還存在嗎?

薛定諤的貓已令人暈頭轉向,1963年諾貝爾物理學獎得主維格納(Eugene Paul Wigner),更是喪心病狂地把他的朋友也塞進那隻虛擬的箱子,和貓關在一起。

這是著名的“維格納朋友”悖論,直指量子力學最根本的觀測問題。對維格納的朋友而言,貓是生是死一目瞭然,對箱外的維格納而言,貓和他的朋友在箱子打開前都處於疊加態中。兩人對世界的認知分歧了,那客觀現實還存在嗎?

絕大多數物理學家都把這個腦洞視為哲學上的胡言亂語。然而,8月17日,學術期刊《自然-物理學》(Nature Physics)刊登了一篇來自澳州格里菲斯大學和中國台灣成功大學的論文,逼迫大家不得不再次直面這個燒腦的問題。

研究人員將“維格納朋友”悖論轉化成數學定理,證明在該場景下確實存在難以調和的衝突。他們更設計了一個實驗,用光學器件來代替維格納和他的朋友,對數學定理進行了驗證。

換句話說,這個世界的絕對客觀性也許並不存在:對你如是,對我不一定亦如是。

“測量結果是科學的根基。如果這都不絕對了,令人難以想像。”論文作者Nora Tischler說道。

維格納的朋友

奧地利著名物理學家薛定諤提出的一個思想實驗已廣為人知:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。在打開容器之前,這隻貓處在既死又活疊加態,直到被觀測的一瞬間才瞬間坍縮成“活貓”或者“死貓”。

描述這個場景,本質上是為了把微觀世界里的粒子放大成為宏觀世界里的“貓”。按照量子力學的敘事,粒子可以處於幾種不同狀態的疊加,只有對其進行測量,才會坍縮成其中一個確定的狀態。

而“維格納朋友”悖論,可以理解為維格納給他的朋友套上防毒面具,和貓關在一起。

維格納在1961年提出的表述是讓一個朋友(觀測者)在一個密閉的實驗室里對粒子進行量子態測量,而維格納(超級觀測者)則站在實驗室外。

對維格納的朋友來說,在他測量的那一刻,粒子的狀態已經確定了。而對維格納來說,粒子和朋友都還處於疊加態上,直到他本人對整個實驗室進行觀測。在同樣一段時空內,兩人對世界的經曆和認知是分歧的。

當然,你可以把維格納也關在他的實驗室里,自己站在外面觀測,形成套娃效果。

維格納認為,要想解決這個悖論,量子力學就不能適用於像人類這樣的大尺度物體。疊加態在抵達“觀測者”之前依然崩塌。

從腦洞到實驗

雖然聽起來荒誕,但近年來這個悖論重新有了討論熱度。2015年,奧地利維也納大學的Časlav Brukner想到了用糾纏光子來設計檢驗實驗。所謂糾纏光子,就是一對互相關聯的光子,不論相隔多遠,如果你對其中一個進行測量,使其坍縮到某個量子態上,那另一個光子也會瞬間坍縮成相對應的那個量子態,

這次,澳州和中國台灣的研究人員同樣用糾纏光子來設計實驗。他們製備出一對糾纏光子,每個光子都會通過一個光學器件(扮演朋友的角色),根據其偏振方向(一種量子態)進入相應的光路,隨後再次進入一套探測器(扮演維格納的角色)。

結果顯示,“朋友們”和“維格納們”的探測結果之間存在不可調和的矛盾,分歧程度與光子的糾纏程度相符。“這裡面確實有點新東西。” Tischler說道。

在該實驗結果下,以下三個假設不能同時成立。1、被觀測事件的絕對性。2、無超級決定論,即自由選擇論,沒有什麼“上帝”提前決定了實驗結果。3、局域性,即物理量的影響範圍是有限的。

另一名論文作者Howard Wiseman認為,我們可能不得不放棄第一條假設。“對一個觀測者來說有這些事實,對其他人來說有其他事實,不一定要融合。”

論文在結尾部分也提到,如果未來能用人工智能和通用量子計算機來模擬維格納朋友悖論,可能會帶來新的挑戰。

法國洛桑大學物理學家、哲學家Dustin Lazarovici則認為,這篇論文最大的價值在於說明了維格納朋友悖論並非鑽牛角尖,而會出現在真實的實驗中,逼迫一部分物理學家直面這件事。

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