這個加強版“薛定諤的貓”,可能會推翻你所見的真實世界
2020年08月27日18:28

  文章來源:科研圈

  最近,《自然-物理學》(Nature Physics)發表了一篇論文,研究者們將人類引入量子系統並進行了測試,完成了一個加強版的“薛定諤的貓”實驗。一些科學家認為這項研究“很荒謬”,而另一些學者認為他們得到的結果,可能會顛覆我們眼中的真實世界,甚至改變量子力學。。。。。。

  圖片來源:Pixabay

  來源 Scientific American

  作者 Zeeya Merali

  翻譯 閆碩

  編輯 魏瀟

  既活著又死去是一種什麼感覺?

  在上世紀六十年代,這個問題讓匈牙利裔的美國物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)感到又惱火又鼓舞。量子力學變幻莫測,由此產生的悖論弄得他很沮喪。支配微觀領域的理論表明,除非被觀測到,否則量子系統不一定具有明確的屬性。以他的同僚、物理學家埃爾溫·薛定諤(Erwin Schrödinger)的著名思想實驗為例:將一隻貓關在一個裝有少量放射性鐳和劇毒氰化物的密閉容器里,當鐳發生衰變時,氰化物就會釋放出來,使貓死亡。而放射性衰變是一個量子過程,鐳可能發生衰變,也可能沒有衰變。因此在容器打開之前,這隻不幸的貓陷入了一種生與死的疊加狀態。但是,這隻貓是否真的經曆了疊加態呢?

  維格納打造了一個加強版的悖論:設想他的一個朋友(人類,而不是貓)被關在實驗室里,作為一名觀測者來測量量子系統。他辯稱,如果認為他的朋友處在一種既被看見又沒被看見的衰變的疊加狀態是荒謬的,除非他親自打開實驗室的門去確認。澳州布里斯班格里菲斯大學(Griffith University)的量子物理學家 Nora Tischler 說,“維格納的朋友”思想實驗表明,如果觀測者也被觀察到,事情會變得非常奇怪。

  近日,Tischler 和她的同事們進行了一次“維格納的朋友”的實驗測試。通過將經典的思維實驗與量子糾纏(一種在相隔距離很遠的粒子間建立連接的現象)的方法相結合,得出了一個新的定理。他們聲稱這個定理對真實世界的基本性質施加了迄今為止最有力的限製。這項研究發表在 8 月 17 日的《自然-物理學》(Nature Physics)上,對(人類的)意識在量子物理中可能扮演的角色有一定的啟示意義,甚至涉及量子力學是否應該被取代的問題。

  沒有參加這項研究的多倫多大學的量子物理學家 Aephraim Steinberg 認為,這項新工作是“在實驗性形而上學領域向前邁出的重要一步,是一個巨大研究課題的開始。”

  不同的解釋

  上世紀二十年代量子物理學出現之前,物理學家們一直希望他們所建立的理論是確定的。使用他們建立的理論就可以對實驗結果做出明確的預測。但量子力學似乎天生就是一個概率論。這也就是說,在一個系統的屬性被測量之前,該系統可以包含無數種可能的屬性疊加,這一理論在教科書上有時被稱為哥本哈根詮釋(Copenhagen interpretation)。當系統被觀測到的時候,這種疊加才會坍塌為單一狀態,而物理學家永遠無法精確地預測這種狀態到底是哪一種。維格納持有一種當時流行的觀點,即人類的意識以某種方式觸發了疊加態的倒塌。因此,他的假想朋友在對量子系統進行測量時會得到一個確定的結果,而維格納永遠不會看到他的朋友處在疊加態。

  不過,“維格納的朋友”的觀點後來不再被認可。紐約大學的哲學家和認知科學家 David Chalmers 說:“研究基礎量子力學的人很快就把維格納的觀點斥為詭異和不明確的,因為這一觀點讓觀測者特殊化了。”今天,大多數物理學家都同意,無生命物體可以通過一種被稱為退相幹的過程將量子系統從疊加態中剔除。當然,當研究人員在實驗室里試圖操縱複雜量子疊加時會發現,他們的辛勤工作會因高速空氣粒子與其系統相撞而毀於一旦。因此,他們往往在超低溫下進行測試,並試圖將設備與振動隔離開來。

  幾十年來,有很多相互競爭的量子力學詮釋出現,它們採用了一些並不神秘的機製。例如退相干,它被用來解釋疊加態是如何在沒有喚起意識的情況下崩解的。還有一些詮釋持有更激進的立場,即疊加根本沒有崩解。在與維格納有關的實驗測試中,每種詮釋都有自己奇特而精彩的表現。最奇異的是“平行世界”的觀點,即每當你進行量子觀測時,現實就會斷裂,創造出多個平行宇宙來容納每一個可能的結果。在這一理論中,維格納的朋友將被分成兩個人。擁有許多粉絲的、特拉維夫大學的量子物理學家 Lev Vaidman 說:“如果有足夠好的超科技(supertechnology),維格納確實可以從實驗室外測量出他的朋友處於疊加態。”

  平行宇宙。圖片來源:Pixabay

  另一種“玻姆”理論(以物理學家 David Bohm 的名字命名)指出,基本量子系統的確有明確的性質,只是我們對這些系統瞭解不夠,所以無法精確預測它們的行為。基於這一理論,雖然維格納的朋友只有一次實驗經曆,但由於維格納的無知,他可能仍然認為他的朋友處於一種疊加狀態。相比之下,一種相對較新的、被稱為 QBism 詮釋的觀點則完全接受了量子理論的概率因素。QBism 發音為“cubism”,實際上是量子貝葉斯理論(quantum Bayesianism)的縮寫,源自18世紀數學家托馬斯·貝葉斯(Thomas Bayes)關於概率的研究。支援 QBism 的科學家認為,一個人需要通過量子力學的計算框架,來校正自己在量子實驗中對測量產生的“主觀預期”。倫敦大學皇家霍洛威學院(Royal Holloway, University of London)的 Ruediger Schack 是 QBism 詮釋的創始人之一,他認為:“(量子系統的)觀測結果實際上只能展現觀測者的個人化結果。”根據 QBism 的要義,量子理論無法告訴你關於真實世界的所有潛在信息,因此維格納也不能用它來推測朋友(在觀測實驗中)的經曆。

  另一個有趣的詮釋理論叫做逆因果律(retrocausality)。在這一理論中,未來可以影響過去。聖何塞州立大學(San Jose State University)物理學家 Ken Wharton 說:“從逆因果的角度來看,維格納的朋友確實經曆過一些事情。”但是,他朋友在實驗室所經曆的“某些事情”取決於這之後維格納如何觀察這位朋友。

  這些解釋量子觀測結果的詮釋理論難分伯仲,所以在它們之間進行選擇就需要看每個人的“口味”了。Steinberg 說:“沒有人知道確切的解釋是什麼,我們甚至不知道我們已經擁有的解釋是否詳盡無遺。”

  還有一種被稱為坍縮理論的模型,確實能做出可被檢驗的預測。它有一種附加機製:當量子系統變得太大時,這個系統會因此崩潰。這就解釋了為什麼貓、人和其他宏觀物體不能疊加在一起。目前,科學家正在進行實驗,來尋找這種系統坍縮的跡象,但迄今為止他們還沒有任何發現。量子物理學家也開始將更大的物體引入疊加態:去年維也納的一個研究小組報告說,他們將一個含 2000 個原子的分子引入了疊加態實驗。

  大多數的量子力學詮釋認為,沒有理由不讓這些超大型疊加實驗持續下去。如果研究人員可以在原始的實驗室條件下設計出正確的實驗,就可以避免退相干。不過,坍縮理論認為,不管實驗準備得多麼仔細,終有一天會達到極限。意大利的里雅斯特大學(University of Trieste)的量子物理學家、坍縮理論的倡導者 Angelo Bassi 說:“如果你試圖操縱一個典型的觀測者——比如說人類,並將其視為一個量子系統,它就會立即崩潰。”

  觀察“維格納的朋友”

  Tischler 和她的同事們相信,進行“維格納的朋友”的實驗可以揭示量子力學的局限性。新一波理論和實驗論文給了他們啟發——這些論文通過將量子糾纏引入維格納的經典實驗來研究觀測者在量子力學中扮演的角色。假設我們可以取兩個光粒子(光子)並讓它們產生偏振,這樣它們就可以水平或垂直地振動。那麼這一對光子也可以被認為處於水平和垂直振動的疊加態,就像薛定諤的貓在被觀測到之前處於生存和死亡的疊加態中一樣。

  這樣的光子對糾纏在一起,它們的偏振方向總是被發現是相反的。這看起來並不奇怪,除非你記住這些屬性在被測量之前是不固定的。即使一個光子給了澳州的一個叫愛麗絲的物理學家,而另一個被送到愛麗絲在奧地利維也納的同事鮑勃那裡,量子糾纏也能確保只要愛麗絲觀察到她的光子的偏振是水平方向的,鮑勃的光子的偏振就會立即同步到垂直方向。因為這兩個光子的通訊速度似乎比光速還要快,這是愛因斯坦的相對論所不能接受的。這一現象也深深地困擾著愛因斯坦,他稱之為“遠距離的幽靈”。

  這種困擾一直持續到上世紀六十年代,直到物理學家約翰·貝爾(John Bell)發明了一種方法來檢驗現實是否真的有“幽靈”存在,或者產生糾纏的光子對背後是否有更平凡和普遍的解釋。貝爾設想了一個常識性的局部理論,即(外界帶來的)影響不能在光子對之間立即傳播。這是確定性的,不是量子力學固有的概率性。因此,只要物理學家能更好地瞭解系統的隱藏屬性,原則上實驗結果可以被準確地預測。對量子力學家來說這是可行的,這意味著即使沒有人去觀察它們,量子系統也具有確定的屬性。隨後貝爾計算了一系列糾纏粒子之間關聯的最大水平,以支援這種局部的、確定的現實理論。如果某個理論在實驗中超過了這個閾值,那麼它背後的假設一定是錯誤的。

  到 2015 年,研究人員已經進行了一系列嚴密的“貝爾測試”,這些測試也證實了“幽靈”存在於現實世界。Steinberg 說:“量子基礎是一個真正由貝爾定理(Bell‘s theory)指導實驗的領域,現在已經有 50 多年的歷史了。我們花了大量時間去重新進行這些實驗,並討論它們的意義。幾乎沒有人能想出一個超越貝爾的新測試理論。”

  Brisbane 團隊的目標是推導和測試一個新的定理。他們想要在現實世界的天然屬性上施加一個更嚴格的約束,即“局部友好”界限。與貝爾的理論一樣,Brisbane 團隊的設想也是局部化的。他們還明確禁止“超決定論”。後者是指,實驗的觀測者可以不受未來或過去事件的影響,自由地選擇觀測什麼(貝爾也模糊地假設了實驗者有自由選擇權)。最後,研究團隊規定,當觀測者進行測量時,得到的結果是真實且單一的事件,與任何人、任何事物都沒有關聯。

  進行“局部友好”測試需要一個巧妙的設置:讓兩名“超觀測者”(superobservers)——愛麗絲和鮑勃(扮演維格納的角色),來觀察他們的朋友查理和黛比。愛麗絲和鮑勃各自都有一個用來操縱光子束的干涉儀。在被測量之前,光子的偏振處於水平和垂直的疊加態。在實驗中,研究人員製備了一對糾纏光子:當其中一個光子的偏振被測量到處於水平方向,另一個光子的偏振將立即翻轉到垂直方向。糾纏光子對中的一個光子在愛麗絲的干涉儀里,另一個則被送到鮑勃那裡。在這次測試中,查理和黛比並不是真實意義上的“人類的朋友”,他們更像是位於被放置在每個干涉儀前方的光束位移器。當愛麗絲的光子碰到位移器時,光子的偏振可以被有效地捕捉到;然後位移器會根據它捕捉到的光子偏振方向向左或向右轉動。這個動作相當於是愛麗絲的朋友查理在執行他的觀測。同理,黛比也在鮑勃那裡扮演同樣的角色。

  於是,愛麗絲必須做出選擇:她可以立即測量光子新的偏振方向,這就相當於打開實驗室的門,詢問查理他看到了什麼。或者愛麗絲可以讓光子繼續它的旅程,通過第二個光束位移器將左右路徑重新組合起來,相當於關閉了實驗室的門。愛麗絲可以直接測量出干涉儀的光子偏振度。在整個實驗過程中,愛麗絲和鮑勃獨立進行各自的觀測,然後通過比較觀測結果來計算這些糾纏光子對之間的關聯。

  Tischler 和她的同事們進行了 9 萬次實驗。正如預期的那樣,這些關聯否定了貝爾的初始邊界。最關鍵的是,這些關聯也超過了新的“局部友好”閾值。研究小組還可以修改設置:在光子進入干涉儀之前,讓其中一個光子繞道而行,從而降低光子之間的糾纏度,輕輕地擾亂兩個光子之間的完美和諧。當研究人員用稍微低一點的糾纏度進行實驗時,他們發現了一個點,在這個點上,關聯仍然違反了貝爾的界限,但是卻落在了“局部友好”界限內。Tischler 說,這一結果證明了這兩組邊界是不等價的,並且新的“局部友好”約束更強。她補充道:“如果你違反了這些原則,你就會對真實世界有更多的瞭解。”也就是說,如果量子理論認為“朋友”可以被視為量子系統,那麼你必須要麼放棄局部性:要麼接受觀測者必須同意的單一結果,要麼允許超決定論。每一種選擇都有深刻的含義,這顯然是令一些物理學家無法接受的。

  圖片來源:Pixabay

  讚同、爭議與反思

  位於紐約的量子計算機公司圖靈(Turing)的聯合創始人 Michele Reilly 說:“這篇論文是一項重要的哲學研究。”Reilly 沒有參與這項工作,她指出,研究量子基礎的物理學家們往往很難想出一個可行的測試方法來支援他們的想法,並且很高興看到一個哲學理論背後的實驗。Steinberg 則稱這項實驗“極其精巧”,並稱讚該團隊正面解決了觀測者在觀測中的角色之謎。

  量子力學迫使物理學家放棄了一個從貝爾那裡獲得的常識性假設——這一點也不奇怪。但第三方科學家 Wharton 表示:“這方面的進展正在幫助我們縮小這些假設的範圍。”不過,他指出,大多數量子詮釋理論的支援者不會被這項研究刺激到失眠。包括他自己在內、逆因果律的支援者已經和超決定論達成了和解:在他們看來,未來的測量結果會影響過去的結果並不令人震驚。與此同時,支援 QBism 觀點的科學家很久以前就提出了這樣的要求:量子力學規定了一個每個觀測者都必須同意的單一結果。

  玻姆理論和自發坍縮模型為了回應貝爾理論已經欣然放棄了局部性。此外,坍縮模型指出,一個真正的宏觀朋友不能作為一個量子系統來操縱。

  不過,Vaidman 對這項研究似乎不太讚同,他甚至批評將“維格納的朋友”與光子聯繫起來是不對的。他說,論文中使用的方法“很荒謬;朋友必須是宏觀的”。紐約大學的物理哲學家 Tim Maudlin 對這一觀點表示讚同,他也沒有參與這項研究。他指出:“除非是泛心論者(panpsychic),不然沒有人會認為光子能扮演觀測者的角色。”因為沒有物理學家質疑光子是否可以處於疊加態,Maudlin 覺得這個實驗缺乏說服力。他說:“這個實驗排除了一些沒人提出過的東西。”

  Tischler 接受了這些批評。她說:“我們不想過分吹噓我們的研究成果。”美國格里菲斯大學(Griffith University)的物理學家、研究團隊的成員 Howard Wiseman 補充說,未來實驗的關鍵是將“朋友”的尺寸擴大。他說,最具戲劇性的方法將是使用量子計算機上的人工智能設備作為“朋友”。Wiseman 指出,一些哲學家認為這樣的機器可能具有類似人類的體驗,這被稱為強人工智能假說。不過,還沒有人知道這個想法能否會成為現實。但如果假設成立,這種基於量子的通用人工智能(AGI)將是微觀的。從自發坍縮模型的角度來看,整個系統不會因為“朋友”太大而坍縮。如果這樣的測試能在不違反“局部友好”邊界的條件下進行,那麼這個結果意味著 AGI 的意識不能被疊加。如果剛好相反,那這個結論將表明維格納認為意識導致量子系統崩潰是正確的。Wiseman 說:“我不認為在我有生之年能看到這樣的實驗。如果它成功了,那將是革命性的。”

  然而,Reilly 警告說,如果物理學家們希望未來AGI能對真實世界的基本描述有所幫助,那就是本末倒置了。她指出:“對我來說,量子計算機將成為我們進入 AGI 時代的轉變契機,這不是不可想像的。最終,我們需要一個適用於一切的理論,以便在量子計算機上建立 AGI 。”

  這一要求可能會排除一些更宏大的計劃。不過,研究團隊還是建議可以將機器學習系統作為“朋友”來進行更溫和的中間測試,這讓 Steinberg 很著迷。他說,這種做法“有趣又刺激”。“事實上,規模越來越大的計算設備可以用量子方法來進行測量,這個想法的可能性正在變高。”

  瑞士蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的量子物理學家 Renato Renner 提出了一個更有力的主張:不管未來的實驗能否進行,新的定理告訴我們,量子力學需要被取代。2018 年,在 ETH 工作的 Renner 和他的同事 Daniela Frauchiger 發表了一個基於“維格納的朋友”的思維實驗,並用它推導出一個全新的悖論。他們的實驗設置不同於 Brisbane 團隊,但也涉及到四個觀測者,彼此之間存在糾纏。Renner 和 Frauchiger 計算出,如果觀測者相互應用量子定律,他們最終可能在同一個實驗中推斷出不同的結果。

  Renner 說:“這篇新論文再次證實了當前的量子力學存在問題。”他認為,如果支援者承認他們關心這些量子詮釋理論是否能給出一致的結果,那麼目前這項理論都無法擺脫所謂的 Frauchiger-Renner 悖論。他說,支援 QBism 觀點的科學家提供了最容易接受的逃逸方法,因為從一開始,他們就說量子理論不能用來推斷其他觀測者將測量到什麼。他補充道:“不過,我還是很擔心:如果一切都是我個人的事,我怎麼能表達與你有關的觀點呢?” Renner 現在正在研究一種新的理論,它提供了一套數學規則,讓一個觀測者可以計算出另一個觀測者在量子實驗中應該看到些什麼。

  儘管如此,那些堅信自己所支援的量子詮釋理論是正確的人,仍然認為 Tischler 的研究沒有什麼價值。Vaidman 說:“如果你認為量子力學是不健全的,認為它需要被替換,那麼這個研究就有用,因為它告訴你了新的約束。但我不同意‘任何理論都能解釋一切’這種觀點。”

  目前,物理學家們將不得不繼續討論哪種量子詮釋理論是最好的,或者是否需要針對一種全新的量子理論達成一致。Reilly 說:“這就是我們在二十世紀初‘脫軌’的地方,我們真的對此感到困惑。但做這些研究去思考這個問題,恰恰是正確的做法。”

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