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新的量子实验表明:客观现实可能并不存在

新的量子实验表明:客观现实可能并不存在
一些物理学家将这些新进展视为支持一次观测中可以出现多种结果的理论依据,例如存在平行宇宙,每一种结果都可能发生
  一些物理学家将这些新进展视为支持一次观测中可以出现多种结果的理论依据,例如存在平行宇宙,每一种结果都可能发生  新浪科技讯 北京时间11月22日消息,“另类事实”(alternative facts,一般指替代性,不真实的谎言)像病毒一样在全社会蔓延,现在似乎也感染了科学界——至少在量子领域。这听起来有点违反直觉。科学方法毕竟是建立在可靠的观察、测量和重复性的概念之上。通过测量确定的事实应该是客观的,这样所有的观察者才能达成共识。

然而,最近发表在《科学进展》(Science Advances)杂志的一篇论文中,研究人员指出,在由量子力学支配的微观粒子世界中,两个不同的观察者都有权获取自己的事实。换句话说,根据目前的量子理论,事实实际上是主观的。

观察者在量子世界中扮演着重要的角色。根据量子理论,粒子可以同时处于多个地方或多种状态,这就是所谓的“叠加态”。但奇怪的是,这只是在它们没有被观察到的情况下。当我们观察一个量子系统时,粒子会选择一个特定的位置,即打破叠加态。事实上,自然界的这种行为已经在实验室中被多次证实,比如著名的双缝实验。

1961年,物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一项颇具挑衅意味的思维实验。他问道,如果将量子力学应用到一个观察者身上,而这个观察者同时也受到观察,将会发生什么?想象一下,维格纳的一个朋友在封闭的实验室里掷出一枚量子硬币——处于正面和反面的叠加态。每次朋友扔硬币时,他们都观察到一个明确的结果。我们可以说,维格纳的朋友建立了一个事实:掷硬币的结果肯定是正面或反面。

维格纳无法在外面得知这个事实,根据量子力学,他必须把朋友和硬币描述成实验中所有可能结果的叠加。因为二者是“纠缠”的,彼此诡异地联系在一起。所以如果你操纵其中一个,同时也会操纵另一个。在原则上,维格纳可以通过所谓的“干涉实验”来验证这种叠加。干涉实验是一种量子测量方法,可以让你解开整个系统的叠加,从而确认两个物体之间的纠缠。

在观察结束之后,当维格纳和他的朋友交换意见时,朋友会坚持认为,他们在每次抛硬币时都看到了明确的结果。但是,维格纳不会同意这种观点,因为他观察到的是“朋友”和“硬币”处于叠加态。

这就成了一个难题。朋友眼中的现实与外界看到的现实是不一致的。维格纳最初并不认为这是一个悖论,他认为把一个有意识的观察者描述成一个量子对象是荒谬的。然而,他后来背离了这种观点,根据量子力学的正规教科书,这样的描述是完全正确的。

新的实验

维格纳想象的场景长期以来一直是一个有趣的思维实验,但真的能反映现实吗?在科学上,这一问题几乎一直没有什么进展。直到最近,维也纳大学的Časlav Brukner研究表明,在某些假设下,维格纳的思想实验可以用来证明,量子力学中的测量对观察家而言是主观的。

Brukner提出了一种测试方法,他将维格纳的朋友场景转换成物理学家约翰·贝尔(John Bell)在1964年首次建立的框架。最后的结果总结起来,可以用于估算所谓的“贝尔不等式”。如果这个不等式被打破,观察者可能就会得到替代性的事实。

研究人员首次在爱丁堡赫瑞瓦特大学进行了实验性测试。他们使用了一台由三对纠缠光子组成的小型量子计算机。第一对光子代表硬币,另外两对光子则代表着在各自的盒子里投掷硬币(测量光子的偏振)。在两个盒子之外,两边各有两个光子,也可以进行测量。

尽管使用了最先进的量子技术,但仅从6个光子中收集足够的统计数据就需要数周时间。最终,研究人员成功证实了量子力学可能确实会与客观事实的假设不相容——不等式被打破了。不过,这个理论建立在一些假设的基础上,包括测量结果不受光速以上信号的影响,以及观察者可以自由选择测量内容等。因此,这并不是最终确定的结论。

另一个重要的问题是,是否可以将单光子视为观察者。在Brukner的理论中,观察者不需要具有意识,只需要能够以测量结果的形式建立事实。因此,一个无生命的探测器也可以是有效的观察者。根据教科书上的量子理论,我们有理由相信,一个探测器如果能做得像原子那么小,那应该也可以描述成像光子一样的量子物体。也有可能标准的量子力学不适用于大尺度,但想要进行测试的话,又是另一个问题了。

因此,这个实验表明,至少就量子力学的局部模型而言,我们需要重新思考客观性的概念。在宏观世界中,我们所体验到的事实似乎仍是安全的,但主要问题在于,现有的量子力学解释如何能容纳主观事实。

一些物理学家将这些新进展视为支持一次观测中可以出现多种结果的理论依据,例如存在平行宇宙,每一种结果都可能发生。另一些人则认为,这些研究结果是本质上依赖观察者的理论(如量子贝叶斯理论)的有力证据。在量子贝叶斯理论中,主体的行为和体验是该理论的核心关注点。还有人认为,这是一个强有力的暗示,或许意味着量子力学将在某些复杂的尺度上崩解。

很显然,这些都是关于现实本质的哲学问题。无论答案是什么,一个有趣的未来正等待着我们。(任天)

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