在众多科学理论中,或许没有比量子力学受到更多支持的理论了。近一百年来,量子力学反复被高精度的实验所验证,然而物理学家并不完全满意。尽管量子力学描述微观水平的事件非常精确,对于宏观物体,尤其是引力为主导作用的物体,量子力学就走到了极限。例如,量子力学不能描述行星的行为——这属于广义相对论的范畴;而广义相对论亦不能描述小尺度的过程。因此,许多物理学家梦想着能将量子力学与广义相对论结合起来。

朝着更大的物体

尽管二者都能非常精确地描述各自范畴内的物理过程,但是,将这两种如此不同的理论结合起来有可能吗?

一种可能性是希望在使用越来越大的物体来进行量子物理学实验的过程中,最终会出现指向可能答案的差异。但问题在于,物理实验必须在严格的约束下进行。例如,著名的双缝干涉实验可被用来证明固体粒子同时具有波的行为,但它并不能用日常物体来进行实验。

另一方面,思想实验却可以用来超越宏观世界的界限。这正是瑞士联邦理工学院(ETH)的理论物理学教授Renato Renner和他之前的博士生Daniela Frauchiger在最近发表于《自然通讯》期刊上的论文中完成的事情。

思想实验

量子力学有着很长的思想实验的历史,大多数情况下,这些实验被用来指出量子力学的各种解释的弱点。

1935年,薛定谔提出了一个思想实验,一只猫待在盒子里,盒子中有一种可能被随机触发的毒药释放机制。在这种情况下,猫的状态——是死是活——是不确定的,除非实验人员打开盒子查看结果。因此,猫处于两种完全不同的宏观态的叠加态。薛定谔指出,这样的宏观叠加态本身并没有任何矛盾。

薛定谔的思想实验表明,将量子力学扩展到大尺度会产生令人惊异的结果。但是匈牙利物理学家维格纳(Eugene Wigner)并不认为量子力学的有效性可以无限扩展

1967年,维格纳提出了另一版本的思想实验,他将猫和毒药换成了一个待在盒子里的物理学家朋友F,盒子里还有这样一台测量设备,它能得出两种结果中的一种——比如抛掷硬币会得到正面还是反面。

进化版薛定谔的猫,引发激烈的辩论-量子客

○ 维格纳的思想实验:F在垂直方向上测量一个银原子的自旋S,获得结果z。从F的角度来看,S的自旋是一个已知的纯态。在盒子外面的W,会将包括F在内的整个盒子视为一个大的量子系统L(橙色盒子),因此W会给系统L指定一个叠加态。| 图片来源:[1]

根据量子力学的哥本哈根诠释,观测一个量子系统会导致描述系统的波函数“坍缩”——从扩展的概率分布变成一个确定的结果。那么当维格纳的朋友F意识到抛掷硬币的结果后,描述这个系统的波函数会坍缩吗,也就是说,观察者维格纳W会得到抛掷硬币的确定结果吗?

有一派观点认为,意识是不属于量子力学领域的,因此整个系统的波函数会坍缩。但是如果量子力学也适用于这个拥有意识的物理学家F,那么她就会处于两种结果叠加的不确定状态,直到维格纳打开盒子。

然而,这种差异可以用两个观察者对于系统的不同层次的认知来解释:维格纳的朋友F知道抛掷硬币的最终结果,但是维格纳不知道。因此,尽管这种不确定的叠加态看起来很奇怪,却并不矛盾。因为这个原因,维格纳的思想实验并不能作为排除量子力学具有普遍适用性的论据。

Frauchiger和Renner的思想实验更复杂,他们扩展了维格纳的实验,在他们的系统中,存在两个“维格纳”,每一个都在进行一项让自己的物理学家朋友待到盒子里的实验。其中一个朋友F‘会抛掷硬币,并利用她的量子力学知识给朋友F发送一则量子信息;F则利用自己的量子力学知识来识别F‘的信息,并猜测她投掷硬币的结果。

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○ Frauchiger和Renner的思想实验:在每一轮实验中n=0、1、2……F‘抛掷一枚硬币,然后根据抛掷的结果为自旋粒子施以某一方向的极化。然后,F再测量S的垂直极化z。之后,观测者W’与W各自测量整个盒子(包括F’与F在内)L’与L,分别得到结果w’和w。图中在顶端加有横杠的F、W、L,对应于文中的F’、W’、L‘。| 图片来源:[1]

根据我们现在的世界观,当两个维格纳W’和W各自打开盒子时,应该观察到相同的结果。然而,Frauchiger和Renner的计算表明,当两个观察者W’和W打开盒子时,他们在一些情况下可以确定硬币哪一面朝上,但是有时候他们的结论会出现不一致——一个认为是正面朝上,另一个认为反面朝上。这意味着量子力学的标准诠释对现实的描述是不一致的

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令人费解的结论

虽然这个思想实验直到现在才正式发表在科学期刊上,但它早已成为专家们讨论的话题。由于发表过程的屡次延迟,其他物理学家已经在各种文献中回应这一发现。

Renner说,大多数人的第一反应都是怀疑计算的正确性,但是到目前为止,还没有人能证明这些计算是错的。有一位评论者承认,他五次尝试在计算中寻找错误,但都没有成功。还有研究人员给出了如何才能够解决这一悖论的具体解释,然而,一旦仔细检查就总会发现,这些解释不过是一些特别的解答,实际上并没有解决问题。

Renner发现,许多同一领域的同事对这一发现的回应非常情绪化,这或许是因为这一发现太令人费解了。

圆周理论物理研究所的Robert Spekkens认为,走出这一悖论的通道可能隐藏在某些微妙的假定里,尤其是F‘和F之间的沟通,比如结果的不一致性或许是源于F并没有正确地解释F‘的信息。

另一位理论物理学家Matthew Leifer认为,产生不一致的结果并不意味着整个理论的坍塌,量子力学的一些解释已经允许从不同的视角来描述现实。这总比不得不接受量子理论不能应用于像人这样的复杂事物要好。

Renner则认为,这一悖论的解决将会以另一种方式出现:“当我们回看历史,会发现在许多这样的时刻,问题的答案往往隐藏在出乎意料的方向。” 例如,广义相对论解决了牛顿物理学的矛盾,是因为意识到,之前人们对时间概念的普遍理解是错误的。

Renner说:“现在的工作是考察我们的思想实验是否应该以不同的形式做假定。甚至,我们可能必须再次修改关于空间和时间的概念。只有当我们从根本上重新思考现有的理论时,才会对自然究竟如何运作产生更深刻的洞察。”

参考来源:

[1] https://www.nature.com/articles/s41467-018-05739-8

[2] https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/09/errors-in-the-quantum-world.html

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-018-06749-8?WT.feed_name=subjects_nanoscience-and-technology