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量子力学显示 客观事实或并不存在

似乎与常识相悖。毕竟,科学方法建立在观察、测量和可重复性等可靠概念之上。可测量的确定事实应该是客观的,所有观察者才能做出一致的结论。

但根据上月发表在《科学进展》上的论文,在由量子力学的奇怪规则支配的微观世界中,两个不同的观察者,可以对同一对象的行为做出相反而又正确的记录。

换句话说,事实本身实际上是主观的。观察者是量子世界中强大的参与者。根据量子力学,粒子可以同时处于多个位置或状态——被称为叠加态。

但是奇怪的是,只有在没有观察到它们的情况下,叠加态才会存在。我们观察到一个量子系统,会迫使系统进入到确定的状态。这一量子特性,已经在实验获得了多次证明,如著名的双缝实验。

1961年,物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一个具有启发性的思想实验:如果没有观察者,系统就是叠加态;那把观察者本身也看做是系统的一部分,会怎么样?

想象一下,维格纳的一位朋友在一个封闭的实验室里掷出一枚量子硬币,量子硬币的字和背具有叠加态。只当朋友去看投掷结果时,硬币才能确定是字或背。当然,在这种(盯着硬币)情况下,量子硬币和普通硬币是没有区别的:每次投掷,都会得到确定的字或背。

维格纳无法从外部获知封闭空间里的结果,根据量子力学,他可以通过所谓的“干涉实验”来确定“朋友+量子硬币构成的系统”是否是叠加态,而理性高速我们,系统整体应该是叠加态。

那问题来了,对实验中友人来说,因为他一直看着硬币,所以结果都是确定态的;而对维格纳来说,整个系统显然又是叠加态的。

维格纳原本并不认为这是一个悖论,只是要显示,把有意识的观察者看做量子对象是荒谬的。但他后来偏离了出发点。

现代实验

维格纳的朋友,一直是一个有趣的思想实验。但它反映了现实困境吗?

从科学上讲,直到最近,维也纳大学的Časlav Brukner才在一定的前提下,用实验重现了维格纳的思想实验。

Brukner提出了一种将维格纳的朋友转换成物理学家约翰·贝尔(John Bell)于1964年建立的框架的方法。Brukner用两个独立盒子中模拟了两套维格纳和朋友,他们要在盒子内外测量同一客体的状态。并对结果进行汇总,最终用所谓的“贝尔不等式”进行评估。如果违反了不等式,则观察者有可能观察到不同的事实。

在爱丁堡Heriot-Watt大学,我们首次在由三对纠缠光子组成的小型量子系统上的进行了实验。

第一对光子代表硬币,第二对相当于各自盒子内抛硬币(测量光子的极化)的朋友。在这两个盒子外面,最后一对光子相当于两个维格纳。

尽管只有6个光子,又使用了最先进的量子技术,但花了数周时间才收集到足够的数据生成可靠性高的统计结果。最终,我们证明,量子力学里或许真的不存在客观事实的概念——结果不满足贝尔不等式。

但是,该实验基于某些基本假设。其中包括信息传播无法突破光速、观察者可以自由选择要进行测量的物理量。事实或许并非如此。

另一个重要的问题是,是否可以将单个光子视为观察者。按Brukner的建议,观察者无需存在意识,只要它们能够以反馈测量结果的形式构建事实。

因此,无生命的仪器将是有效观察者。量子力学教科书,没有给我们任何理由去怀疑,利用几个原子实现的检测器,不应像单个原子一样被描述为量子对象。标准量子力学也可能不适用于宏观物体,但测量则是另一类问题。

因此,该实验表明,至少对量子力学的局部模型来说,我们需要重新考虑客观性的概念。宏观世界中的事实似乎仍然是安全的,但是关于量子力学的现有解释如何能够容纳主观事实的问题,颇令人困惑。

一些物理学家将新发展视为支持各自理论的线索,如平行宇宙的存在。

其他人则将其视为“实体本质上依赖于观察者”理论的有力证据,例如量子贝叶斯主义,其中观察者的行为和经验是理论的核心关注点。但是,还有其他人将其视为明显征兆,即达到一定规模,量子力学可能崩溃。

显然,这些都是关于现实本质的深刻的哲学问题。无论答案如何,等待着我们的。都是一个有趣的未来。

责任编辑: 李华   来源:煎蛋网 转载请注明作者、出处並保持完整。

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