@ 2018.10.16 , 11:00

升级版“薛定谔的猫”思想实验得到了令人震惊的结果

虐猫狂人……

量子力学中最著名的思想实验“薛定谔的猫” 巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。

实验是这样的:在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。

升级版“薛定谔的猫”思想实验得到了令人震惊的结果

猫咪的复仇

现在,两位物理学家设计了一个更现代的版本,用物理学家来取代猫——得到了令人震惊的结果。

最新版本涉及多个参与者,使它更加不同寻常之处在于:它表明,如果量子力学的标准诠释是正确的,那么对同一场实验,不同的参与者可以得出截然相反的结论。这意味着量子理论与自身相矛盾。

这个概念性实验已经在物理学界被热烈地讨论了两年之久——并且让大多数研究人员感到窒息,即使他们早已在量子世界中千锤百炼。“我认为这是一个全新的怪异现象。”加州奥兰治查普曼大学的理论物理学家Matthew Leifer说。

苏黎世瑞士联邦理工学院(ETH)的Daniela Frauchiger和Renato Renner于2016年4月在线发布了第一版理想实验。最终论文于9月18日在Nature Communications上发表。(Frauchiger现已离开学术界。)

奇怪的世界

量子力学几乎是所有现代物理学的基础,为从原子结构到磁铁相互粘合的原因一一给出令人信服的解释。但其基础概念始终令研究人员感到困惑。它的方程不能预测出测量的确切结果——例如电子的位置——只能预测不同结果特定值的概率。

因此,诸如量子化的电子生活在不确定的云雾中,用数学上称之为“波函数”的技术来描述。但是当我们实际测量诸如电子位置之类的属性时,总是可以得到一个唯一的值。

在20世纪20年代由量子理论先驱尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出了所谓的为哥本哈根解释。它说观察量子系统的行为使得波函数从波“坍塌”成单个的数据点。

哥本哈根解释留下了一个问题:为什么量子世界和经典世界(以及日常经验)适用于两套不同的规则。但它至少令我们安心:虽然量子对象处于不确定的状态,但观察导致它们跨入经典领域并给出了和日常经验相符合的结果。

现在,Frauchiger和Renner就是打破了这层虚假的安全感。他们的推理表明,哥本哈根诠释——以及其他关于基本假设的解释——并不是自洽的。

盒子里的物理学家

1967年,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一个悖论的升级版本——他用另一个物理学家取代了猫和毒药。维格纳把他的同事塞到一个带有各种仪器的盒子里,仪器可以随机返回两个结果中的一个,例如硬币的字或背。

当维格纳的朋友看到结果时,波函数会崩溃吗?有一种观点认为如果确实如此,那就表明意识属于更高层次的力量。但是,如果量子力学同样适用于物理学家本身,那么他应该像是猫一样处于一种不确定的状态:“他看到了字”和“他看到了背”这两种状态叠加,直到维格纳打开盒子。

Frauchiger和Renner有一个更复杂的版本。他们有两个维格纳,每个维格纳都把一个物理学家朋友放进一个盒子里。

一个盒子中的物理学家(称她为爱丽丝)可以投掷硬币,并利用她的量子物理知识——发送一条量子信息给另一个盒子中的物理学家(称他为鲍勃)。

鲍勃可以接收到爱丽丝的信息并推测投掷硬币的结果。当盒子外的两位分别打开自己的那只盒子时,在某些情况下,他们可以确认硬币到底是字还是背,但Renner说——存在一定几率,他们的结论并不一致。

用量子计算机来替代盒子里的物理学家

Renner's在苏黎世联邦理工学院的同事、理论家LídiaDelRio指出,该实验不能付诸实践,因为它要求维格纳测量出他朋友的所有量子属性,包括他们的思想。

然而,使用两台量子计算机扮演爱丽丝和鲍勃的角色可能是可行的:论证的逻辑只要求他们知道物理规则并根据它们做出决策,原则上人们可以检测完整的量子态。

自相矛盾

物理学家仍在消化这一结果。它引发了量子理论基础领域的专家们的激烈反应。不同的研究人员倾向于得出不同的结论。“大多数人都声称实验表明自己的解释是唯一正确的。”

加拿大滑铁卢周界理论物理研究所的理论物理学家Robert Spekkens,说,解决悖论的关键可能隐藏在实验前提条件里的一些微妙的假设上,特别是叠加态的爱丽丝和叠加态的鲍勃之间的量子通信中。

也许这种不一致来自鲍勃没有恰当地编译出爱丽丝的信息,他说。但他承认他还没有发现发现问题的具体所在。

目前,物理学家还会继续辩论。“我认为我们还没有真的理解这个实验。”Leifer说。

经过删节、补充且重排
本文译自 nature,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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