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量子力學顯示 客觀事實或並不存在

似乎與常識相悖。畢竟,科學方法建立在觀察、測量和可重複性等可靠概念之上。可測量的確定事實應該是客觀的,所有觀察者才能做出一致的結論。

但根據上月發表在《科學進展》上的論文,在由量子力學的奇怪規則支配的微觀世界中,兩個不同的觀察者,可以對同一對象的行為做出相反而又正確的記錄。

換句話說,事實本身實際上是主觀的。觀察者是量子世界中強大的參與者。根據量子力學,粒子可以同時處於多個位置或狀態——被稱為疊加態。

但是奇怪的是,只有在沒有觀察到它們的情況下,疊加態才會存在。我們觀察到一個量子系統,會迫使系統進入到確定的狀態。這一量子特性,已經在實驗獲得了多次證明,如著名的雙縫實驗。

1961年,物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)提出了一個具有啟發性的思想實驗:如果沒有觀察者,系統就是疊加態;那把觀察者本身也看做是系統的一部分,會怎麼樣?

想像一下,維格納的一位朋友在一個封閉的實驗室里擲出一枚量子硬幣,量子硬幣的字和背具有疊加態。只當朋友去看投擲結果時,硬幣才能確定是字或背。當然,在這種(盯著硬幣)情況下,量子硬幣和普通硬幣是沒有區別的:每次投擲,都會得到確定的字或背。

維格納無法從外部獲知封閉空間里的結果,根據量子力學,他可以通過所謂的「干涉實驗」來確定「朋友+量子硬幣構成的系統」是否是疊加態,而理性高速我們,系統整體應該是疊加態。

那問題來了,對實驗中友人來說,因為他一直看著硬幣,所以結果都是確定態的;而對維格納來說,整個系統顯然又是疊加態的。

維格納原本並不認為這是一個悖論,只是要顯示,把有意識的觀察者看做量子對象是荒謬的。但他後來偏離了出發點。

現代實驗

維格納的朋友,一直是一個有趣的思想實驗。但它反映了現實困境嗎?

從科學上講,直到最近,維也納大學的Časlav Brukner才在一定的前提下,用實驗重現了維格納的思想實驗。

Brukner提出了一種將維格納的朋友轉換成物理學家約翰·貝爾(John Bell)於1964年建立的框架的方法。Brukner用兩個獨立盒子中模擬了兩套維格納和朋友,他們要在盒子內外測量同一客體的狀態。並對結果進行匯總,最終用所謂的「貝爾不等式」進行評估。如果違反了不等式,則觀察者有可能觀察到不同的事實。

在愛丁堡Heriot-Watt大學,我們首次在由三對糾纏光子組成的小型量子系統上的進行了實驗。

第一對光子代表硬幣,第二對相當於各自盒子內拋硬幣(測量光子的極化)的朋友。在這兩個盒子外面,最後一對光子相當於兩個維格納。

儘管只有6個光子,又使用了最先進的量子技術,但花了數周時間才收集到足夠的數據生成可靠性高的統計結果。最終,我們證明,量子力學裡或許真的不存在客觀事實的概念——結果不滿足貝爾不等式。

但是,該實驗基於某些基本假設。其中包括信息傳播無法突破光速、觀察者可以自由選擇要進行測量的物理量。事實或許並非如此。

另一個重要的問題是,是否可以將單個光子視為觀察者。按Brukner的建議,觀察者無需存在意識,只要它們能夠以反饋測量結果的形式構建事實。

因此,無生命的儀器將是有效觀察者。量子力學教科書,沒有給我們任何理由去懷疑,利用幾個原子實現的檢測器,不應像單個原子一樣被描述為量子對象。標準量子力學也可能不適用於宏觀物體,但測量則是另一類問題。

因此,該實驗表明,至少對量子力學的局部模型來說,我們需要重新考慮客觀性的概念。宏觀世界中的事實似乎仍然是安全的,但是關於量子力學的現有解釋如何能夠容納主觀事實的問題,頗令人困惑。

一些物理學家將新發展視為支持各自理論的線索,如平行宇宙的存在。

其他人則將其視為「實體本質上依賴於觀察者」理論的有力證據,例如量子貝葉斯主義,其中觀察者的行為和經驗是理論的核心關注點。但是,還有其他人將其視為明顯徵兆,即達到一定規模,量子力學可能崩潰。

顯然,這些都是關於現實本質的深刻的哲學問題。無論答案如何,等待著我們的。都是一個有趣的未來。

責任編輯: 李華   來源:煎蛋網 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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