量子物理：客觀現(xiàn)實或許并不存在

　　事實是主觀的

 

　　另類事實就像病毒一樣在全社會蔓延，現(xiàn)在看來，甚至科學也被它們所浸染，至少在量子領域就是這樣。這聽起來似乎有違直覺。畢竟科學方法是建立在有據(jù)可查的觀察、測量，以及可復制的概念之上的。一個通過測量確定的事實應該是客觀的，且所有的觀測者都能對其達成共識的。

 

　　但在一篇近期發(fā)表于《科學進展》雜志上的論文中，有物理學家指出，在由量子力學的奇異規(guī)則所支配的原子和粒子的微觀世界中，兩個不同的觀測者可以“看到”各自的事實。換句話說，根據(jù)我們所擁有的最好的自然構造理論——量子理論來看：事實實際上是主觀的。

 

　　思想實驗

 

　　觀測者是量子世界中的強大玩家。根據(jù)量子理論，粒子可以同時處于多個地方或多種狀態(tài)，也就是所謂的疊加態(tài)。但奇怪的是，這只發(fā)生在它們沒有被觀測的情況下。當對一個量子系統(tǒng)進行觀測時，疊加態(tài)就會被打破，坍縮到一個特定的位置或者特定的狀態(tài)。我們已經(jīng)在實驗室中多次驗證自然界的這種行為。

 

　　1961年，物理學家尤金·維格納（EugeneWigner）提出了一項頗能激起爭議的思想實驗。他提出，如果將量子力學應用到一個被觀測的觀測者身上，會發(fā)生什么。他假想了這樣一個場景：維格納的一個朋友在一個封閉的實驗室中拋擲一枚量子硬幣，這枚硬幣處于正面和反面的疊加態(tài)。每次當朋友拋擲這枚硬幣后，他都能觀測到一個明確的結果。可以說，朋友的操作創(chuàng)建了一個事實，那就是拋擲硬幣會得出要么正面要么反面的確定結果。

 

　　○維格納的朋友實驗。A。封閉盒子中是維格納的朋友和他要拋擲的硬幣。B。對于站在盒子外的維格納來說，朋友和硬幣處于一種疊加的糾纏態(tài)。|圖片來源：MassimilianoProiettiet。al。/Science○維格納的朋友實驗。A。封閉盒子中是維格納的朋友和他要拋擲的硬幣。B。對于站在盒子外的維格納來說，朋友和硬幣處于一種疊加的糾纏態(tài)。|圖片來源：MassimilianoProiettiet。al。/Science

 

　　在實驗室之外的維格納無法得知這一事實，而根據(jù)量子力學，他必須將朋友和硬幣描述為實驗的所有可能結果的疊加。因為它們以一種詭異的方式連接在一起，相互“糾纏”，如果你操縱其中一個，也就操縱了另一個。理論上講，維格納現(xiàn)在可以通過“干涉實驗”來驗證這種疊加，這是一種量子測量方法，它能解開整個系統(tǒng)的疊加，從而確認兩個物體的確是糾纏在一起的。

 

　　當維格納和他的朋友在事后對拋擲硬幣的結果交換意見時，他的朋友會堅持認為自己在每次拋硬幣時都看到了明確的結果。然而，當維格納觀測到“朋友”和“硬幣”處于疊加狀態(tài)時，他就無法認同朋友的這種觀點。這就讓問題陷入了兩難。朋友眼中的現(xiàn)實與外界的現(xiàn)實并不一致。

 

　　維格納最初并沒有把這個問題當成一個悖論，他認為把一個有意識的觀測者描述成一個量子對象是很荒謬的。然而后來的他摒棄了這一觀點，根據(jù)量子力學來看，這種描述是完全可行的。

 

　　一個實驗

 

　　長期以來，這個場景一直停留在作為一個有趣的思想實驗階段。但它能反映現(xiàn)實嗎？這一問題在科學上幾乎沒有取得什么進展，直到最近，維也納大學的物理學家？aslavBrukner的理論表明，在一定假設下，維格納的想法可被用于正式證明——量子力學中的測量對觀測者來說是主觀的。

 

　　Brukner提出了一種驗證這一概念的方法，他將維格納所假想的場景轉換成了由物理學家約翰·貝爾（JohnBell）在1964年首次建立的一個理論框架：Brukner考慮了兩對“維格納與朋友”，分別將他們置于兩個不同的盒子里，在各自的盒子里和盒子外對共有的狀態(tài)進行測量。然后，所有的這些結果最終可以結合起來用于評估“貝爾不等式”。如果不等式被違反，那么觀測者們可能就見證了不同的事實。

 

　　現(xiàn)在，赫瑞-瓦特大學的物理學家用由三對糾纏光子組成的小型量子計算機，第一次用實驗對Brukner的想法進行了驗證：一對光子代表硬幣；另一對用于在各自的盒子里“拋擲硬幣”，也就是測量光子的偏振；在兩個盒子之外，兩邊各有兩個可以進行測量的光子。

 

　　盡管研究人員使用的是最先進的量子技術，但要從6個光子中收集足夠的數(shù)據(jù)還是花費了他們數(shù)周的時間才產生足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。最終，研究人員成功地證明了量子力學或許確實與客觀事實的假設不相容——他們的結果違反了貝爾不等式。

 

　　有趣的未來

 

　　然而，這一理論是基于一些假設的。比如它假設觀測結果是不受超光速信號的影響的，它也假設觀測者可以自由選擇進行何種測量。這有可能就是事實，但也可能不是。

 

　　另一個重要的問題是——單光子是否可被視為是觀測者。在Brukner所提出的理論中，觀測者并不需要具有意識，但它們必須能夠以測量結果的形式創(chuàng)立事實。因此，一個沒有生命的探測器可以是一個有效的觀測者。根據(jù)教科書版的量子力學，我們沒有理由認為探測器（可被制造成只有幾個原子大小）不應該被描述成像光子一樣的量子物體。也有可能標準量子力學并不適用于大尺度，但驗證卻是另一個問題。

 

　　因此，這個實驗表明，至少對于量子力學的局域模型來說，我們需要重新思考客觀性的概念。雖然我們在宏觀世界中所體驗的事實似乎并不會受到這一研究結果的影響，但由此引發(fā)的一個主要問題是，現(xiàn)有的量子力學詮釋要如何適應主觀事實。

 

　　一些物理學家認為，新的進展支持了這樣一種解釋，那就是它允許在一次觀測中出現(xiàn)多種結果，例如平行宇宙的存在，能讓每種結果都在其發(fā)生。還有一些物理學家則將新的進展視為是力證具有內在觀測者依賴性的理論（如量子貝葉斯理論）的證據(jù)。在量子貝葉斯理論中，主體的行為和經(jīng)驗是這一理論的核心關注點。但也有人認為，這是一個強有力的信號，預示著或許量子力學將打破某些復雜的規(guī)模。

 

　　顯然，這些都是一些深刻的關于現(xiàn)實本質的哲學問題。不論答案是什么，一個有趣的未來都正在等待著我們。