量子物理：客觀現(xiàn)實(shí)或許并不存在

　　事實(shí)是主觀的

 

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

 

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

 

　　思想實(shí)驗(yàn)

 

　　觀測者是量子世界中的強(qiáng)大玩家。根據(jù)量子理論，粒子可以同時(shí)處于多個(gè)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(dāng)對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)進(jìn)行觀測時(shí)，疊加態(tài)就會(huì)被打破，坍縮到一個(gè)特定的位置或者特定的狀態(tài)。我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中多次驗(yàn)證自然界的這種行為。

 

　　1961年，物理學(xué)家尤金·維格納（EugeneWigner）提出了一項(xiàng)頗能激起爭議的思想實(shí)驗(yàn)。他提出，如果將量子力學(xué)應(yīng)用到一個(gè)被觀測的觀測者身上，會(huì)發(fā)生什么。他假想了這樣一個(gè)場景：維格納的一個(gè)朋友在一個(gè)封閉的實(shí)驗(yàn)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(dāng)朋友拋擲這枚硬幣后，他都能觀測到一個(gè)明確的結(jié)果。可以說，朋友的操作創(chuàng)建了一個(gè)事實(shí)，那就是拋擲硬幣會(huì)得出要么正面要么反面的確定結(jié)果。

 

　　○維格納的朋友實(shí)驗(yàn)。A。封閉盒子中是維格納的朋友和他要拋擲的硬幣。B。對(duì)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(shí)驗(yàn)。A。封閉盒子中是維格納的朋友和他要拋擲的硬幣。B。對(duì)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(shí)驗(yàn)室之外的維格納無法得知這一事實(shí)，而根據(jù)量子力學(xué)，他必須將朋友和硬幣描述為實(shí)驗(yàn)的所有可能結(jié)果的疊加。因?yàn)樗鼈円砸环N詭異的方式連接在一起，相互“糾纏”，如果你操縱其中一個(gè)，也就操縱了另一個(gè)。理論上講，維格納現(xiàn)在可以通過“干涉實(shí)驗(yàn)”來驗(yàn)證這種疊加，這是一種量子測量方法，它能解開整個(gè)系統(tǒng)的疊加，從而確認(rèn)兩個(gè)物體的確是糾纏在一起的。

 

　　當(dāng)維格納和他的朋友在事后對(duì)拋擲硬幣的結(jié)果交換意見時(shí)，他的朋友會(huì)堅(jiān)持認(rèn)為自己在每次拋硬幣時(shí)都看到了明確的結(jié)果。然而，當(dāng)維格納觀測到“朋友”和“硬幣”處于疊加狀態(tài)時(shí)，他就無法認(rèn)同朋友的這種觀點(diǎn)。這就讓問題陷入了兩難。朋友眼中的現(xiàn)實(shí)與外界的現(xiàn)實(shí)并不一致。

 

　　維格納最初并沒有把這個(gè)問題當(dāng)成一個(gè)悖論，他認(rèn)為把一個(gè)有意識(shí)的觀測者描述成一個(gè)量子對(duì)象是很荒謬的。然而后來的他摒棄了這一觀點(diǎn)，根據(jù)量子力學(xué)來看，這種描述是完全可行的。

 

　　一個(gè)實(shí)驗(yàn)

 

　　長期以來，這個(gè)場景一直停留在作為一個(gè)有趣的思想實(shí)驗(yàn)階段。但它能反映現(xiàn)實(shí)嗎？這一問題在科學(xué)上幾乎沒有取得什么進(jìn)展，直到最近，維也納大學(xué)的物理學(xué)家？aslavBrukner的理論表明，在一定假設(shè)下，維格納的想法可被用于正式證明——量子力學(xué)中的測量對(duì)觀測者來說是主觀的。

 

　　Brukner提出了一種驗(yàn)證這一概念的方法，他將維格納所假想的場景轉(zhuǎn)換成了由物理學(xué)家約翰·貝爾（JohnBell）在1964年首次建立的一個(gè)理論框架：Brukner考慮了兩對(duì)“維格納與朋友”，分別將他們置于兩個(gè)不同的盒子里，在各自的盒子里和盒子外對(duì)共有的狀態(tài)進(jìn)行測量。然后，所有的這些結(jié)果最終可以結(jié)合起來用于評(píng)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(shí)。

 

　　現(xiàn)在，赫瑞-瓦特大學(xué)的物理學(xué)家用由三對(duì)糾纏光子組成的小型量子計(jì)算機(jī)，第一次用實(shí)驗(yàn)對(duì)Brukner的想法進(jìn)行了驗(yàn)證：一對(duì)光子代表硬幣；另一對(duì)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(gè)盒子之外，兩邊各有兩個(gè)可以進(jìn)行測量的光子。

 

　　盡管研究人員使用的是最先進(jìn)的量子技術(shù)，但要從6個(gè)光子中收集足夠的數(shù)據(jù)還是花費(fèi)了他們數(shù)周的時(shí)間才產(chǎn)生足夠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。最終，研究人員成功地證明了量子力學(xué)或許確實(shí)與客觀事實(shí)的假設(shè)不相容——他們的結(jié)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(shè)的。比如它假設(shè)觀測結(jié)果是不受超光速信號(hào)的影響的，它也假設(shè)觀測者可以自由選擇進(jìn)行何種測量。這有可能就是事實(shí)，但也可能不是。

 

　　另一個(gè)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(shí)，但它們必須能夠以測量結(jié)果的形式創(chuàng)立事實(shí)。因此，一個(gè)沒有生命的探測器可以是一個(gè)有效的觀測者。根據(jù)教科書版的量子力學(xué)，我們沒有理由認(rèn)為探測器（可被制造成只有幾個(gè)原子大小）不應(yīng)該被描述成像光子一樣的量子物體。也有可能標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)并不適用于大尺度，但驗(yàn)證卻是另一個(gè)問題。

 

　　因此，這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，至少對(duì)于量子力學(xué)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?cè)诤暧^世界中所體驗(yàn)的事實(shí)似乎并不會(huì)受到這一研究結(jié)果的影響，但由此引發(fā)的一個(gè)主要問題是，現(xiàn)有的量子力學(xué)詮釋要如何適應(yīng)主觀事實(shí)。

 

　　一些物理學(xué)家認(rèn)為，新的進(jìn)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(jié)果，例如平行宇宙的存在，能讓每種結(jié)果都在其發(fā)生。還有一些物理學(xué)家則將新的進(jìn)展視為是力證具有內(nèi)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(yàn)是這一理論的核心關(guān)注點(diǎn)。但也有人認(rèn)為，這是一個(gè)強(qiáng)有力的信號(hào)，預(yù)示著或許量子力學(xué)將打破某些復(fù)雜的規(guī)模。

 

　　顯然，這些都是一些深刻的關(guān)于現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的哲學(xué)問題。不論答案是什么，一個(gè)有趣的未來都正在等待著我們。