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給薛丁格加貓?量子力學思想實驗「詭異程度又上新台階」

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2018

2018年10月11日21時 今日科學 果殼

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原文以Reimagining of Schrödinger’s cat breaks quantum mechanics — and stumps physicists為標題發布在2018年9月18日的《自然》新聞上

物理學家稱,利用多隻「貓」做實驗,如果按照教科書對量子理論的詮釋,似乎會產生與現實矛盾的描述。

物理學家埃爾溫·薛丁格曾提出了一個舉世聞名的思想實驗——描述了一隻貓在箱子裡處於一種不確定性狀態。根據量子理論的特殊規則,這隻貓可以同時是活的和死的,直到打開箱子,測量貓的狀態為止。現在,兩名物理學家設計了這個悖論的現代版本,將貓改成了做實驗的物理學家——得出了令人震驚的推論。

量子理論擁有悠久的思想實驗傳統。大多數時候,這些思想實驗被用來揭示關於量子力學的各種詮釋的缺陷。但是最新的一個涉及到多名參與者的思想實驗有點特殊:它表明如果對量子力學的標準詮釋是正確的,那麼不同的實驗者對於箱中物理學家所測量的結果會得出相反的結論。換言之,量子理論是自相矛盾的。

這個概念性實驗已經在物理學界被熱烈討論兩年多了,就算是很多已經對各種概念見怪不怪的物理學家,這一次也感到困惑不已。「我覺得這個實驗的詭異程度又上了一個新台階。」加州查普曼大學的理論物理學家Matthew Leifer說。

上述實驗的兩名作者——蘇黎世聯邦理工學院的Daniela Frauchiger和Renato Renner於2016年4月將論證的初稿發到了網上。終稿於9月18日發表在了《自然-通訊》上。(Frauchiger已經離開了學術界。)

詭異的世界

現代物理的所有領域幾乎都以量子力學為根基,它被用來解釋從原子結構到磁鐵為什麼有磁性等等一切問題。但是量子力學的概念基礎仍然留下了需要科學家努力去解答的問題。量子力學的方程不能預測一次測量的準確結果,比如要測量電子的位置,只能預測到它產生特定值的機率。

因此,像電子這樣的量子物體就處在一片機率雲之中。數學上的描述是一個「波函數」,其形狀隨時間的變化是平滑的,就和海里的普通波浪一樣。但是給一個電子測量像位置這樣的屬性時,一定會得到一個準確的值(如果立刻再測量一次,會得到相同的值)。

最常見的理解方式是20世紀20年代量子理論先驅尼爾斯·波爾和維爾納·海森堡構建的,並且以波爾所住的城市命名為「哥本哈根詮釋」:對量子系統進行「觀測」的行為本身會使波函數從一條完整的曲線「坍縮」成為一個數值點。

哥本哈根詮釋留下了一個未解的問題,即原子所處的量子世界和實驗室測量(以及日常生活)所處的經典世界為什麼有著不同的規則。它同時也給人以安心:雖然量子物體處於不確定性狀態,但實驗觀察仍然處於經典領域,並會給出明確的結果。

現在,Frauchiger和Renner動搖了物理學家的這個舒適區。他們的理論推論表明,哥本哈根詮釋的基本描述——以及有著共同假設的其他詮釋——都是不自洽的。

箱子裡有什麼?

他們提出的場景比薛丁格的貓更為複雜。在1935年薛丁格提出的實驗里,箱子裡有一隻貓,還有一個會隨機觸發的釋放毒藥的裝置,例如在原子核衰變時觸發。這樣一來,在實驗人員打開箱子檢查之前,貓的狀態都是不確定的。

1967年,匈牙利物理學家尤金·維格納提出了該悖論的另一個版本,把箱子裡的貓和毒藥換成了一位物理學家朋友和一套可以產生兩種結果的裝置,例如硬幣的正面和反面。當維格納的朋友得知結果時,波函數會不會坍縮?

一種學派認為會坍縮,也即意味著人的意識不在量子世界之內。但是如果量子力學可以應用在物理學家朋友身上的話,那麼在維格納打開箱子之前,她就會一直處在一個兩種結果同時存在的不確定性狀態里。

Frauchiger和Renner提出了一個更為複雜的版本(見圖「城裡來了新貓」)。其中有兩個維格納,分別把一位物理學家朋友關到箱子裡,並在朋友身上做實驗。其中一個朋友叫Alice,她拋了一枚硬幣,然後運用自己的量子物理學知識,準備好一條量子信息傳給另一個朋友(Bob)。

Bob可以利用他的量子理論知識,檢測到Alice所發的信息,並猜測她拋硬幣的結果。當兩個維格納打開箱子後,他們在某些情況下會完全確定硬幣是哪一面朝上,但是Renner說偶爾他們的結論會不一致。「一個人會說『我百分之百確定是反面朝上』,另一個會說『我百分之百確定是正面朝上』。」

Renner在蘇黎世聯邦理工學院的同事、理論物理學家Lídia Del Rio指出,該實驗無法付諸實踐,因為它要求兩個維格納能夠測量他們朋友的所有量子特性,包括了解他們的所思所想。

但是我們仍有可能讓兩台量子計算機扮演Alice和Bob的角色:論證的邏輯只要求它們知道所涉的物理學規則並依此做出決策,且理論上人們可以檢測出量子計算機的完整量子態。(Renner指出,精密到能實現該實驗的量子計算機還不存在。)

不同詮釋的碰撞

物理學家仍然在努力消化該實驗結果所意味的意義。基礎量子理論領域內的專家對此反響強烈,很多人都傾向於維護自己喜歡的詮釋。「有些人有點情緒化了。」Renner說。不同的科學家傾向於得出不同的結論,「大多數人都稱,該實驗證明了只有自己的那種詮釋是正確的。」

在Leifer看來,出現不自洽的觀測結果並不一定代表著一錘定音。量子力學的某些詮釋已經允許在不同視角下對現實做出不同觀測。這至少比承認量子理論不適用於複雜系統(比如人類)要好接受一些,他說。

加拿大圓周理論物理研究所的理論物理學家Robert Spekkens表示,解決該悖論的方法可能隱藏在論證所隱含的某些微妙的假設裡面,特別是Alice和Bob之間的通信。

「我認為在接收一個人的信息時,很多時候涉及到對該信息的轉述。」他說。不自洽可能是因為Bob對Alice的信息解讀有誤。但他也承認自己還沒有找到解決方法。

就目前而言,物理學家很可能要繼續爭論一陣子了。「我覺得我們還沒理解清楚這個實驗。」Leifer說。ⓝ

Nature|doi:10.1038/d41586-018-06749-8

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