量子理論中的思想實(shí)驗(yàn)有著悠久的歷史，在大多數(shù)情況下這些實(shí)驗(yàn)都是為了指出各種量子力學(xué)的詮釋中的破綻。但是最新的實(shí)驗(yàn)很不一樣，因?yàn)槠渲杏卸鄠€(gè)觀測者：如果對量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)詮釋是正確的，那么不同觀測者對物理學(xué)家在盒中的測量結(jié)果就會(huì)有相反的結(jié)論。也就是說，量子理論是自相矛盾的。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Renato Renner和他的學(xué)生Daniela Frauchiger于2016年在網(wǎng)上發(fā)表了論文的第一版。經(jīng)過兩年的修訂，最終的論文于本周發(fā)表在《自然·通訊》上。

在這兩年間，物理學(xué)界對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的爭論一直很激烈。即使是在這個(gè)古怪概念層出不窮的領(lǐng)域，大量研究者還是被這個(gè)問題難住了。查普曼大學(xué)的理論物理學(xué)家Matthew Leifer說：“我覺得這個(gè)問題比之前的問題都要奇怪。”

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奇異的世界

幾乎所有現(xiàn)代物理理論都建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，量子力學(xué)解釋了一切現(xiàn)象，從原子的結(jié)構(gòu)到磁鐵相互吸引的原因。但是物理學(xué)家仍然在尋找量子力學(xué)的概念基礎(chǔ)。量子力學(xué)的方程無法預(yù)言測量的準(zhǔn)確結(jié)果，只能給出得到特定結(jié)果的概率。舉例來說，我們永遠(yuǎn)無法得知一個(gè)電子的確切位置，只能得到電子出現(xiàn)在某一位置的概率。

于是，像電子這樣的量子物體永遠(yuǎn)生活在不確定的云團(tuán)中，它們在數(shù)學(xué)上由不斷連續(xù)變化的“波函數(shù)”來描述。但是當(dāng)電子位置之類的性質(zhì)被測量時(shí)，波函數(shù)就會(huì)坍縮，得到一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。（很短一段時(shí)間之后再次測量仍會(huì)得到相同的結(jié)果。）

哥本哈根詮釋是量子力學(xué)的詮釋方式中最廣為接受的一種，于上世紀(jì)20年代由量子理論研究的領(lǐng)頭人尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡提出，以玻爾居住的城市命名。這種詮釋方式認(rèn)為對量子系統(tǒng)的觀測會(huì)使波函數(shù)從彌散狀態(tài)“坍縮”到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。

但是有一個(gè)問題是哥本哈根詮釋沒法解釋的：為什么原子的量子世界與實(shí)驗(yàn)室觀測的經(jīng)典世界所適用的物理規(guī)則不同？盡管如此，哥本哈根詮釋是很可靠的：盡管量子物體的狀態(tài)是不確定的，實(shí)驗(yàn)觀測總還是在經(jīng)典領(lǐng)域進(jìn)行，得到的結(jié)果也是清晰的。

現(xiàn)在，F(xiàn)rauchiger和Renner正在將物理學(xué)家們從這個(gè)舒服的位置上趕下來。他們的理論分析表明，哥本哈根詮釋以及與其共享某些基本假設(shè)的詮釋都并不自洽。

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盒子里有什么？

他們的實(shí)驗(yàn)過程比1935年薛定諤提出的實(shí)驗(yàn)要復(fù)雜得多。在薛定諤的實(shí)驗(yàn)中，有一個(gè)盒子中裝著一只貓，盒中有一個(gè)可以放毒的裝置，放毒與否依賴著一個(gè)隨機(jī)事件，比如一個(gè)原子核的衰變。在這種情況下，貓的狀態(tài)就不確定了，除非實(shí)驗(yàn)者把盒子打開查看貓的情況。

1967年，匈牙利物理學(xué)家耶諾·維格納提出了一個(gè)悖論，他將貓和毒藥換成了物理學(xué)家和一個(gè)可以產(chǎn)出兩種結(jié)果的測量裝置，比如一個(gè)可以正面朝上或者反面朝上的硬幣。當(dāng)維格納的朋友意識(shí)到結(jié)果時(shí)，波函數(shù)會(huì)坍縮嗎？一種想法認(rèn)為是會(huì)的，他們覺得意識(shí)是量子領(lǐng)域之外的東西。但是如果量子力學(xué)用在了物理學(xué)家身上，那么在維格納打開盒子之前，他就會(huì)處在一種結(jié)合了兩種結(jié)果的疊加態(tài)。

Frauchiger和Renner的實(shí)驗(yàn)更加復(fù)雜（見下圖）。實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)維格納，兩個(gè)人都和在一個(gè)盒子里的物理學(xué)家做實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)朋友之一（不妨稱她為Alice）扔了一枚硬幣，然后用量子物理的知識(shí)將一個(gè)量子信息傳遞給了維格納的另一位朋友（稱為Bob）。Bob也可以通過量子物理的知識(shí)將Alice拋硬幣的結(jié)果猜出來。根據(jù)Renner的說法，當(dāng)兩個(gè)維格納打開盒子時(shí)，有些情況下他們可以確定硬幣朝上的是哪一面，但是有時(shí)候他們的結(jié)論是不同的，他說：“一個(gè)人說，‘我確定是正面。’而另一個(gè)說，‘肯定是反面。’”

（圖片來源：nature）

用兩臺(tái)量子計(jì)算機(jī)來代替Alice和Bob是比較合理的做法：實(shí)驗(yàn)只要求他們了解物理規(guī)律并且可以據(jù)此作出判斷，理論上來說一個(gè)人可以探測到量子計(jì)算機(jī)的完備量子態(tài)。（但Renner也指出，能完成這么復(fù)雜的任務(wù)的量子計(jì)算機(jī)仍然沒有出現(xiàn)。）

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相互競爭的詮釋

物理學(xué)家們?nèi)匀辉诰瓦@個(gè)結(jié)果進(jìn)行討論。Renner說：“很多人都激動(dòng)。”不同的研究者傾向于得出不同的答案。“大多數(shù)人宣稱這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明自己的詮釋才是唯一正確的解釋。”

對于Leifer來說，產(chǎn)生不同的結(jié)果并不是什么大問題。有的詮釋是允許不同的觀測角度產(chǎn)生不同的結(jié)果的。這比承認(rèn)量子力學(xué)并不適用于像人這樣的復(fù)雜系統(tǒng)令人舒服得多。

圓周物理研究所的理論物理學(xué)家Robert Spekken說，解決這個(gè)悖論的關(guān)鍵可能在于實(shí)驗(yàn)中一些精細(xì)的假設(shè)，比如在Alice和Bob之間的交流。“對我來說，接受別人的知識(shí)總是意味著對這些知識(shí)的轉(zhuǎn)化。”或許不自洽的原因是Bob對Alice的信息沒有正確解讀，他說。但是他也承認(rèn)自己還沒有解決這個(gè)問題。

現(xiàn)在，物理學(xué)家的辯論仍將持續(xù)下去。正如Leifer所言：“我覺得我們都還沒有找到最終的答案。”

原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/reimagining-of-schroedingers-cat-breaks-quantum-mechanics-mdash-and-stumps-physicists1/

撰文 | Davide Castelvecchi

翻譯 | 劉博堯

審校 | 吳非

文章來源： 環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican

IEEE Spectrum

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