薛定谔猫悖论的扭曲对量子论的重大启示

这个问题激怒了20世纪60年代的匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)。他对量子力学变幻莫测产生的悖论感到沮丧-这种支配微观领域的理论提出，在许多违反直觉的事情中，在观察到量子系统之前，它不一定具有确定的性质。以他的同事物理学家欧文·薛定谔(Erwin Schrödinger)著名的思维实验为例，在这个实验中，一只猫被困在一个装有毒药的盒子里，如果一个放射性原子衰变，毒药就会释放出来。放射性是一个量子过程，所以在盒子打开之前，故事说，原子既已经衰变，又没有衰变，让这只不幸的猫处于不确定状态-所谓的生死叠加。但是，猫有没有经历过叠加呢？

维格纳通过想象他的一位(人类)朋友在实验室里测量量子系统，加剧了这一悖论。他认为，说他的朋友存在于看到和没有看到衰变的叠加中是荒谬的，除非维格纳打开实验室的门。澳大利亚格里菲斯大学的量子物理学家Nora Tischler说：“‘维格纳的朋友’思维实验表明，如果观察者也被观察到，事情可能会变得非常奇怪。”

现在，Tischler和她的同事们进行了维格纳朋友测试的一个版本。通过将经典的思维实验与另一个称为纠缠的量子令人费解的东西结合起来，他们还推导出了一个新的定理，他们声称这个定理对现实的基本性质施加了迄今最强的约束。纠缠是一种将粒子连接到遥远距离的现象。他们的研究发表在8月17日的“自然物理”上，对于意识在量子物理中可能扮演的角色，甚至是量子理论是否必须被取代，都有一定的意义。

多伦多大学的量子物理学家Aephraim Steinberg说，这项新工作是“实验形而上学领域向前迈出的重要一步”，他没有参与这项研究。“我预计这将是一个巨大的研究项目的开始。”

直到20世纪20年代量子物理学出现之前，物理学家们一直期望他们的理论是确定性的，对实验结果产生确定性的预测。但是量子理论似乎天生就是概率论。教科书版本-有时被称为哥本哈根解释-说，在测量一个系统的属性之前，它们可以包含无数的值。这种叠加只有在观察到系统时才会坍塌成单一的状态，物理学家永远无法准确地预测该状态会是什么。维格纳持有当时流行的观点，即意识以某种方式触发叠加崩溃。因此，他假设的朋友会在她或他进行测量时辨别出一个确定的结果-而维格纳永远不会看到她或他的重叠。

自那以后，这一观点已经失宠。纽约大学(New York University)哲学家兼认知科学家大卫·查尔默斯(David Chalmers)表示：“量子力学基础的人们很快就会认为维格纳的观点诡异、定义模糊，因为它让观察者变得特别。”今天，大多数物理学家一致认为，无生命物体可以通过一种称为退相干的过程使量子系统脱离叠加。当然，试图在实验室中操纵复杂量子叠加的研究人员会发现，他们的辛勤工作被快速的空气粒子与他们的系统碰撞所摧毁。因此，他们在超低温下进行测试，并试图将他们的设备与振动隔离开来。

几十年来，几种相互竞争的量子解释如雨后春笋般涌现，它们使用了一些不那么神秘的机制，如退相干，来解释叠加是如何在没有唤起意识的情况下分解的。其他解释甚至持有更激进的立场，即根本没有崩溃。在威格纳的测试中，每个人都有自己的奇妙之处。最具异国情调的是“多个世界”的观点，该观点认为，每当你进行量子测量时，现实就会破裂，创造出平行的宇宙来容纳每一种可能的结果。因此，维格纳的朋友会被分成两份，特拉维夫大学的量子物理学家、多个世界的粉丝列夫·维德曼(Lev Vaidman)说，“有了足够好的超级技术”，他确实可以在实验室外测量出那个人处于重叠状态。

另一种“Bohmian”理论(以物理学家David Bohm的名字命名)说，从根本上讲，量子系统确实有明确的性质；我们只是对这些系统的了解不够，无法准确预测它们的行为。在这种情况下，这位朋友只有一次经历，但维格纳可能仍然会因为他自己的无知而认为这个人处于叠加状态。与此形成对比的是，一种相对较新的叫做qbism的解释全心全意地拥护量子理论的概率元素(qbism，发音为“立体主义”，实际上是量子贝叶斯主义的缩写，指的是18世纪的m。

另一种耐人寻味的解释叫做追溯因果关系，它允许未来的事件影响过去。圣何塞州立大学(San Jose State University)物理学家肯·沃顿(Ken Wharton)是这一扭曲时间观点的倡导者，他说：“在追溯因果关系的描述中，维格纳的朋友确实经历了一些事情。”但是，朋友在测量点体验的“某些东西”可能取决于维格纳后来如何观察这个人的选择。

问题是，每种解释在预测量子测试结果方面都一样好-或者不好-所以在它们之间的选择归根结底是品味。“没有人知道解决方案是什么，”斯坦伯格说。“我们甚至不知道我们拥有的潜在解决方案清单是否详尽无遗。”

其他被称为崩塌理论的模型确实做出了可检验的预测。这些模型附加了一种机制，当量子系统变得太大时，它会迫使量子系统崩溃-解释了为什么猫、人和其他宏观物体不能叠加在一起。实验正在进行中，以寻找这种坍塌的签名，但到目前为止，他们还没有发现任何东西。量子物理学家也在将越来越大的物体叠加：去年，维也纳的一个研究小组报告说，他们用一个2000个原子的分子做到了这一点。大多数量子解释说，假设研究人员可以在原始的实验室条件下设计出正确的实验，从而避免退相干，那么这些叠加的努力没有理由不应该永远向上继续下去。然而，崩溃理论假定，无论实验准备得多么仔细，总有一天会达到极限。意大利的里雅斯特大学的量子物理学家、崩溃理论的支持者安吉洛·巴西(Angelo Bassi)说，“如果你试图操纵一个经典的观察者--比方说一个人--并把它当作一个量子系统来对待，它会立即崩溃。”

Tischler和她的同事们相信，分析和执行Wigner的朋友实验可以揭示量子理论的局限性。他们受到了新一波理论和实验论文的启发，这些论文通过将纠缠引入维格纳的经典设置，研究了观察者在量子理论中的作用。假设你拿到两个光的粒子，或光子，它们被极化，所以它们可以水平或垂直振动。光子也可以被置于同时水平和垂直振动的叠加中，就像薛定谔的悖论猫在被观察到之前可能既活着又死了一样。

这样的光子对可以准备在一起-纠缠-这样当观察到它们的偏振时，总是发现它们的偏振方向是相反的。这可能看起来并不奇怪--除非您记住，这些属性在测量之前是不固定的。即使一个光子被交给澳大利亚的物理学家爱丽丝，而另一个被送到她在维也纳实验室的同事鲍勃手中，纠缠也能确保一旦爱丽丝观察到她的光子，比如发现它的偏振是水平的，鲍勃的光子的偏振就会立即同步到垂直振动。由于这两个光子的交流速度似乎比光速更快--这是他的相对论所禁止的--这种现象深深困扰着阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)，他称其为“远距离的诡异行为”。

这些担忧一直停留在理论上，直到20世纪60年代，物理学家约翰·贝尔(John Bell)设计了一种方法来测试现实是否真的令人毛骨悚然-或者在纠缠的伴侣之间的相关性背后是否有更平凡的解释。贝尔设想了一种局部性的常识理论，也就是说，影响不能在粒子之间即时传播。它也是确定性的，而不是内在的概率，因此，只要物理学家更多地了解系统的隐藏属性，原则上就可以肯定地预测实验结果。这是现实的，对于量子理论家来说，这意味着即使没有人看到，系统也会有这些明确的属性。然后贝尔计算了这样一个局域、确定性和现实主义理论可以支持的一系列纠缠粒子之间的最大关联水平。如果在实验中超过了这个门槛，那么理论背后的一个假设肯定是错误的。

自那以后，人们进行了这样的“贝尔测试”，并在2015年推出了一系列无懈可击的版本，它们证实了现实的诡异。“量子基础是一个由贝尔定理实验开始的领域--现在已经有50多年的历史了。我们花了很多时间重新实施这些实验，并讨论它们的意义，“斯坦伯格说。“人们能够想出一种超越贝尔的新测试，这是非常罕见的。”

布里斯班团队的目标是推导和测试一个新的定理，这个定理可以做到这一点，为现实的本质提供更严格的约束--“本地友好性”界限。就像贝尔的理论一样，

测试当地的友好性需要两个“超级观察者”--爱丽丝和鲍勃(扮演维格纳)--巧妙地设置，监视他们的朋友查理和黛比。爱丽丝和鲍勃各自都有自己的干涉仪--一种用来操纵光子光束的仪器。在测量之前，光子的偏振处于水平和垂直的叠加状态。纠缠光子对的准备是这样的，如果其中一个的偏振被测量为水平，则其配对的偏振应立即反转为垂直。每个纠缠对中的一个光子被送到爱丽丝的干涉仪中，它的伙伴被送到鲍勃的干涉仪中。查理和黛比在这项测试中实际上并不是人类的朋友。相反，它们是每个干涉仪前端的光束移位器。当爱丽丝的光子击中置换器时，它的偏振被有效地测量，它会左右摇摆，这取决于它捕捉到的偏振方向。这一动作扮演的角色是爱丽丝的朋友查理“测量”两极分化。(黛比同样位于鲍勃的干涉仪中。)。

然后，爱丽丝不得不做出选择：她可以立即测量光子新的偏离路径，这相当于打开实验室的门，问查理他看到了什么。或者，她可以让光子继续它的旅程，通过第二个光束移位器，重新组合左路径和右路径-相当于保持实验室门的关闭。然后，当她的光子离开干涉仪时，爱丽丝可以直接测量它的偏振。在整个实验过程中，爱丽丝和鲍勃独立地选择做出哪些测量选择，然后比较笔记，计算出一系列纠缠对之间的相关性。

Tischler和她的同事们进行了9万次实验。不出所料，这种关联违反了贝尔最初的界限--更重要的是，它们还违反了新的对当地友好的门槛。研究小组还可以修改设置，通过在光子对进入干涉仪之前让其中一个绕道，轻轻扰乱伙伴之间的完美和谐，来调节光子之间的纠缠程度。当研究人员用这种略微较低的纠缠水平进行实验时，他们发现了一个点，即相关性仍然违反了贝尔的界限，但并没有破坏当地的友好性。Tischler说，这一结果证明了这两组界限不等价，新的对本地友好的限制更强。“如果你违反了它们，你就会学到更多关于现实的东西，”她补充道。也就是说，如果你的理论说“朋友”可以被视为量子系统，那么你要么必须放弃局域性，要么接受测量没有一个观察者必须同意的单一结果，或者允许超决定论。这些选项中的每一个都有深刻的含义--对一些物理学家来说，显然是令人反感的--含义。

“这篇论文是一项重要的哲学研究，”米歇尔·赖利(Michele Reilly)说，他是总部设在纽约市的量子计算公司图灵(Turing)的联合创始人，但没有参与这项工作。她指出，研究量子基础的物理学家经常很难拿出可行的测试来支持他们的伟大想法。“我很高兴看到哲学研究背后的实验，”赖利说。斯坦伯格称这项实验“极其优雅”，并赞扬该团队正面解开了观察者在测量中扮演的角色这一谜团。

虽然量子力学迫使我们放弃一个常识假设并不令人惊讶--物理学家从贝尔那里知道了这一点--但沃顿说：“这里的进步是，我们正在缩小这些假设中哪些是常识假设的范围。”沃顿也没有参与这项研究。尽管如此，他指出，大多数量子解释的支持者都不会失眠。后因果论的拥护者，比如他自己，已经接受了超决定论：在他们看来，未来的测量影响过去的结果并不令人震惊。与此同时，量子力学的拥护者和多个世界的追随者很久以前就放弃了量子力学规定每个观察者都必须同意的单一结果的要求。

波米亚力学和自发性坍塌模型都已经愉快地抛弃了当地，以回应贝尔。此外，塌缩模型表明，一个真正的宏观朋友一开始就不能作为量子系统来操纵。

Vaidman也没有参与这项新工作，但他对此不太感兴趣，他批评了用光子识别维格纳朋友的做法。他说，论文中使用的方法“是荒谬的；朋友必须是宏观的”。纽约大学的物理哲学家蒂姆·莫德林(Tim Maudlin)没有参与这项研究，他对此表示赞同。“没有人认为光子是观察者，除非你是个灵媒，”他说。因为没有物理学家质疑光子是否可以叠加，莫德林觉得这个实验缺乏说服力。他说：“它排除了一些事情--就是没人提出过的事情。”

然而，赖利警告说，物理学家希望未来的AGI能帮助他们深入了解现实的基本描述，这是本末倒置。她说：“对我来说，量子计算机将成为让我们进入AGI的范式转换，这对我来说并不是不可想象的。”“归根结底，我们需要一个万物理论，以便在量子计算机上建立AGI，句号，句号。”

这一要求可能会排除更宏伟的计划。但研究小组还建议进行更温和的中级测试，将机器学习系统作为朋友，这对斯坦伯格很有吸引力。他说，这种做法“既有趣又具有挑衅性”。“事实上，越来越大规模的计算设备可以用量子方式测量，这变得越来越有可能。”

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的量子物理学家雷纳托·伦纳(Renato Renner)提出了一个更强有力的主张：他说，无论未来的实验能否进行，新的定理都告诉我们，量子力学需要被取代。2018年，雷纳和他当时在苏黎世理工大学的同事丹妮拉·弗劳奇格(Daniela Frauchiger)发表了一项基于维格纳朋友的思维实验，并利用它推导出了一个新的悖论。他们的设置与布里斯班团队的设置不同，但也包括四名观察员，他们的测量可能会纠缠在一起。Renner和Frauchiger计算出，如果观察者将量子定律应用于彼此，他们最终可以在同一实验中推断出不同的结果。

“这篇新论文再次证实了我们目前的量子理论存在问题，”没有参与这项工作的伦纳说。他认为，如果没有支持者承认他们不在乎量子理论是否给出一致的结果，今天的量子解释都无法摆脱所谓的弗劳西格-伦纳悖论。雷纳说，QBist提供了最令人满意的逃生方式，因为从一开始，他们就说量子理论不能用来推断其他观察者将测量什么。“不过，我还是很担心：如果一切都只是我个人的事，我怎么能说出与你相关的话呢？”他补充道。雷纳现在正在研究一种新的理论，该理论提供了一套数学规则，允许一个观察者计算出另一个观察者在量子实验中应该看到什么。

尽管如此，那些坚信他们最喜欢的解释是正确的人认为提施勒的研究没有什么价值。Vaidman说：“如果你认为量子力学是不健康的，它需要更换，那么这是有用的，因为它告诉你新的约束条件。”“但我不同意这种说法--很多世界都能解释一切。”

目前，物理学家将不得不继续就哪种解释是最好的，或者是否需要一种全新的理论达成一致。“那就是我们离开的地方。

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