量子现实要么奇特地不同,要么它崩塌了。

2020-08-20 00:35:43

当仔细研究量子力学时,它提出了一些关于现实的深层次问题。这些问题通常采取思维实验的形式,然后(通常是很晚的)由真实的实验来跟进。其中最困难和最深刻的一个是尤金·维格纳(Eugene Wigner)在20世纪60年代提出的一项思维实验,它被称为维格纳的朋友(你不会想成为维格纳的朋友的)。现在,很久以后,Wigner和他的朋友已经被形式化和扩展了。结果给我们带来了一个矛盾:要么现实在量子力学层面上要陌生得多,不那么真实,要么量子态不可能在大范围内存在。

为了理解为什么维格纳不应该有任何朋友,我们必须首先深入了解量子力学的一些细节。想象一下,测量单个电子的自旋。自旋在空间中有方向,但不可能测量该方向。相反,我们必须选择一个方向,并沿该方向测量自旋。所以我们可能会问一个电子,它的自旋是垂直向上的还是向下的。结果(在其他条件相同的情况下)将以50%的概率上升或下降。

比方说,我们测量旋转,发现它是向上的。任何后续的测量都将确认它也在上升。测量定义了垂直自旋分量(通常称为波函数坍塌的过程)。但它没有提到旋转的水平分量-水平分量将保持在左右旋转的叠加中。这意味着,如果我们旋转我们的仪器,以便我们测量左右自旋,结果将是随机的-电子要么是左自旋,要么是右自旋,概率为50%。

这是一个相对简单的实验,所以维格纳抓住他的朋友爱丽丝,把她放在一个密封的实验室里。爱丽丝测量以叠加态准备的电子流的自旋。维格纳在实验室外面,将测量整个实验室。艾丽斯在昏迷前确定一个电子是自旋的。但是维格纳还没有进行测量,所以他认为爱丽丝处于测量过旋转加速或旋转减速的叠加状态。假设当维格纳进行测量时,他的结果可能是爱丽丝测量的是向下旋转,而实际上她测量的是向上旋转。

两个“事实”相互矛盾,但都是以现实为基础的。维格纳对这个问题的解决方案是,量子态不能在观察者的水平上存在:叠加态必须在它发生之前崩溃。

新出版的扩展版本结合了最初的维格纳的朋友思维实验和约翰·贝尔的思维实验(贝尔的思维实验已经足够古老,现在已经是实验物理学的常规测试了)。贝尔的实验比维格纳的朋友实验要复杂一些,它结合了叠加和纠缠的概念。让我们假设我有两个纠缠的电子。这意味着它们有一个组合的量子态,一种只由两个电子共同定义的量子态。例如,纠缠过程可能导致两个总自旋为零的电子。

这意味着它们处于上-下和下-上的叠加状态。如果我测量其中一个电子的自旋速度,那么另一个电子会自动减速。贝尔实验表明,如果操作正确,电子的自旋是不可能预先确定的。它们必须是叠加的;当测量时,它们必须随机选择一个方向。

贝尔实验在测量粒子(通常是光子)的地方有很大的间隔,这使得信息不可能在实验的两端之间传输,而不是以比光速更快的速度移动。事实上,在过去的二十年里,贝尔实验中可能存在的差距已经系统地缩小了。

在扩展的维格纳的朋友实验中,这两个朋友在单独的密封实验室对一对纠缠的粒子进行贝尔的实验。然后,两个Wigner(也称为超级观察员)测量实验室并比较结果。测量结果揭示了纠缠对之间的关联,这种关联被两个观测者的波函数崩溃过滤掉了。

维格纳和贝尔告诉我们的关于现实的东西需要一些思考。物理学家通常通过一组数学定义的条件来描述现实。例如,因果关系告诉我们,结果应该在时间上先于原因。局部性说,原因以光速传播:如果光子不能在效应发生之前从原因的位置传播到效果的位置,那么它就违反了局部性(可能还违反了因果关系)。

现在我们还必须考虑像测量这样的事情。研究人员定义了观察到的事件的绝对性,这意味着我观察到的是真实的,不依赖于其他任何东西。他们假设不存在超决定论(我们可以自由选择),而且地方性仍然有效。研究人员将这种三连胜称为对当地的友好。

研究人员使用这些陈述的数学定义来计算对当地友善的限制。他们表明,在正确的条件下,在扩展的Wigner‘s Friend实验中将观察到违反这些限制的关联。他们的实验室实验证实,这些违规行为确实发生了。地方友好不是宇宙的运作方式。

如果我们拒绝当地的友好关系,那么我们必须做出一些决定。我们必须接受以下一些可能性:观察者的测量结果不一定是真实的,现实不是局部的,超决定论是真实的,或者在宏观观察者介入之前,量子力学在某个地方停止了作用。

延伸到最后一段:研究人员版本的维格纳的朋友实际上并不是一个宏观观察者--它是一个光子,而光子本质上是一个量子物体。在量子态下与宏观观察者进行的全思维实验有可能被一些未知的物理定律简单地禁止。另一方面,根据研究人员的说法,量子计算机上的人工智能可以被认为是仍然处于量子态的宏观观察者,这并不是不可能的,这意味着我们可以在未来扩大对这一领域的测试。

然而,更重要的一点是,现实可能取决于量子效应在变得太大之前就被洗掉了,而另一种选择是,我们的自由选择比我们认为的要少得多,这有点令人不快。除此之外,我们必须拒绝局部性,也许还有因果关系,这可能会让物理学家更加痛苦。