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黑客帝国量子版:量子力学揭示不存在客观现实,或能解释平行宇宙

来源:phys.org

编译:肖琴

【新智元导读】最近发表在《科学进展》上的一篇论文中,量子力学实验表明,不存在客观现实,事实实际上可以是主观的。这一实验或能解释平行宇宙的存在,在平行宇宙中,每种结果都会发生。你怎么看这个研究?来新智元 AI 朋友圈和AI大咖们一起讨论吧。

“另类事实”(Alternative facts)就像病毒一样在全社会蔓延。现在看来,它们甚至感染了科学领域——至少是量子领域。这似乎有违直觉。科学的方法毕竟是建立在可靠的观察、测量和可重复性的概念上的。通过测量确定的事实应该是客观的,这样所有的观察者都能同意这一事实。

但是,最近发表在《科学进展》(Science Advances)上的一篇论文中,研究人员指出,在受量子力学的奇怪规则支配着的原子和粒子的微观世界中,两个不同的观察者都有权获得自己的事实。换句话说,根据我们最好的自然构造理论,事实实际上可以是主观的

可从新智元小程序获取论文:

观察者(observers)是量子世界中强大的玩家。根据这一理论,粒子可以同时处于多个位置或状态——这被称为叠加。但奇怪的是,只有在它们没有被观察到的情况下,情况才是如此。当你观察一个量子系统时,它会选择一个特定的位置或状态——打破了叠加

事实上,自然界的这种行为已经在实验室中得到多次证明——例如,著名的双缝干涉实验(见下面的视频)。

经典双缝干涉实验: 光通过S1上的狭缝a衍射,形成一个线光源;光在S2上的狭缝b和c再次衍射,这样形成了两束相干光。从b和c衍射出的相干光在屏F上干涉。由此证明的光的干涉和衍射,验证波动性。

经典双缝干涉实验

1961年,物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一项颇具挑衅性的思维实验。他提出一个问题:当将量子力学应用到一个观察者身上,而该观察者正在被观察时会发生什么。

他提出一个思想实验,称之为“维格纳的友人”。想象一下,维格纳的一个友人在一个封闭的实验室里掷出一枚量子硬币——硬币的两面都是正面和反面的叠加。每次友人扔硬币,他们都观察到一个明确的结果。我们可以说,维格纳的朋友证实了一个事实:掷硬币的结果肯定是正面或反面

“维格纳的友人”思想实验是“薛定谔的猫”的延伸版,证明量子世界中多重现实可同时存在

维格纳无法从外界得知这个事实,根据量子力学,他必须把友人和硬币描述成实验所有可能结果的叠加。这是因为它们是“纠缠”的——诡异地连接在一起,因此,如果你操纵一个,你也会操纵另一个。维格纳现可以通过所谓的“干涉实验”来验证这种叠加。干涉实验是一种量子测量方法,可以让你解开整个系统的叠加,从而确认两个物体被纠缠了。

当维格纳和他的朋友后来交换意见时,他的朋友会坚持认为,他在每次抛硬币时都看到了明确的结果。然而,当维格纳观察到“朋友”和“硬币”处于叠加状态时,他就不会同意这种观点。

这是一个难题。朋友眼中的现实与外界的现实是不一致的。维格纳最初并不认为这是一个悖论,他认为把一个有意识的观察者描述成一个量子对象是荒谬的。然而,他后来背离了这一观点,根据量子力学的正式教科书,这种描述是完全正确的。

加强版“维格纳的友人”实验:或能解释平行宇宙的存在

该方案长期以来一直是一个有趣的思维实验。但它反映了现实吗?从科学上将,直到最近这一实验几乎没有什么进展。但维也纳大学物理教授Časlav Brukner最近的研究表明,在一定的假设下,维格纳的思想可以用来正式证明量子力学中的测量是观察者主观的

Brukner提出了一种测试这个概念的方法,即将“维格纳的友人”场景转换成物理学家John Bell在1964年首次建立的框架。Brukner考虑了在两个不同的盒子里的两对“维格纳和友人”,分别在各自的盒子里和盒子外对共享的状态进行测量。

这些结果可以总结起来,最终用来评估一个所谓的“贝尔不等式”。如果违反了这个不等式,观察者们可能会有其他的事实。

现在,科学家们首次在爱丁堡的赫瑞瓦特大学用三对纠缠光子组成的小型量子计算机进行了实验。第一对光子代表硬币,另外两个用于在各自的盒子内抛硬币——测量光子的极化。在两个盒子外,每边各留有两个光子,它们也可以被测量。

实验的设置

尽管使用了最先进的量子技术,但为了生成足够的统计数据,仅从6个光子中收集足够的数据就需要数周时间。但最终,研究人员成功地证明了量子力学可能确实与客观事实的假设不相容——违反了贝尔不等式

实验的数据

然而,这个理论是基于一些假设的。包括测量结果不受光速以上的信号的影响,以及观察者可以自由选择进行何种测量。可能是这样,也可能不是。

另一个重要的问题是,是否可以将单个光子视为观察者。在Brukner的理论建议中,观察者不需要有意识,它们仅必须能够以测量结果的形式建立事实。因此,一个无生命的检测器将是一个有效的观察者。也有可能标准量子力学不适用于大的长度规模,但测试则是另一个问题。

实验中使用的设备

因此,这个实验表明,至少对于量子力学的局部模型而言,我们需要重新思考客观性的概念。我们在宏观世界中所经历的事实似乎是安全的,但一个主要的问题是,现有的量子力学解释如何能适应主观事实。

一些物理学家认为,这些新进展支持了这样一种解释,即允许在一次观察中出现多种结果,例如,平行宇宙的存在,每种结果都会发生

另一些人则认为,这是具有内在观察者依赖性的理论(如量子贝叶斯理论)的有力证据。在量子贝叶斯理论中,智能体的行为和经验是该理论的核心关注点。但也有人认为,这是一个强有力的指针,或许量子力学将打破某些复杂度规模。

显然,这些都是关于现实本质的哲学问题。不管答案是什么,一个有趣的未来等待着你。

参考链接:

https://phys.org/news/2019-11-quantum-physics-reality-doesnt.html

本文分享自微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2019-11-16

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