人們對量子力學的理解有誤？

1935年，物理學家埃德溫·薛定諤提出了世界上最著名的思想實驗——薛定諤的貓，這隻貓在盒中會處於一種不確定的尷尬狀態。量子理論奇異的原理將意味著這隻貓會既死又活，只有在盒子打開後，貓的狀態才能確定。現在，兩位物理學家設計了一個全新版本的實驗：他們將貓換成了一位做實驗的物理學家。隨之而來的是一個令物理學家更加困惑的局面：哥本哈根詮釋在這種情況下自相矛盾。

量子理論中的思想實驗有著悠久的歷史，在大多數情況下這些實驗都是為了指出各種量子力學的詮釋中的破綻。但是最新的實驗很不一樣，因為其中有多個觀測者：如果對量子力學的標準詮釋是正確的，那麼不同觀測者對物理學家在盒中的測量結果就會有相反的結論。也就是說，量子理論是自相矛盾的。

在這兩年間，物理學界對這個實驗的爭論一直很激烈。即使是在這個古怪概念層出不窮的領域，大量研究者還是被這個問題難住了。

奇異的世界

幾乎所有現代物理理論都建立在量子力學的基礎上，量子力學解釋了一切現象，從原子的結構到磁鐵相互吸引的原因。但是物理學家仍然在尋找量子力學的概念基礎。量子力學的方程無法預言測量的準確結果，只能給出得到特定結果的概率。舉例來說，我們永遠無法得知一個電子的確切位置，只能得到電子出現在某一位置的概率。

於是，像電子這樣的量子物體永遠生活在不確定的雲團中，它們在數學上由不斷連續變化的「波函數」來描述。但是當電子位置之類的性質被測量時，波函數就會坍縮，得到一個準確的結果。（很短一段時間之後再次測量仍會得到相同的結果）

哥本哈根詮釋是量子力學的詮釋方式中最廣為接受的一種，於上世紀20年代由量子理論研究的領頭人尼爾斯·玻爾和沃納·海森堡提出，以玻爾居住的城市命名。這種詮釋方式認為對量子系統的觀測會使波函數從彌散狀態「坍縮」到一個數據點。

但是有一個問題是哥本哈根詮釋沒法解釋的：為什麼原子的量子世界與實驗室觀測的經典世界所適用的物理規則不同？儘管如此，哥本哈根詮釋是很可靠的：儘管量子物體的狀態是不確定的，實驗觀測總還是在經典領域進行，得到的結果也是清晰的。

現在，Frauchiger和Renner正在將物理學家們從這個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的詮釋都並不自洽。

盒子里有什麼？

他們的實驗過程比1935年薛定諤提出的實驗要複雜得多。在薛定諤的實驗中，有一個盒子中裝著一隻貓，盒中有一個可以放毒的裝置，放毒與否依賴著一個隨機事件，比如一個原子核的衰變。在這種情況下，貓的狀態就不確定了，除非實驗者把盒子打開查看貓的情況。

1967年，匈牙利物理學家耶諾·維格納提出了一個悖論，他將貓和毒藥換成了物理學家和一個可以產出兩種結果的測量裝置，比如一個可以正面朝上或者反面朝上的硬幣。當維格納的朋友意識到結果時，波函數會坍縮嗎？一種想法認為是會的，他們覺得意識是量子領域之外的東西。但是如果量子力學用在了物理學家身上，那麼在維格納打開盒子之前，他就會處在一種結合了兩種結果的疊加態。

Frauchiger和Renner的實驗更加複雜（見下圖）。實驗中有兩個維格納，兩個人都和在一個盒子里的物理學家做實驗。兩個朋友之一（不妨稱她為Alice）扔了一枚硬幣，然後用量子物理的知識將一個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將Alice拋硬幣的結果猜出來。根據Renner的說法，當兩個維格納打開盒子時，有些情況下他們可以確定硬幣朝上的是哪一面，但是有時候他們的結論是不同的，他說：「一個人說，『我確定是正面。』而另一個說，『肯定是反面。』」

用兩台量子計算機來代替Alice和Bob是比較合理的做法：實驗只要求他們了解物理規律並且可以據此作出判斷，理論上來說一個人可以探測到量子計算機的完備量子態。（但Renner也指出，能完成這麼複雜的任務的量子計算機仍然沒有出現。）

相互競爭的詮釋

物理學家們仍然在就這個結果進行討論。Renner說：「很多人都激動。」不同的研究者傾向於得出不同的答案。「大多數人宣稱這個實驗表明自己的詮釋才是唯一正確的解釋。」

產生不同的結果並不是什麼大問題。有的詮釋是允許不同的觀測角度產生不同的結果的。這比承認量子力學並不適用於像人這樣的複雜系統令人舒服得多。

解決這個悖論的關鍵可能在於實驗中一些精細的假設，比如在Alice和Bob之間的交流。「對我來說，接受別人的知識總是意味著對這些知識的轉化。」或許不自洽的原因是Bob對Alice的信息沒有正確解讀，他說。但是他也承認自己還沒有解決這個問題。

現在，物理學家的辯論仍將持續下去。正如Leifer所言：「我覺得我們都還沒有找到最終的答案。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！