新量子悖論闡明了我們現實觀點是錯誤的！

一項思想實驗動搖了量子基礎世界，迫使物理學家闡明各種量子解釋（如量子力學的多世界和哥本哈根解釋）是如何放棄看似合理的現實假設。量子力學是沒有爭議的成功理論，它在微觀尺度上對世界本質做出了驚人的準確預測。近一個世紀以來一直存在爭議的是它告訴我們什麼是存在，什麼是真實的。這個問題有無數種解釋，每一種解釋都要求我們接受某些尚未得到證實的說法，即對現實本質的假設。現在一項新思維實驗正直面這些假設，動搖著量子物理學的基礎。實驗本身就有奇怪之處——它需要進行測量，以消除剛剛觀察到的事件的任何記憶。

博科園-科學科普：雖然這在人類身上不可能實現，但量子計算機可以進行此項實驗，並有可能區分量子物理的不同解釋。加州查普曼大學(Chapman University)的量子物理學家馬修·利弗(Matthew Leifer)說：你時不時會看到一篇論文，讓每個人都參與到思考和討論中，這就是其中的一個例子，我們將把思想實驗添加到量子基礎思考的經典怪談之中。瑞士蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)的丹妮拉·弗勞奇格(Daniela Frauchiger)和雷納托·雷納（Renato Renne）參與了這個表面上看起來合理的實驗。但實驗出現了矛盾的地方，表明實驗結果至少有一個假設是錯誤的。

如果拋硬幣不能同時出現正面和反面，物理學家就必須拋棄對現實本質的簡單假設。圖片：Allison Filice for Quanta Magazine

選擇放棄哪種假設對我們理解量子世界有一定的影響，並揭示出量子力學可能不是一個廣泛適用的理論，甚至不能應用於類似人類的複雜系統。眾所周知，量子物理學家在正確解釋用於描述量子運動的方程時存在分歧。在新思維實驗中，沒有任何一個量子理論的觀點是完美無缺的——每一個都與一個或另一個假設相衝突。在我們尋求對現實無可爭議的描述時，是否會有全新的東西等待著我們？量子理論在光子、電子、原子、分子，甚至大分子的尺度上都非常有效。但是它適用於遠大於大分子的系統嗎？

還無法證明量子力學可以適用於更大的尺度，更大的尺度意味著病毒或小細胞大小的物體。特別是不知道它是否能夠延伸到人類大小的物體，甚至更小的物體；它是否能夠延伸到黑洞大小的物體。儘管缺乏證據，物理學家認為量子力學可以用來描述所有尺度的系統。為了驗證這一論斷，弗勞奇格和雷納提出了思維實驗，思維實驗是物理學家尤金·威格納(Eugene Wigner)在20世紀60年代首次提出的想法的延伸。新實驗表明，在量子世界中，兩個人最終可能會對一個看似無可辯駁的結果產生分歧，比如擲硬幣的結果；這也揭示出我們對量子現實的假設有一些問題存在。

在標準量子力學中，諸如亞原子粒子之類的量子系統由抽象的波函數表示。物理學家計算粒子的波函數如何隨時間演化。但波函數沒有給出任何粒子性質的精確值，比如位置。如果想知道粒子的準確位置，波函數在空間和時間中的任何點的值僅僅是計算在某點找到粒子的概率。波函數具有可延展性，它計算出粒子處於不同位置的概率不盡相同。量子系統可以是態的疊加，其中「態」可以指其他性質，如粒子自旋。弗勞奇-雷納的許多思想實驗都涉及到操縱複雜的量子物體——甚至是人類，這些物體最終會處於疊加狀態。

美籍匈牙利理論物理學家尤金·威格納是量子理論發展的關鍵人物之一。1963年他被授予諾貝爾物理學獎。 圖片：Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy

思維實驗中有四個代理：愛麗絲、愛麗絲的朋友、鮑勃、鮑勃的朋友。愛麗絲的朋友在實驗室里對量子系統進行測量，愛麗絲在外面監視著實驗室工作和她的朋友。鮑勃的朋友在另一個實驗室里，鮑勃也在觀察他的朋友和實驗室，把它們當作一個系統來對待。在第一個實驗室里，愛麗絲的朋友做了一個有效拋硬幣的測量，硬幣有三分之一次正面朝上，三分之二次反面朝上。如果硬幣正面朝上，愛麗絲的朋友準備了一個自旋指向下的粒子，但是如果硬幣反面朝上，她準備一個等分的疊加自旋朝上和朝下的粒子，愛麗絲的朋友把粒子發送給鮑勃的朋友，鮑勃負責測量粒子的自旋。

根據這個結果，鮑勃的朋友可以斷言愛麗絲的朋友拋硬幣的結果。例如，如果他發現粒子自旋向上，那麼硬幣應該是反面朝上。實驗還在繼續。愛麗絲測量了朋友和實驗室的狀態，並且把她們當作一個量子系統，並使用量子理論進行預測。鮑勃對他的朋友和實驗室也做了同樣的事情。這是第一個假設：一個代理可以使用量子力學分析另一個系統，甚至包括其他代理的複雜系統。換句話說，量子理論普適於宇宙中的一切；整個實驗室以及其中的科學家都遵循量子力學的規則。這個假設允許愛麗絲將她的朋友和實驗室作為一個系統，並進行特殊測量，使得整個實驗室，包括它的內容，處於疊加狀態。這一測量方法並不簡單，思維實驗的古怪之處也在於此。

圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

實驗過程最好通過考慮水平偏振和垂直偏振疊加的單個光子來理解。假設你測量偏振，發現它屬於垂直偏振。如果你一直檢查光子是否垂直偏振，所得的結論也一直符合。但如果你測量垂直偏振光子看它是否在不同的方向偏振，比如說在垂直45度的角度，你會發現有50%的幾率它是垂直偏振，50%的幾率它不是垂直偏振。現在回去測量你認為是垂直偏振的光子，你會發現它有可能不再是垂直偏振，而是水平偏振。45度的測量使光子回到水平偏振和垂直偏振的疊加狀態。對於單個粒子來說，這一切都非常符合

這些測量已經在實際實驗中得到了充分的驗證。但在思維實驗中，弗勞奇格和雷納想對複雜系統進行類似的實驗。在實驗階段，愛麗絲的朋友已經知曉硬幣要麼正面向上要麼反面向上。但愛麗絲複雜的測量方法使實驗室包括她的朋友陷入了一種見過頭和尾的疊加狀態。考慮到這種奇怪的狀態，實驗並不需要愛麗絲的朋友做更多事情。然而根據愛麗絲複雜的測量，可以肯定也可以否定她能夠推斷出鮑勃朋友測量的結果。假設愛麗絲的答案正確。那麼她就能夠用量子力學推導出鮑勃的朋友測量的結果是粒子自旋向上，因此愛麗絲的朋友擲硬幣的結果是反面朝上。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)的物理學家雷納托·雷納(Renato Renner)和丹妮拉·弗勞奇格(Daniela Frauchiger)。圖片：ETH Zurich/Giulia Marthaler

愛麗絲的論斷使另一個關於她使用量子理論的假設成為必要。她不僅可以推理出她所知道的，而且還能夠推理鮑勃的朋友如何運用量子理論得出拋硬幣的結果。這種一致性假設認為，不同主體使用量子理論所做出的預測並不矛盾。與此同時，鮑勃可以對他的朋友和實驗室進行類似的複雜測量，將他們置於一個量子疊加的位置。答案最終會出現「是」或「不是」。如果鮑勃的回答正確，那麼測量的目的就是讓他得出這樣的結論：愛麗絲的朋友在拋硬幣的過程中肯定看到的是有頭像的那一面。明顯，愛麗絲和鮑勃可以測量並比較他們關於拋硬幣結果的斷言。

但這涉及到另一個假設：如果一個行為者的測量表明拋硬幣出現了正面，那麼相反的事實——拋硬幣出現了反面，不可能同時成立。現在，矛盾已經出現。當愛麗絲的測量得到YES時，她推斷硬幣反面朝上，而鮑勃的測量得到YES時，他推斷硬幣正面朝上。大多數情況下，愛麗絲和鮑勃會得到相反的答案。但弗勞奇格和雷納指出，在1/12的概率中，愛麗絲和鮑勃在相同的實驗中都得到了肯定的答案，這使得他們在愛麗絲的朋友拋擲的硬幣是正面還是反面朝上的問題上產生了分歧。所以在談論過去的事情，並且都胸有成竹，但說法卻完全相反，這也就說明一定有什麼問題出現。

這使得弗勞奇格和雷納聲稱，支撐思維實驗的三個假設之一肯定是錯誤的。

科學就到此為止了，我們只知道這三個錯誤中有一個是錯誤的，但不能明確指出哪一個論點出現問題（雷納說），現在這是關於解釋與鑒賞的重要問題。幸運的是，量子力學有多種解釋，而且幾乎所有的解釋都與測量時波函數的變化有關。例如測量一個粒子的位置。在測量之前，我們只能討論在某處找到粒子的概率。經測量，粒子具有準確的位置。在哥本哈根的解釋中，測量會導致波函數崩潰，而我們不能在崩潰前談論屬性，比如粒子的位置。一些物理學家把哥本哈根解釋看作是一種論證，即只有測量了屬性才算真實。

這種形式的「反現實主義」令愛因斯坦和當今的一些量子物理學家深惡痛絕。測量會導致波函數崩潰，然而，哥本哈根的解釋並不清楚什麼是測量。另一種解釋或理論要麼試圖提出一種現實主義觀點——即量子系統具有獨立於觀察者和測量值的屬性；要麼避免測量引發的崩潰，要麼兩者兼而有之。例如多元世界的解釋以波函數的演化為表面價值，先暫時否認它曾經崩潰過。如果拋量子硬幣可以得到正面或反面；在多世界中，兩種結果都會發生，並且在不同的世界中發生。考慮到這一點，假設測量只有一個結果，如果拋硬幣正面朝上，那麼它不能出現反面朝上的狀況，這種假設就站不住腳了。在多世界中，拋硬幣的結果都是正面和反面，因此，愛麗絲和鮑勃有時會得到相反的答案但這一事實並不矛盾。

圖片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

雷納說：我必須承認，如果兩年前你問我，我會說實驗只是表明多世界實際上是一種很好的解釋，你應該放棄測量只出現一種結果的要求。牛津大學(University of Oxford)理論物理學家戴維·多伊奇(David Deutsch)觀點也是如此。在論文中，作者傾向於多世界的場景。(這篇論文的最新版本經過同行評議，並於今年9月發表在《自然通訊》(Nature Communications)上，它的立場偏向於更加不可知論)。多伊奇認為思維實驗將繼續支持多個世界，可能會扼殺波函數坍塌或單宇宙版本的量子理論，但這兩個觀點已經徹底消亡了。不確定用更大的武器再次攻擊這兩種觀點有什麼目的。

然而雷納改變了想法，他認為最可能無效的假設是量子力學普遍適用的目標。例如這種假設被所謂的自發坍縮理論所違背，正如其名稱所暗示的那樣，該理論認為波函數自發、隨機坍縮，與測量無關。這些模型保證了小量子系統，比如粒子，幾乎可以永遠保持狀態的疊加，但是隨著系統變得越來越大，它們自發坍塌到原始狀態的可能性越來越大。測量僅僅是發現坍塌系統的狀態。在自發坍塌理論中，量子力學不再適用大於某個閾值質量的系統。雖然這些模型還有待驗證，但它們沒有被排除在外。

日內瓦大學(University of Geneva)的尼古拉斯?吉辛(Nicolas Gisin)支持用自發崩潰理論來解決雷納實驗中的矛盾：解決辦法顯然是在說不，在某個時候疊加原理不再適用。如果你想堅持量子理論是普遍適用的假設，並且測量只有一個結果，那麼你就必須放棄剩下的假設，即一致性的假設：不同主體使用量子理論做出的預測不會相互矛盾。萊弗使用了弗勞奇格-雷納實驗的一個略為改動的版本，證明了如果哥本哈根式的理論成立，那麼最終的假設，或其變體，就必須成立。在萊弗的分析中，這些理論有一些共同屬性——普遍適用、反現實(這意味著量子系統在測量前沒有明確定義的屬性，比如位置)、完備(這意味著該理論沒有捕捉不到的隱藏現實)。

考慮到屬性，研究意味著對於所有觀察者來說，一個給定度量的結果不可能客觀真實。所以如果一個探測器在實驗室里為愛麗絲的朋友運作，這對她來說是一個客觀事實，但對愛麗絲來說並不是如此，她在實驗室外用量子理論為整個實驗室建模，測量結果取決於觀察者的視角。如果你想堅持哥本哈根的觀點，似乎最好的辦法就是採用這種視角。某些解釋，如量子貝葉斯主義(quantum Bayesianism)或QBism，已經採納了這種觀點，即測量結果對觀察者來說是主觀的。完全放棄這一假設，將會破壞理論的有效性，使其無法有效地作為一種手段，讓行為主體了解彼此的知識狀態，這種理論可以被斥為唯我論。

因此任何向主觀事實靠攏的理論都必須重新建立某種滿足兩種相反約束條件的知識交流方式。首先，它必須足夠弱，不能引發欺詐-雷納實驗中出現的悖論。但它也必須足夠強大，以避免被指責為唯我主義。迄今為止，還沒有人提出過令所有人滿意的理論。雷納實驗在三個看似合理的假設之間產生了矛盾。加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所(Perimeter Institute for theory Physics)的羅布·斯皮肯斯(Rob Spekkens)說：試圖解釋各種量子理論的解釋如何違反這些假設，是一種意義深遠的嘗試。這個思維實驗是一個很好的透鏡，通過它可以檢驗不同陣營對量子理論解釋的不同看法。我不認為它真的消除了人們在實驗之前認可的選擇權，但它明確闡述了不同的陣營需要相信什麼，才能避免這種矛盾。

這有助於闡明人們在其中一些問題上的立場。由於理論工作者無法區分不同的解釋，實驗工作者正在思考如何實施思維實驗，希望能進一步闡明這個問題。但這將是一項艱巨的任務，因為實驗仍有一些奇怪之處。例如當愛麗絲對她的朋友和實驗室做特殊的測量時，它把所有的東西，包括朋友的大腦，都置於狀態的疊加中。在數學上，這種複雜的測量與首先顛倒系統的時間演化是一樣的，這樣就消除了代理的存儲器，使量子系統（如代理測量的粒子）恢復到原來的狀態，然後執行一個更簡單的測量。澳大利亞格里菲斯大學布里斯班分校的霍華德·懷斯曼（Howard Wiseman）說：僅僅測量粒子就可以了。

測量可能很簡單，但正如吉辛（Gisin）在外交上指出的那樣；逆轉一個代理，包括大腦和代理的記憶，作用微乎其微。儘管如此，吉辛並不完全反對這一想法，也許有一天，這個實驗可以用複雜的量子計算機作為實驗室里的代理(扮演Alice的朋友和Bob的朋友)來完成。理論上量子計算機的時間演化可以逆轉。一種可能是：這樣的實驗將複製標準量子力學的預測，即使量子計算機變得越來越複雜。但或許也不會。另一種選擇是，在開發量子計算機的過程中，我們遇到了疊加原理的邊界，發現量子力學並不普適。

而萊弗則在等待一些新事物出現，認為對量子力學的正確解釋並非上述任何一種。他把量子力學的現狀比作愛因斯坦提出狹義相對論之前的情形。實驗人員沒有發現任何「光以太」的跡象，光以太被認為是在牛頓宇宙中傳播光波的介質。愛因斯坦認為以太並不存在。相反，他展示了空間和時間的可塑性。在愛因斯坦之前，我不能告訴你空間和時間的結構會發生改變。量子力學現在也處於類似的境地，我們很可能對世界真實的樣子做了一些隱含的假設，但這並不是現實，一旦我們改變了這個假設，一切就會突然回到原點。

博科園-科學科普｜文：Anil Ananthaswamy/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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