在量子物理學中，不止一種現實存在！

現實的兩個版本能同時存在嗎？物理學家們說他們可以做到：也就是說，在量子水平上。研究人員最近進行了一些實驗，以回答一個存在了幾十年的現實的理論物理學問題。這個棘手的思維實驗表明，觀察同一個光子的兩個人可能對光子狀態得出不同結論——然而兩個觀察結果都是正確的。科學家們第一次複製了思維實驗中描述的條件，研究結果發表在《arXiv》上，證實了即使觀察者在同一個光子中描述了不同狀態，這兩個相互矛盾的事實也可能是真實的。

博科園-科學科普：奧地利因斯布魯克大學實驗物理系博士後Martin Ringbauer說：可以驗證這兩種說法。這個令人困惑的想法是1963年諾貝爾物理學獎得主阿爾弗雷德·維格納的主意。1961年，維格納引入了一個思想實驗，這個實驗後來被稱為「維格納的朋友」。它始於光子，當一個獨立實驗室的觀察者測量光子時，發現粒子的偏振（旋轉軸）要麼是垂直的，要麼是水平的。然而，在光子被測量之前，光子同時顯示兩種偏振，這是由量子力學定律決定，它存在於兩種可能狀態的「疊加」中。

根據量子力學，對同一實相的不同觀測(以光子為單位)可能都是正確的。圖片：Shutterstock

一旦實驗室里的人測量了光子，粒子就會呈現出固定的偏振。但是對於那些不知道測量結果，在封閉實驗室外的人來說，未測量的光子仍然處於疊加狀態。因此，局外人的觀察（他們的現實）與實驗室中測量光子的人的現實有所不同。然而，根據量子力學，這兩種相互矛盾的觀測結果都被認為是正確的。幾十年來，維格納令人費解的提議只是一個有趣的思維實驗。但近年來，物理學的重大進展終於使專家們能夠對維格納的提議進行測試。需要理論上的進步，以一種可測試的方式來表述這個問題。

然後，實驗方面需要量子系統控制方面的發展來實現類似的東西。林堡爾和同事們用一個更加嚴格的實驗來驗證維格納的原始想法，這個實驗使情況加倍。他們指定了兩個進行實驗的「實驗室」，並引入了兩對糾纏光子，這意味著它們的命運是相連的，因此知道其中一種光子的狀態，就會自動告訴你另一種光子的狀態(裝置中的光子是真實的）。場景中的「四個人」——「愛麗絲」、「鮑勃」和各自的「朋友」——都不是真實存在的，而是實驗的觀察者。

愛麗絲和鮑勃的兩個朋友分別位於各自實驗室的「內部」，他們每人測量了一對糾纏態光子。這就打破了糾纏，使疊加坍塌，這意味著他們測量的光子處於一定的偏振狀態，將結果記錄在量子存儲器中——在第二個光子的偏振下複製。愛麗絲和鮑勃當時「在」封閉的實驗室之外，他們被要求做出兩種選擇來進行自己的觀察。他們可以測量朋友們存儲在量子存儲器中的結果，從而得出關於偏振光子的相同結論，但他們也可以在糾纏光子之間進行自己的實驗。

在這個被稱為干涉實驗實驗中，如果光子以波的形式運動，並且仍然以狀態疊加的形式存在，那麼Alice和Bob就會看到一個典型的光條紋和暗條紋，其中光波的波峰和波谷相加或相互抵消。如果粒子「選擇」了它們的狀態，你會看到與沒有「選擇」時不同的模式。維格納此前曾提出，這將揭示光子仍然處於糾纏態。這項新研究的作者發現，即使在他們的雙重假設下，維格納所描述的結果仍然成立，根據這項研究，愛麗絲和鮑勃可以得出關於光子的正確和可證明的結論。

這些結論與他們朋友的觀測結果不同，但仍然是正確和可證明的。量子力學描述了世界是如何在如此小的尺度下運行，以至於物理學的常規規則不再適用，林鮑爾說：幾十年來，研究這一領域的專家對這一現象的含義給出了多種解釋。然而，如果測量本身不像這些新發現所表明的那樣是絕對的，那就挑戰了量子力學的真正意義。與經典物理學相比，測量結果似乎不能被認為是絕對真理，但必須相對於進行測量的觀察者來理解，所量子力學故事必須適應這一點。

博科園-科學科普｜文: Mindy Weisberger/Live Science

參考期刊文獻:《arxiv》

cite: arxiv: 1902.05080

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