这个加强版“薛定谔的猫”,可能会推翻你所见的真实世界

Posted By on August 30, 2020

科研圈

最近,《自然-物理学》(Nature Physics)发表了一篇论文,研究者们将人类引入量子系统并进行了测试,完成了一个加强版的“薛定谔的猫”实验。一些科学家认为这项研究“很荒谬”,而另一些学者认为他们得到的结果,可能会颠覆我们眼中的真实世界,甚至改变量子力学。。。。。。

 

来源 Scientific American

作者 Zeeya Merali

翻译 闫硕

编辑 魏潇

既活着又死去是一种什么感觉?

在上世纪六十年代,这个问题让匈牙利裔的美国物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)感到又恼火又鼓舞。量子力学变幻莫测,由此产生的悖论弄得他很沮丧。支配微观领域的理论表明,除非被观测到,否则量子系统不一定具有明确的属性。以他的同僚、物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)的著名思想实验为例:将一只猫关在一个装有少量放射性镭和剧毒氰化物的密闭容器里,当镭发生衰变时,氰化物就会释放出来,使猫死亡。而放射性衰变是一个量子过程,镭可能发生衰变,也可能没有衰变。因此在容器打开之前,这只不幸的猫陷入了一种生与死的叠加状态。但是,这只猫是否真的经历了叠加态呢?

维格纳打造了一个加强版的悖论:设想他的一个朋友(人类,而不是猫)被关在实验室里,作为一名观测者来测量量子系统。他辩称,如果认为他的朋友处在一种既被看见又没被看见的衰变的叠加状态是荒谬的,除非他亲自打开实验室的门去确认。澳大利亚布里斯班格里菲斯大学(Griffith University)的量子物理学家 Nora Tischler 说,“维格纳的朋友”思想实验表明,如果观测者也被观察到,事情会变得非常奇怪。

近日,Tischler 和她的同事们进行了一次“维格纳的朋友”的实验测试。通过将经典的思维实验与量子纠缠(一种在相隔距离很远的粒子间建立连接的现象)的方法相结合,得出了一个新的定理。他们声称这个定理对真实世界的基本性质施加了迄今为止最有力的限制。这项研究发表在 8 月 17 日的《自然-物理学》(Nature Physics)上,对(人类的)意识在量子物理中可能扮演的角色有一定的启示意义,甚至涉及量子力学是否应该被取代的问题。

没有参加这项研究的多伦多大学的量子物理学家 Aephraim Steinberg 认为,这项新工作是“在实验性形而上学领域向前迈出的重要一步,是一个巨大研究课题的开始。”

不同的解释

上世纪二十年代量子物理学出现之前,物理学家们一直希望他们所建立的理论是确定的。使用他们建立的理论就可以对实验结果做出明确的预测。但量子力学似乎天生就是一个概率论。这也就是说,在一个系统的属性被测量之前,该系统可以包含无数种可能的属性叠加,这一理论在教科书上有时被称为哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation)。当系统被观测到的时候,这种叠加才会坍塌为单一状态,而物理学家永远无法精确地预测这种状态到底是哪一种。维格纳持有一种当时流行的观点,即人类的意识以某种方式触发了叠加态的倒塌。因此,他的假想朋友在对量子系统进行测量时会得到一个确定的结果,而维格纳永远不会看到他的朋友处在叠加态。

不过,“维格纳的朋友”的观点后来不再被认可。纽约大学的哲学家和认知科学家 David Chalmers 说:“研究基础量子力学的人很快就把维格纳的观点斥为诡异和不明确的,因为这一观点让观测者特殊化了。”今天,大多数物理学家都同意,无生命物体可以通过一种被称为退相干的过程将量子系统从叠加态中剔除。当然,当研究人员在实验室里试图操纵复杂量子叠加时会发现,他们的辛勤工作会因高速空气粒子与其系统相撞而毁于一旦。因此,他们往往在超低温下进行测试,并试图将设备与振动隔离开来。

几十年来,有很多相互竞争的量子力学诠释出现,它们采用了一些并不神秘的机制。例如退相干,它被用来解释叠加态是如何在没有唤起意识的情况下崩解的。还有一些诠释持有更激进的立场,即叠加根本没有崩解。在与维格纳有关的实验测试中,每种诠释都有自己奇特而精彩的表现。最奇异的是“平行世界”的观点,即每当你进行量子观测时,现实就会断裂,创造出多个平行宇宙来容纳每一个可能的结果。在这一理论中,维格纳的朋友将被分成两个人。拥有许多粉丝的、特拉维夫大学的量子物理学家 Lev Vaidman 说:“如果有足够好的超科技(supertechnology),维格纳确实可以从实验室外测量出他的朋友处于叠加态。”

平行宇宙。图片来源:Pixabay

另一种“玻姆”理论(以物理学家 David Bohm 的名字命名)指出,基本量子系统的确有明确的性质,只是我们对这些系统了解不够,所以无法精确预测它们的行为。基于这一理论,虽然维格纳的朋友只有一次实验经历,但由于维格纳的无知,他可能仍然认为他的朋友处于一种叠加状态。相比之下,一种相对较新的、被称为 QBism 诠释的观点则完全接受了量子理论的概率因素。QBism 发音为“cubism”,实际上是量子贝叶斯理论(quantum Bayesianism)的缩写,源自18世纪数学家托马斯·贝叶斯(Thomas Bayes)关于概率的研究。支持 QBism 的科学家认为,一个人需要通过量子力学的计算框架,来校正自己在量子实验中对测量产生的“主观预期”。伦敦大学皇家霍洛威学院(Royal Holloway, University of London)的 Ruediger Schack 是 QBism 诠释的创始人之一,他认为:“(量子系统的)观测结果实际上只能展现观测者的个人化结果。”根据 QBism 的要义,量子理论无法告诉你关于真实世界的所有潜在信息,因此维格纳也不能用它来推测朋友(在观测实验中)的经历。

另一个有趣的诠释理论叫做逆因果律(retrocausality)。在这一理论中,未来可以影响过去。圣何塞州立大学(San Jose State University)物理学家 Ken Wharton 说:“从逆因果的角度来看,维格纳的朋友确实经历过一些事情。”但是,他朋友在实验室所经历的“某些事情”取决于这之后维格纳如何观察这位朋友。

这些解释量子观测结果的诠释理论难分伯仲,所以在它们之间进行选择就需要看每个人的“口味”了。Steinberg 说:“没有人知道确切的解释是什么,我们甚至不知道我们已经拥有的解释是否详尽无遗。”

还有一种被称为坍缩理论的模型,确实能做出可被检验的预测。它有一种附加机制:当量子系统变得太大时,这个系统会因此崩溃。这就解释了为什么猫、人和其他宏观物体不能叠加在一起。目前,科学家正在进行实验,来寻找这种系统坍缩的迹象,但迄今为止他们还没有任何发现。量子物理学家也开始将更大的物体引入叠加态:去年维也纳的一个研究小组报告说,他们将一个含 2000 个原子的分子引入了叠加态实验。

大多数的量子力学诠释认为,没有理由不让这些超大型叠加实验持续下去。如果研究人员可以在原始的实验室条件下设计出正确的实验,就可以避免退相干。不过,坍缩理论认为,不管实验准备得多么仔细,终有一天会达到极限。意大利的里雅斯特大学(University of Trieste)的量子物理学家、坍缩理论的倡导者 Angelo Bassi 说:“如果你试图操纵一个典型的观测者——比如说人类,并将其视为一个量子系统,它就会立即崩溃。”

观察“维格纳的朋友”

Tischler 和她的同事们相信,进行“维格纳的朋友”的实验可以揭示量子力学的局限性。新一波理论和实验论文给了他们启发——这些论文通过将量子纠缠引入维格纳的经典实验来研究观测者在量子力学中扮演的角色。假设我们可以取两个光粒子(光子)并让它们产生偏振,这样它们就可以水平或垂直地振动。那么这一对光子也可以被认为处于水平和垂直振动的叠加态,就像薛定谔的猫在被观测到之前处于生存和死亡的叠加态中一样。

这样的光子对纠缠在一起,它们的偏振方向总是被发现是相反的。这看起来并不奇怪,除非你记住这些属性在被测量之前是不固定的。即使一个光子给了澳大利亚的一个叫爱丽丝的物理学家,而另一个被送到爱丽丝在奥地利维也纳的同事鲍勃那里,量子纠缠也能确保只要爱丽丝观察到她的光子的偏振是水平方向的,鲍勃的光子的偏振就会立即同步到垂直方向。因为这两个光子的通讯速度似乎比光速还要快,这是爱因斯坦的相对论所不能接受的。这一现象也深深地困扰着爱因斯坦,他称之为“远距离的幽灵”。

这种困扰一直持续到上世纪六十年代,直到物理学家约翰·贝尔(John Bell)发明了一种方法来检验现实是否真的有“幽灵”存在,或者产生纠缠的光子对背后是否有更平凡和普遍的解释。贝尔设想了一个常识性的局部理论,即(外界带来的)影响不能在光子对之间立即传播。这是确定性的,不是量子力学固有的概率性。因此,只要物理学家能更好地了解系统的隐藏属性,原则上实验结果可以被准确地预测。对量子力学家来说这是可行的,这意味着即使没有人去观察它们,量子系统也具有确定的属性。随后贝尔计算了一系列纠缠粒子之间关联的最大水平,以支持这种局部的、确定的现实理论。如果某个理论在实验中超过了这个阈值,那么它背后的假设一定是错误的。

到 2015 年,研究人员已经进行了一系列严密的“贝尔测试”,这些测试也证实了“幽灵”存在于现实世界。Steinberg 说:“量子基础是一个真正由贝尔定理(Bell‘s theory)指导实验的领域,现在已经有 50 多年的历史了。我们花了大量时间去重新进行这些实验,并讨论它们的意义。几乎没有人能想出一个超越贝尔的新测试理论。”

Brisbane 团队的目标是推导和测试一个新的定理。他们想要在现实世界的天然属性上施加一个更严格的约束,即“局部友好”界限。与贝尔的理论一样,Brisbane 团队的设想也是局部化的。他们还明确禁止“超决定论”。后者是指,实验的观测者可以不受未来或过去事件的影响,自由地选择观测什么(贝尔也模糊地假设了实验者有自由选择权)。最后,研究团队规定,当观测者进行测量时,得到的结果是真实且单一的事件,与任何人、任何事物都没有关联。

进行“局部友好”测试需要一个巧妙的设置:让两名“超观测者”(superobservers)——爱丽丝和鲍勃(扮演维格纳的角色),来观察他们的朋友查理和黛比。爱丽丝和鲍勃各自都有一个用来操纵光子束的干涉仪。在被测量之前,光子的偏振处于水平和垂直的叠加态。在实验中,研究人员制备了一对纠缠光子:当其中一个光子的偏振被测量到处于水平方向,另一个光子的偏振将立即翻转到垂直方向。纠缠光子对中的一个光子在爱丽丝的干涉仪里,另一个则被送到鲍勃那里。在这次测试中,查理和黛比并不是真实意义上的“人类的朋友”,他们更像是位于被放置在每个干涉仪前方的光束位移器。当爱丽丝的光子碰到位移器时,光子的偏振可以被有效地捕捉到;然后位移器会根据它捕捉到的光子偏振方向向左或向右转动。这个动作相当于是爱丽丝的朋友查理在执行他的观测。同理,黛比也在鲍勃那里扮演同样的角色。

于是,爱丽丝必须做出选择:她可以立即测量光子新的偏振方向,这就相当于打开实验室的门,询问查理他看到了什么。或者爱丽丝可以让光子继续它的旅程,通过第二个光束位移器将左右路径重新组合起来,相当于关闭了实验室的门。爱丽丝可以直接测量出干涉仪的光子偏振度。在整个实验过程中,爱丽丝和鲍勃独立进行各自的观测,然后通过比较观测结果来计算这些纠缠光子对之间的关联。

Tischler 和她的同事们进行了 9 万次实验。正如预期的那样,这些关联否定了贝尔的初始边界。最关键的是,这些关联也超过了新的“局部友好”阈值。研究小组还可以修改设置:在光子进入干涉仪之前,让其中一个光子绕道而行,从而降低光子之间的纠缠度,轻轻地扰乱两个光子之间的完美和谐。当研究人员用稍微低一点的纠缠度进行实验时,他们发现了一个点,在这个点上,关联仍然违反了贝尔的界限,但是却落在了“局部友好”界限内。Tischler 说,这一结果证明了这两组边界是不等价的,并且新的“局部友好”约束更强。她补充道:“如果你违反了这些原则,你就会对真实世界有更多的了解。”也就是说,如果量子理论认为“朋友”可以被视为量子系统,那么你必须要么放弃局部性:要么接受观测者必须同意的单一结果,要么允许超决定论。每一种选择都有深刻的含义,这显然是令一些物理学家无法接受的。

图片来源:Pixabay

赞同、争议与反思

位于纽约的量子计算机公司图灵(Turing)的联合创始人 Michele Reilly 说:“这篇论文是一项重要的哲学研究。”Reilly 没有参与这项工作,她指出,研究量子基础的物理学家们往往很难想出一个可行的测试方法来支持他们的想法,并且很高兴看到一个哲学理论背后的实验。Steinberg 则称这项实验“极其精巧”,并称赞该团队正面解决了观测者在观测中的角色之谜。

量子力学迫使物理学家放弃了一个从贝尔那里获得的常识性假设——这一点也不奇怪。但第三方科学家 Wharton 表示:“这方面的进展正在帮助我们缩小这些假设的范围。”不过,他指出,大多数量子诠释理论的支持者不会被这项研究刺激到失眠。包括他自己在内、逆因果律的支持者已经和超决定论达成了和解:在他们看来,未来的测量结果会影响过去的结果并不令人震惊。与此同时,支持 QBism 观点的科学家很久以前就提出了这样的要求:量子力学规定了一个每个观测者都必须同意的单一结果。

玻姆理论和自发坍缩模型为了回应贝尔理论已经欣然放弃了局部性。此外,坍缩模型指出,一个真正的宏观朋友不能作为一个量子系统来操纵。

不过,Vaidman 对这项研究似乎不太赞同,他甚至批评将“维格纳的朋友”与光子联系起来是不对的。他说,论文中使用的方法“很荒谬;朋友必须是宏观的”。纽约大学的物理哲学家 Tim Maudlin 对这一观点表示赞同,他也没有参与这项研究。他指出:“除非是泛心论者(panpsychic),不然没有人会认为光子能扮演观测者的角色。”因为没有物理学家质疑光子是否可以处于叠加态,Maudlin 觉得这个实验缺乏说服力。他说:“这个实验排除了一些没人提出过的东西。”

Tischler 接受了这些批评。她说:“我们不想过分吹嘘我们的研究成果。”美国格里菲斯大学(Griffith University)的物理学家、研究团队的成员 Howard Wiseman 补充说,未来实验的关键是将“朋友”的尺寸扩大。他说,最具戏剧性的方法将是使用量子计算机上的人工智能设备作为“朋友”。Wiseman 指出,一些哲学家认为这样的机器可能具有类似人类的体验,这被称为强人工智能假说。不过,还没有人知道这个想法能否会成为现实。但如果假设成立,这种基于量子的通用人工智能(AGI)将是微观的。从自发坍缩模型的角度来看,整个系统不会因为“朋友”太大而坍缩。如果这样的测试能在不违反“局部友好”边界的条件下进行,那么这个结果意味着 AGI 的意识不能被叠加。如果刚好相反,那这个结论将表明维格纳认为意识导致量子系统崩溃是正确的。Wiseman 说:“我不认为在我有生之年能看到这样的实验。如果它成功了,那将是革命性的。”

然而,Reilly 警告说,如果物理学家们希望未来AGI能对真实世界的基本描述有所帮助,那就是本末倒置了。她指出:“对我来说,量子计算机将成为我们进入 AGI 时代的转变契机,这不是不可想象的。最终,我们需要一个适用于一切的理论,以便在量子计算机上建立 AGI 。”

这一要求可能会排除一些更宏大的计划。不过,研究团队还是建议可以将机器学习系统作为“朋友”来进行更温和的中间测试,这让 Steinberg 很着迷。他说,这种做法“有趣又刺激”。“事实上,规模越来越大的计算设备可以用量子方法来进行测量,这个想法的可能性正在变高。”

瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的量子物理学家 Renato Renner 提出了一个更有力的主张:不管未来的实验能否进行,新的定理告诉我们,量子力学需要被取代。2018 年,在 ETH 工作的 Renner 和他的同事 Daniela Frauchiger 发表了一个基于“维格纳的朋友”的思维实验,并用它推导出一个全新的悖论。他们的实验设置不同于 Brisbane 团队,但也涉及到四个观测者,彼此之间存在纠缠。Renner 和 Frauchiger 计算出,如果观测者相互应用量子定律,他们最终可能在同一个实验中推断出不同的结果。

Renner 说:“这篇新论文再次证实了当前的量子力学存在问题。”他认为,如果支持者承认他们关心这些量子诠释理论是否能给出一致的结果,那么目前这项理论都无法摆脱所谓的 Frauchiger-Renner 悖论。他说,支持 QBism 观点的科学家提供了最容易接受的逃逸方法,因为从一开始,他们就说量子理论不能用来推断其他观测者将测量到什么。他补充道:“不过,我还是很担心:如果一切都是我个人的事,我怎么能表达与你有关的观点呢?” Renner 现在正在研究一种新的理论,它提供了一套数学规则,让一个观测者可以计算出另一个观测者在量子实验中应该看到些什么。

尽管如此,那些坚信自己所支持的量子诠释理论是正确的人,仍然认为 Tischler 的研究没有什么价值。Vaidman 说:“如果你认为量子力学是不健全的,认为它需要被替换,那么这个研究就有用,因为它告诉你了新的约束。但我不同意‘任何理论都能解释一切’这种观点。”

目前,物理学家们将不得不继续讨论哪种量子诠释理论是最好的,或者是否需要针对一种全新的量子理论达成一致。Reilly 说:“这就是我们在二十世纪初‘脱轨’的地方,我们真的对此感到困惑。但做这些研究去思考这个问题,恰恰是正确的做法。”