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新的量子實驗表明:客觀現(xiàn)實可能并不存在

時間:2020-02-18 16:37來源:網(wǎng)絡整理 瀏覽:
一些物理學家將這些新進展視為支持一次觀測中可以出現(xiàn)多種結果的理論依據(jù),例如存在平行宇宙,每一種結果都可能發(fā)生科技訊北京時間11月22日消
一些物理學家將這些新進展視為支持一次觀測中可以出現(xiàn)多種結果的理論依據(jù),例如存在平行宇宙,每一種結果都可能發(fā)生 一些物理學家將這些新進展視為支持一次觀測中可以出現(xiàn)多種結果的理論依據(jù),例如存在平行宇宙,每一種結果都可能發(fā)生

科技訊 北京時間11月22日消息,“另類事實”(alternative facts,一般指替代性,不真實的謊言)像病毒一樣在全社會蔓延,現(xiàn)在似乎也感染了科學界——至少在量子領域。這聽起來有點違反直覺??茖W方法畢竟是建立在可靠的觀察、測量和重復性的概念之上。通過測量確定的事實應該是客觀的,這樣所有的觀察者才能達成共識。

然而,最近發(fā)表在《科學進展》(Science Advances)雜志的一篇論文中,研究人員指出,在由量子力學支配的微觀粒子世界中,兩個不同的觀察者都有權獲取自己的事實。換句話說,根據(jù)目前的量子理論,事實實際上是主觀的。

觀察者在量子世界中扮演著重要的角色。根據(jù)量子理論,粒子可以同時處于多個地方或多種狀態(tài),這就是所謂的“疊加態(tài)”。但奇怪的是,這只是在它們沒有被觀察到的情況下。當我們觀察一個量子系統(tǒng)時,粒子會選擇一個特定的位置,即打破疊加態(tài)。事實上,自然界的這種行為已經(jīng)在實驗室中被多次證實,比如著名的雙縫實驗。

1961年,物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)提出了一項頗具挑釁意味的思維實驗。他問道,如果將量子力學應用到一個觀察者身上,而這個觀察者同時也受到觀察,將會發(fā)生什么?想象一下,維格納的一個朋友在封閉的實驗室里擲出一枚量子硬幣——處于正面和反面的疊加態(tài)。每次朋友扔硬幣時,他們都觀察到一個明確的結果。我們可以說,維格納的朋友建立了一個事實:擲硬幣的結果肯定是正面或反面。

維格納無法在外面得知這個事實,根據(jù)量子力學,他必須把朋友和硬幣描述成實驗中所有可能結果的疊加。因為二者是“糾纏”的,彼此詭異地聯(lián)系在一起。所以如果你操縱其中一個,同時也會操縱另一個。在原則上,維格納可以通過所謂的“干涉實驗”來驗證這種疊加。干涉實驗是一種量子測量方法,可以讓你解開整個系統(tǒng)的疊加,從而確認兩個物體之間的糾纏。

在觀察結束之后,當維格納和他的朋友交換意見時,朋友會堅持認為,他們在每次拋硬幣時都看到了明確的結果。但是,維格納不會同意這種觀點,因為他觀察到的是“朋友”和“硬幣”處于疊加態(tài)。

這就成了一個難題。朋友眼中的現(xiàn)實與外界看到的現(xiàn)實是不一致的。維格納最初并不認為這是一個悖論,他認為把一個有意識的觀察者描述成一個量子對象是荒謬的。然而,他后來背離了這種觀點,根據(jù)量子力學的正規(guī)教科書,這樣的描述是完全正確的。

新的實驗

維格納想象的場景長期以來一直是一個有趣的思維實驗,但真的能反映現(xiàn)實嗎?在科學上,這一問題幾乎一直沒有什么進展。直到最近,維也納大學的?aslav Brukner研究表明,在某些假設下,維格納的思想實驗可以用來證明,量子力學中的測量對觀察家而言是主觀的。

Brukner提出了一種測試方法,他將維格納的朋友場景轉換成物理學家約翰·貝爾(John Bell)在1964年首次建立的框架。最后的結果總結起來,可以用于估算所謂的“貝爾不等式”。如果這個不等式被打破,觀察者可能就會得到替代性的事實。

研究人員首次在愛丁堡赫瑞瓦特大學進行了實驗性測試。他們使用了一臺由三對糾纏光子組成的小型量子計算機。第一對光子代表硬幣,另外兩對光子則代表著在各自的盒子里投擲硬幣(測量光子的偏振)。在兩個盒子之外,兩邊各有兩個光子,也可以進行測量。

盡管使用了最先進的量子技術,但僅從6個光子中收集足夠的統(tǒng)計數(shù)據(jù)就需要數(shù)周時間。最終,研究人員成功證實了量子力學可能確實會與客觀事實的假設不相容——不等式被打破了。不過,這個理論建立在一些假設的基礎上,包括測量結果不受光速以上信號的影響,以及觀察者可以自由選擇測量內(nèi)容等。因此,這并不是最終確定的結論。

另一個重要的問題是,是否可以將單光子視為觀察者。在Brukner的理論中,觀察者不需要具有意識,只需要能夠以測量結果的形式建立事實。因此,一個無生命的探測器也可以是有效的觀察者。根據(jù)教科書上的量子理論,我們有理由相信,一個探測器如果能做得像原子那么小,那應該也可以描述成像光子一樣的量子物體。也有可能標準的量子力學不適用于大尺度,但想要進行測試的話,又是另一個問題了。

因此,這個實驗表明,至少就量子力學的局部模型而言,我們需要重新思考客觀性的概念。在宏觀世界中,我們所體驗到的事實似乎仍是安全的,但主要問題在于,現(xiàn)有的量子力學解釋如何能容納主觀事實。

一些物理學家將這些新進展視為支持一次觀測中可以出現(xiàn)多種結果的理論依據(jù),例如存在平行宇宙,每一種結果都可能發(fā)生。另一些人則認為,這些研究結果是本質(zhì)上依賴觀察者的理論(如量子貝葉斯理論)的有力證據(jù)。在量子貝葉斯理論中,主體的行為和體驗是該理論的核心關注點。還有人認為,這是一個強有力的暗示,或許意味著量子力學將在某些復雜的尺度上崩解。

很顯然,這些都是關于現(xiàn)實本質(zhì)的哲學問題。無論答案是什么,一個有趣的未來正等待著我們。(任天)

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