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。。。。。。
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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。”
