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我们对量子力学理解有误?薛定谔猫实验让量子界炸锅

时间: 2018-09-23 09:07:10 | 来源: 新浪科技-自媒体综合 | 阅读: 154次

来源:环球科学ScientificAmerican

1935年,物理学家埃德温·薛定谔提出了世界上最著名的思想实验——薛定谔的猫,这只猫在盒中会处于一种不确定的尴尬状态。量子理论奇异的原理将意味着这只猫会既死又活,只有在盒子打开后,猫的状态才能确定。现在,两位物理学家设计了一个全新版本的实验:他们将猫换成了一位做实验的物理学家。随之而来的是一个令物理学家更加困惑的局面:哥本哈根诠释在这种情况下自相矛盾。

量子理论中的思想实验有着悠久的历史,在大多数情况下这些实验都是为了指出各种量子力学的诠释中的破绽。但是最新的实验很不一样,因为其中有多个观测者:如果对量子力学的标准诠释是正确的,那么不同观测者对物理学家在盒中的测量结果就会有相反的结论。也就是说,量子理论是自相矛盾的。

苏黎世联邦理工学院的Renato Renner和他的学生Daniela Frauchiger于2016年在网上发表了论文的第一版。经过两年的修订,最终的论文于本周发表在《自然·通讯》上。

在这两年间,物理学界对这个实验的争论一直很激烈。即使是在这个古怪概念层出不穷的领域,大量研究者还是被这个问题难住了。查普曼大学的理论物理学家MatthewLeifer说:“我觉得这个问题比之前的问题都要奇怪。”

奇异的世界

几乎所有现代物理理论都建立在量子力学的基础上,量子力学解释了一切现象,从原子的结构到磁铁相互吸引的原因。但是物理学家仍然在寻找量子力学的概念基础。量子力学的方程无法预言测量的准确结果,只能给出得到特定结果的概率。举例来说,我们永远无法得知一个电子的确切位置,只能得到电子出现在某一位置的概率。

于是,像电子这样的量子物体永远生活在不确定的云团中,它们在数学上由不断连续变化的“波函数”来描述。但是当电子位置之类的性质被测量时,波函数就会坍缩,得到一个准确的结果。(很短一段时间之后再次测量仍会得到相同的结果)

哥本哈根诠释是量子力学的诠释方式中最广为接受的一种,于上世纪20年代由量子理论研究的领头人尼尔斯·玻尔和沃纳·海森堡提出,以玻尔居住的城市命名。这种诠释方式认为对量子系统的观测会使波函数从弥散状态“坍缩”到一个数据点。

但是有一个问题是哥本哈根诠释没法解释的:为什么原子的量子世界与实验室观测的经典世界所适用的物理规则不同?尽管如此,哥本哈根诠释是很可靠的:尽管量子物体的状态是不确定的,实验观测总还是在经典领域进行,得到的结果也是清晰的。

现在,Frauchiger和Renner正在将物理学家们从这个舒服的位置上赶下来。他们的理论分析表明,哥本哈根诠释以及与其共享某些基本假设的诠释都并不自洽。

盒子里有什么?

他们的实验过程比1935年薛定谔提出的实验要复杂得多。在薛定谔的实验中,有一个盒子中装着一只猫,盒中有一个可以放毒的装置,放毒与否依赖着一个随机事件,比如一个原子核的衰变。在这种情况下,猫的状态就不确定了,除非实验者把盒子打开查看猫的情况。

1967年,匈牙利物理学家耶诺·维格纳提出了一个悖论,他将猫和毒药换成了物理学家和一个可以产出两种结果的测量装置,比如一个可以正面朝上或者反面朝上的硬币。当维格纳的朋友意识到结果时,波函数会坍缩吗?一种想法认为是会的,他们觉得意识是量子领域之外的东西。但是如果量子力学用在了物理学家身上,那么在维格纳打开盒子之前,他就会处在一种结合了两种结果的叠加态。

Frauchiger和Renner的实验更加复杂(见下图)。实验中有两个维格纳,两个人都和在一个盒子里的物理学家做实验。两个朋友之一(不妨称她为Alice)扔了一枚硬币,然后用量子物理的知识将一个量子信息传递给了维格纳的另一位朋友(称为Bob)。Bob也可以通过量子物理的知识将Alice抛硬币的结果猜出来。根据Renner的说法,当两个维格纳打开盒子时,有些情况下他们可以确定硬币朝上的是哪一面,但是有时候他们的结论是不同的,他说:“一个人说,‘我确定是正面。’而另一个说,‘肯定是反面。’”

(图片来源:nature)

(图片来源:nature)

用两台量子计算机来代替Alice和Bob是比较合理的做法:实验只要求他们了解物理规律并且可以据此作出判断,理论上来说一个人可以探测到量子计算机的完备量子态。(但Renner也指出,能完成这么复杂的任务的量子计算机仍然没有出现。)

相互竞争的诠释

物理学家们仍然在就这个结果进行讨论。Renner说:“很多人都激动。”不同的研究者倾向于得出不同的答案。“大多数人宣称这个实验表明自己的诠释才是唯一正确的解释。”

对于Leifer来说,产生不同的结果并不是什么大问题。有的诠释是允许不同的观测角度产生不同的结果的。这比承认量子力学并不适用于像人这样的复杂系统令人舒服得多。

圆周物理研究所的理论物理学家RobertSpekken说,解决这个悖论的关键可能在于实验中一些精细的假设,比如在Alice和Bob之间的交流。“对我来说,接受别人的知识总是意味着对这些知识的转化。”或许不自洽的原因是Bob对Alice的信息没有正确解读,他说。但是他也承认自己还没有解决这个问题。

现在,物理学家的辩论仍将持续下去。正如Leifer所言:“我觉得我们都还没有找到最终的答案。”

新闻标题: 我们对量子力学理解有误?薛定谔猫实验让量子界炸锅
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