量子力学迄今最具现实冲击力的悖论

发布: | 发布时间:2020-11-21,星期六 | 阅读:35

如果荒山老林里有一棵树倒下,它会发出声音吗?如果恰好有人在那里呢?

Credit: Anthony Dunnigan, CC BY-NC-ND

量子力学中出现了一个新悖论,使人们对有关物理现实的一些常识性观念产生了怀疑。

量子力学与常识

看一下以下三个语句:当有人观察到事件发生时,它确实发生了。可以做出自由选择,或者至少可以进行可被统计的随机选择。在一个地方做出的选择不会立即影响一个遥远的事件。(物理学家称此为“局部性”。)

这些都是直觉性的想法,为几乎所有的物理学家所采信。但根据发表在《自然·物理学》上的研究,它们不可能全部都是正确的,否则量子力学本身就是错的。

这是迄今为止量子力学一系列发现里的最强结果,这些发现颠覆了我们对现实的看法。要了解它为何如此重要,让我们先看一下历史。

为现实而战

量子力学可以很好地描述微小物体的行为,例如原子或光粒子(光子)。但是这种行为是……非常奇怪。

在许多情况下,量子理论无法给出诸如“该粒子现在在哪里?”之类的问题的明确答案。取而代之的是,它仅提供观察粒子时可能在何处发现的概率。

对于一个世纪前该理论奠基人之一的尼尔斯·玻尔来说,这不是因为我们缺乏信息,而是因为诸如“位置”之类的物理属性实际上是不存在的,除非对其进行测量。

而且,由于无法同时完美观察粒子的某些属性(例如位置和速度),因此无法同时实现它们的真实性。

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)认为这个想法站不住脚。在1935年他与理论物理学家鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)合写的文章里,他认为,现实远超量子力学的描述。

爱因斯坦等人考虑了处于特殊状态的两个粒子——现在被称为“纠缠态”粒子。当为两个纠缠粒子测量同一属性(如位置或速度)时,结果将是随机的,但每个粒子的结果之间将存在相关性。

例如,测量第一个粒子位置的观察者可以完美地预测另一个粒子位置信息的测量结果,那怕两个粒子相距极远。他们认为,这一性质可以用来反驳波尔的论点:我测量了1号粒子的位置,但是没有测量2号粒子,然而2号粒子的位置已经固定——所以,在测量之前,物理属性就是实在的。

但是,在1964年,北爱尔兰的物理学家约翰·贝尔(John Bell)发现,如果对两个粒子进行更复杂的组合测量,爱因斯坦的论点就无法成立。

贝尔表明,如果两个观察者随机且独立地在测量其粒子的一种或另一种性质(例如位置或速度)之间进行选择,则平均结果无法用任何将位置和速度都预先存在的局部性质理论来解释。

这听起来令人难以置信,但是实验现在已经确定地证明了贝尔的相关性确实存在。对于许多物理学家来说,这是玻尔正确的证据:物理性质只有在进行测量后才存在。

但这就引出了一个关键问题:“测量”有什么特别之处?

观察者,观察到

1961年,匈牙利裔美国理论物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)设计了一个思想实验,以说明测量概念的棘手之处。

他考虑了一种情况,即把他的朋友关进一间封闭的实验室里。朋友可以完成量子力学的实验,从自身的角度来说,作为观察者,实验结果应该是确定的。但是,如果将实验室+朋友+朋友所做的实验看做是一个整体,则只有在外面的人观察到里面的结果时,实验结果才是确定的。

对于维格纳来说,这是一个荒谬的结论。取而代之的是,他相信观察者的意识一旦介入,纠缠就会“崩溃”,使朋友的观察变得确定。

但是,如果维格纳错了怎么办?

我们的实验

在我们的研究中,我们基于维格纳朋友悖论的扩展版本——由维也纳大学的ČaslavBrukner 首次提出。在这种情况下,有两个物理学家(分别称为爱丽丝和鲍勃)在两个遥远的实验室里囚禁了自己的朋友(查理和黛比)。

然后,再增加点难度:查理和黛比现在正在测量一对纠缠的粒子。

正如维格纳的观点一样,量子力学方程告诉我们查理和黛比应该与他们观察到的粒子纠缠在一起。但是由于这些粒子已经相互纠缠,理论上,查理和黛比本人也应该纠缠在一起。

但我们的实验是这样的:查理和黛比进入自己的实验室并测量他们的粒子。一段时间后,爱丽丝和鲍勃各自掷硬币。如果是字,他们打开门,问他们的朋友看到​​了什么。如果是背,执行不同的测量。

如果查理以维格纳的方式与他所观察到的粒子纠缠在一起,则这种不同的测量方法始终会给爱丽丝带来积极的结果。对于鲍勃和黛比也是如此。

如果本文开头的三大直觉思想是正确的,那么每个朋友都可以在实验室中看到一个真实而独特的测量结果,而与爱丽丝或鲍勃后来是否开门无关。而且,爱丽丝和查理所看到的东西不应取决于鲍勃的硬币的落地方式,反之亦然。

我们证明,如果是这种情况,则爱丽丝和鲍勃可能期望看到的结果之间的相关性将受到限制。我们还表明,量子力学预测爱丽丝和鲍勃将看到超出这些极限的相关性。

我们的实验仅是原则上的证明,因为“朋​​友”非常小而简单。这提出一个问题,即对于更复杂的观察者来说,是否也会得到相同的结果。

我们可能永远无法对真正的人类进行这项实验。但是我们认为,如果“朋友”是在大型量子计算机中运行的人类级人工智能,有一天可能会做出结论性的演示。

什么意思呢?

尽管结论性的测试可能还需要数十年的时间,但是如果将量子力学继续推论下去,会对我们对现实的理解产生深远影响,甚至比贝尔相关性更加重要。一方面,我们发现的相关性不能仅通过物理特性在被测量之前就不存在来解释。

现在,是对测量结果本身的绝对现实提出了质疑。

我们的结果迫使物理学家直面测量问题:要么我们的实验在扩大规模下是不成立的,要么量子力学让位给所谓的“客观坍塌理论”,要么我们的三个常识性假设之一必须被拒绝。

像de Broglie-Bohm这样的理论提出了“远距离动作”假说,行动可以在宇宙中的其他地方产生瞬时影响。但是,这与爱因斯坦的相对论直接冲突。

一些人在寻找一种拒绝自由选择的理论,但它们要么要求倒退的因果关系,要么需要一种宿命论的形式,被称为“超确定论”。

解决冲突的另一种方法可能是要求爱因斯坦的理论更具相对性。爱因斯坦认为,不同的观察者可能会对事件的发生次序有不同的看法,但发生事件本身是一个绝对的事实。

但是,在某些解释中,例如关系量子力学,QBism或多世界解释,事件本身可能仅相对于一个或多个观察者发生。一个人观察到的倒下的树可能对其他所有人都不是事实。

所有这些并不意味着您可以选择自己的现实。首先,您可以选择要问的问题,但是答案是世界给出的。即使在关系世界中,当两个观察者交流时,他们的现实也被纠缠了。这样,可以出现一个共同的现实。

这意味着,如果我们俩目睹同一棵树倒下而您没有听到声音,您可能需要助听器。

https://phys.org/news/2020-08-quantum-paradox-foundations-reality.html


来源:煎蛋网



 

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