量子物理学:我们的研究表明不存在客观现实

量子物理学:我们的研究表明不存在客观现实
Gearoid Hayes / Flickr, 创用CC BY-SA

替代事实是 像病毒一样传播 跨社会。 现在看来,他们甚至感染了科学-至少在量子领域。 这似乎与直觉相反。 毕竟,科学方法是建立在观察,测量和可重复性的可靠概念上的。 通过度量确定的事实应该是客观的,以便所有观察者都可以同意。

但是最近在一篇论文中 发表在Science Advances上,我们证明,在由量子力学的奇怪规则支配的原子和粒子的微观世界中,两个不同的观察者有权获得自己的事实。 换句话说,根据我们对自然本身构成部分的最佳理论,事实实际上可以是主观的。

观察者是量子世界中强大的参与者。 根据该理论,粒子可以同时处于多个位置或状态–这称为叠加。 但是奇怪的是,只有在没有观察到它们的情况下,情况才如此。 第二秒钟,您观察到一个量子系统,它选择了一个特定的位置或状态-打破了叠加。 大自然以这种方式表现的事实已在实验室中得到了多次证实,例如,著名的 双缝实验 (请参见下面的视频)。

在1961中,物理学家 尤金·维格纳 提出了一个挑衅性的思想实验。 他质疑当将量子力学应用于观察者时会发生什么。

想象一下,维格纳的一位朋友在一个封闭的实验室里扔出一枚量子硬币,该量子硬币的正面和反面都是重叠的。 每当朋友扔硬币时,他们都会观察到一定的结果。 我们可以说维格纳的朋友证实了一个事实:抛硬币的结果肯定是正面还是反面。

威格纳无法从外部获得这一事实,根据量子力学,他必须描述朋友和硬币,使其与所有可能的实验结果重叠。 那是因为它们被“纠缠”了– 诡异地连接 因此,如果您操纵一个,您也将操纵另一个。 威格纳现在可以使用所谓的“干扰实验” –一种量子测量方法,可让您解开整个系统的叠加,从而确认两个物体被纠缠。


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当威格纳和朋友以后比较钞票时,朋友会坚持认为每次抛硬币都可以看到明确的结果。 然而,每当他观察朋友和硬币时,维格纳都会不同意。

这是一个难题。 朋友所感知的现实无法与外界的现实相协调。 维格纳原本并不认为这是一个悖论,但他认为将一个有意识的观察者描述为一个量子物体是荒谬的。 但是,他后来 从这个观点出发,根据有关量子力学的正式教科书, 描述是完全有效的.

本实验

该方案长期以来一直是一个有趣的思想实验。 但这反映了现实吗? 从科学上讲,直到最近, ČaslavBrukner 维也纳大学的研究表明,在某些假设下,维格纳的想法 可以用来正式证明 量子力学中的测量受观察者主观。

Brukner提出了一种通过将Wigner的朋友场景转换为框架来测试此概念的方法 首次成立 由物理学家John Bell在1964中提出。 布鲁克纳在两个单独的盒子中考虑了两对维格纳和朋友,他们在各自盒子内外对共享状态进行测量。 结果可以总结起来,最终用于评估所谓的 “贝尔不平等”。 如果违反了这种不平等,观察者可能会有其他事实。

现在,我们首次在爱丁堡的Heriot-Watt大学进行了由三对纠缠光子组成的小型量子计算机上的实验测试。 第一个光子对代表硬币,另两个对用于在各自盒子内进行抛硬币(测量光子的极化)。 在这两个盒子外面,每边都留有两个光子,它们也可以被测量。

量子物理学:我们的研究表明不存在客观现实
有实验的研究人员。 作者提供

尽管使用了最先进的量子技术,但花了数周时间才从六个光子收集足够的数据以生成足够的统计数据。 但是最终,我们成功地证明了量子力学确实与客观事实的假设不相容–我们违反了不等式!

但是,该理论基于一些假设。 其中包括测量结果不受光速以上信号的影响,观察者可以自由选择要进行的测量。 事实可能并非如此。

另一个重要的问题是,是否可以将单个光子视为观察者。 在布鲁克纳的理论建议中,观察者不需要保持意识,他们仅能够以测量结果的形式建立事实。 因此,无生命的检测器将是有效的观察者。 教科书上的量子力学没有给我们任何理由相信可以被制造成只有几个原子的探测器,不应像光子一样被描述为量子物体。 标准量子力学也可能不适用于较大的长度尺度,但是测试是一个单独的问题。

量子物理学:我们的研究表明不存在客观现实
那里可能有很多世界。
尼克/弗里克, 创用CC BY-SA

因此,该实验表明,至少对于量子力学的局部模型,我们需要重新考虑客观性的概念。 我们在宏观世界中经历的事实似乎仍然安全,但是关于量子力学的现有解释如何能够容纳主观事实的问题引起了一个主要问题。

一些物理学家将这些新发展视为对解释的支持,这些解释允许为观察产生多个结果。 平行宇宙的存在 每个结果都会发生。 其他人则认为它是内在依赖观察者的理论的有力证据,例如 量子贝叶斯主义,其中代理人的行为和经验是该理论的核心问题。 但是,还有其他人将其作为有力的指针,即量子力学可能会分解到某些复杂度以上。

显然,这些都是关于现实的基本本质的深刻的哲学问题。 无论答案如何,一个有趣的未来都在等待着。谈话

作者简介

亚历山德罗·费德里兹(Alessandro Fedrizzi),量子物理学教授, 赫瑞·瓦特大学 和Massimiliano Proietti,量子物理学博士候选人, 赫瑞·瓦特大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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