量子物理學:我們的研究表明不存在客觀現實

量子物理學:我們的研究表明不存在客觀現實
Gearoid Hayes / Flickr, CC BY-SA

替代事實是 像病毒一樣傳播 跨社會。 現在看來,他們甚至感染了科學-至少在量子領域。 這似乎與直覺相反。 畢竟,科學方法是建立在觀察,測量和可重複性的可靠概念上的。 通過度量確定的事實應該是客觀的,以便所有觀察者都可以同意。

但是最近在一篇論文中 發表於Science Advances,我們證明,在受量子力學奇怪規則支配的原子和粒子的微觀世界中,兩個不同的觀察者有權獲得自己的事實。 換句話說,根據我們對自然本身構成部分的最佳理論,事實實際上可以是主觀的。

觀察者是量子世界中強大的參與者。 根據該理論,粒子可以同時處於多個位置或狀態–這稱為疊加。 但是奇怪的是,只有在沒有觀察到它們的情況下,情況才如此。 第二秒鐘,您觀察到一個量子系統,它選擇了一個特定的位置或狀態-打破了疊加。 大自然以這種方式表現的事實已在實驗室中得到了多次證實,例如,著名的 雙縫實驗 (請參見下面的視頻)。

在1961中,物理學家 尤金維格納 提出了一個挑釁性的思想實驗。 他質疑當將量子力學應用於觀察者時會發生什麼。

想像一下,維格納的一位朋友在一個封閉的實驗室里扔出一枚量子硬幣,該量子硬幣的正面和反面都是重疊的。 每當朋友扔硬幣時,他們都會觀察到一定的結果。 我們可以說維格納的朋友證實了一個事實:拋硬幣的結果肯定是正面還是反面。

威格納無法從外部獲得這一事實,根據量子力學,他必須描述朋友和硬幣,使其與所有可能的實驗結果重疊。 那是因為它們被“糾纏”了– 詭異地連接 因此,如果您操縱一個,您也將操縱另一個。 威格納現在可以使用所謂的“干擾實驗” –一種量子測量方法,可讓您解開整個系統的疊加,從而確認兩個物體被糾纏。


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當威格納和朋友以後比較鈔票時,朋友會堅持認為每次拋硬幣都可以看到明確的結果。 然而,每當他觀察朋友和硬幣時,維格納都會不同意。

這是一個難題。 朋友所感知的現實無法與外界的現實相協調。 維格納原本並不認為這是一個悖論,但他認為將一個有意識的觀察者描述為一個量子物體是荒謬的。 但是,他後來 從這個觀點出發,根據有關量子力學的正式教科書, 描述是完全有效的.

本實驗

該方案長期以來一直是一個有趣的思想實驗。 但這反映了現實嗎? 從科學上講,直到最近, ČaslavBrukner 維也納大學的研究表明,在某些假設下,維格納的想法 可以用來正式證明 量子力學中的測量受觀察者主觀。

Brukner提出了一種通過將Wigner的朋友場景轉換為框架來測試此概念的方法 首次成立 由物理學家John Bell在1964中提出。 布魯克納在兩個單獨的盒子中考慮了兩對維格納和朋友,他們在各自盒子內外對共享狀態進行測量。 結果可以總結起來,最終用於評估所謂的 “貝爾不平等”。 如果違反了這種不平等,觀察者可能會有其他事實。

現在,我們首次在愛丁堡的Heriot-Watt大學進行了由三對糾纏光子組成的小型量子計算機上的實驗測試。 第一個光子對代表硬幣,另兩個對用於在各自盒子內進行拋硬幣(測量光子的極化)。 在這兩個盒子外面,每邊都留有兩個光子,它們也可以被測量。

量子物理學:我們的研究表明不存在客觀現實
有實驗的研究人員。 作者提供

儘管使用了最先進的量子技術,但花了數週時間才從六個光子收集足夠的數據以生成足夠的統計數據。 但是最終,我們成功地證明了量子力學確實與客觀事實的假設不相容–我們違反了不等式!

但是,該理論基於一些假設。 其中包括測量結果不受光速以上信號的影響,​​觀察者可以自由選擇要進行的測量。 事實可能並非如此。

另一個重要的問題是,是否可以將單個光子視為觀察者。 在布魯克納的理論建議中,觀察者不需要保持意識,他們僅能夠以測量結果的形式建立事實。 因此,無生命的檢測器將是有效的觀察者。 教科書上的量子力學沒有給我們任何理由相信可以被製造成只有幾個原子的探測器,不應像光子一樣被描述為量子物體。 標準量子力學也可能不適用於較大的長度尺度,但是測試是一個單獨的問題。

量子物理學:我們的研究表明不存在客觀現實
那裡可能有很多世界。
尼克/弗里克, CC BY-SA

因此,該實驗表明,至少對於量子力學的局部模型,我們需要重新考慮客觀性的概念。 我們在宏觀世界中經歷的事實似乎仍然安全,但是關於量子力學的現有解釋如何能夠容納主觀事實的問題引起了一個主要問題。

一些物理學家將這些新發展視為對解釋的支持,這些解釋允許為觀察產生多個結果。 平行宇宙的存在 每個結果都會發生。 其他人則認為它是內在依賴觀察者的理論的有力證據,例如 量子貝葉斯主義,其中代理人的行為和經驗是該理論的核心問題。 但是,還有其他人將其作為有力的指針,即量子力學可能會分解到某些複雜度以上。

顯然,這些都是關於現實的基本本質的深刻的哲學問題。 無論答案如何,一個有趣的未來都在等待著。談話

關於作者

亞歷山德羅·費德里茲(Alessandro Fedrizzi),量子物理學教授, 赫瑞瓦特大學 和Massimiliano Proietti,量子物理學博士候選人, 赫瑞瓦特大學

本文重新發表 談話 根據知識共享許可。 閱讀 原創文章.

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