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量子力学再次因薛定谔的猫陷入困境物理学家众说纷纭

(2018-09-30 13:53:09)
标签:

量子力学

分类: 资源共享

量子力学再次因薛定谔的猫陷入困境 物理学家众说纷纭

前瞻网2018-09-29
量子力学再次因薛定谔的猫陷入困境物理学家众说纷纭

在世界上最著名的这个思想实验中,物理学家欧文·薛定谔描述了一只在盒子里的猫如何陷入了一个不确定的困境。量子理论的特殊规则意味着直至盒子被打开,猫的状态被得到观察之前,这只猫可能是死的,也可能是活的。现在,两位物理学家设计出了一个现代版本的悖论,他们用正在做实验的物理学家取代了猫——这具有惊人的意义。

量子理论有着悠久的思想实验历史,在大多数情况下,这些思想实验被用来指出量子力学各种解释的弱点。但最新版本的、包含多个主体的量子力学解释与以前的不一样:它表明,如果量子力学的标准解释是正确的,那么不同的实验者可以就对盒子里的物理学家所测量到的东西得出相反的结论。这显示出量子理论的自相矛盾。

这个概念性的实验已经在物理界被热烈地讨论了两年多,虽然这是一个习惯了奇怪概念的领域,但是这个实验还是让大多数研究者陷入了困境。加州查普曼大学的理论物理学家Matthew Leifer说:“我认为这是一种全新的怪异程度。”2016年4月,位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(ETH)的丹尼尔拉·弗劳基格(Daniela Frauchiger)和雷纳托·雷纳尔(Renato Renner)在网上公布了他们的第一个版本解释。最终论文发表在9月18日的《自然通讯》杂志上。(弗劳基格现在已经离开了学术界。)

奇怪的世界

量子力学几乎构成了现代物理学的基础,它解释了所有东西,从原子结构到为什么磁铁会互吸,但其概念基础依然是研究人员的研究主题。它的方程并不能预测测量的确切结果,例如电子的位置,它只能预测电子产生特定值的概率。

因此,像电子这样的量子物体就处在一片不确定的状态中,这种状态在数学上被编码为“波函数”,它可以平滑地改变形状,就像海洋中的普通波浪一样。但是,当物体的一个性质,例如电子的位置,被测量到的时候,这个性质总是会产生一个精确的值(如果在测量后立即接着测量,它还是会产生同样的值)。

最常见的理解方式是量子理论先驱尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡在20世纪20年代提出的哥本哈根解释,这个解释由以玻尔居住的城市命名。根据这个解释,观察量子系统的这个观察行为使波函数从一个扩展曲线“坍缩”到单个数据点。

但哥本哈根解释也留下了一个问题,为什么原子的量子世界和实验室中测量(以及日常经验)的经典世界所用的规则不一样?但同时这也让人安心:尽管量子物体处于不确定的状态中,但发生在经典领域的实验观察给出了明确的结果。现在,弗劳基格和雷纳正在把物理学家们推出这个舒适圈,他们的理论推理认为,哥本哈根解释的基础——以及其他一些与哥本哈根解释具有相同基本假设的解释——内部其实并不一致。

盒子里的是什么?

他们的设想要比薛定谔1935年提出的猫的设想复杂得多。薛定谔的猫设想猫生活在一个盒子里,盒子里有一种机制,可以根据随机事件(比如原子核衰变)释放毒素。这种情况下,在实验者打开盒子检查之前,猫的状态是不确定的。

1967年,匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)提出了一个悖论,他把猫和毒药换成了一个物理学家朋友,他的物理学家朋友住在这个盒子里,盒子里装有一个测量装置,可以测量两个结果,比如一个硬币上的头像或背面。当维格纳的朋友知道结果时,波函数会坍缩吗?有一种观点认为会,因为它认为意识不在量子领域之内。但如果量子力学适用于这位物理学家的话,那么她应该是处于一种不确定的状态,这种状态将包括了两种结果,直到维格纳打开盒子。

弗劳基格和雷纳还有一个更复杂的版本。这个版本中有两个维格纳,每个维格纳都在做实验,实验对象是他们放在盒子里的一位物理学家朋友。这两个朋友中的一个(先叫她爱丽丝吧)可以抛硬币,然后使用她的量子物理知识准备将一个量子信息发送给另一个朋友(叫他鲍勃),鲍勃利用他的量子理论知识可以探测到爱丽丝的信息并猜出她抛硬币的结果。雷纳说,当两个维格纳打开他们的盒子时,在某些情况下,他们可以确定硬币的正反面,但有时他们的结论并不会一致。“一个人说,‘我很肯定是反面’,另一个人说,‘我很肯定是正面’,”雷纳说。

量子力学再次因薛定谔的猫陷入困境物理学家众说纷纭





雷纳在苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的同事、物理学家利迪娅•德尔•比布(Lidia Del Rio)指出,这项实验无法付诸实施,因为这需要维格纳测量他们朋友的所有量子特性,包括解读他们的思想。但它也有可能是可行的,在使用两个量子计算机代替爱丽丝和鲍勃的前提下,毕竟论点的逻辑只要求他们知道物理规则,并据此做出决定而已,原则上来说就是一个可以检测到完整的量子态的量子计算机。(雷纳指出,虽然能做出这种行为的足够精密的量子计算机目前尚不存在。)

解释的决斗

物理学家们仍在与这一结果做妥协。这引发了量子理论基础专家们的热烈反应,他们中的许多人倾向于保护自己的解释。“有些人变得情绪化,”雷纳说。不同的研究者倾向于得出不同的结论。“大多数人声称,这个实验表明只有他们的解释才是正确的。”

对于Leifer来说,产生不一致的结果并不一定会破坏这些解释。对量子力学的一些解释已经允许对现实的看法取决于观点。他说,与不得不承认量子理论并不适用于人类等复杂事物相比,这可能没那么令人讨厌。

加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家罗伯特·斯皮肯斯(Robert Spekkens)说,摆脱这个悖论的方法可能隐藏在争论的一些微妙假设中,尤其是在爱丽丝和鲍勃之间的交流里。

“在我看来,在很多情况下,把某人的知识纳入考虑范围,需要对他们的知识进行一些翻译。”

他说,这种不一致可能是因为鲍勃没有正确解读爱丽丝的信息所造成的。但他承认,他还没有找到解决办法。目前,物理学家们可能会继续争论,Leifer说:“我认为我们还没有弄明白这一点。”

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