新量子悖论阐明了我们现实观点是错误的！
一项思想实验动摇了量子基础世界，迫使物理学家阐明各种量子解释（如量子力学的多世界和哥本哈根解释）是如何放弃看似合理的现实假设。量子力学是没有争议的成功理论，它在微观尺度上对世界本质做出了惊人的准确预测。近一个世纪以来一直存在争议的是它告诉我们什么是存在，什么是真实的。这个问题有无数种解释，每一种解释都要求我们接受某些尚未得到证实的说法，即对现实本质的假设。现在一项新思维实验正直面这些假设，动摇着量子物理学的基础。实验本身就有奇怪之处——它需要进行测量，以消除刚刚观察到的事件的任何记忆。
博科园-科学科普：虽然这在人类身上不可能实现，但量子计算机可以进行此项实验，并有可能区分量子物理的不同解释。加州查普曼大学(Chapman University)的量子物理学家马修·利弗(Matthew Leifer)说：你时不时会看到一篇论文，让每个人都参与到思考和讨论中，这就是其中的一个例子，我们将把思想实验添加到量子基础思考的经典怪谈之中。瑞士苏黎世联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)的丹妮拉·弗劳奇格(Daniela Frauchiger)和雷纳托·雷纳（Renato Renne）参与了这个表面上看起来合理的实验。但实验出现了矛盾的地方，表明实验结果至少有一个假设是错误的。
如果抛硬币不能同时出现正面和反面，物理学家就必须抛弃对现实本质的简单假设。图片：Allison Filice for Quanta Magazine选择放弃哪种假设对我们理解量子世界有一定的影响，并揭示出量子力学可能不是一个广泛适用的理论，甚至不能应用于类似人类的复杂系统。众所周知，量子物理学家在正确解释用于描述量子运动的方程时存在分歧。在新思维实验中，没有任何一个量子理论的观点是完美无缺的——每一个都与一个或另一个假设相冲突。在我们寻求对现实无可争议的描述时，是否会有全新的东西等待着我们？量子理论在光子、电子、原子、分子，甚至大分子的尺度上都非常有效。但是它适用于远大于大分子的系统吗？
还无法证明量子力学可以适用于更大的尺度，更大的尺度意味着病毒或小细胞大小的物体。特别是不知道它是否能够延伸到人类大小的物体，甚至更小的物体；它是否能够延伸到黑洞大小的物体。尽管缺乏证据，物理学家认为量子力学可以用来描述所有尺度的系统。为了验证这一论断，弗劳奇格和雷纳提出了思维实验，思维实验是物理学家尤金·威格纳(Eugene Wigner)在20世纪60年代首次提出的想法的延伸。新实验表明，在量子世界中，两个人最终可能会对一个看似无可辩驳的结果产生分歧，比如掷硬币的结果；这也揭示出我们对量子现实的假设有一些问题存在。
在标准量子力学中，诸如亚原子粒子之类的量子系统由抽象的波函数表示。物理学家计算粒子的波函数如何随时间演化。但波函数没有给出任何粒子性质的精确值，比如位置。如果想知道粒子的准确位置，波函数在空间和时间中的任何点的值仅仅是计算在某点找到粒子的概率。波函数具有可延展性，它计算出粒子处于不同位置的概率不尽相同。量子系统可以是态的叠加，其中“态”可以指其他性质，如粒子自旋。弗劳奇-雷纳的许多思想实验都涉及到操纵复杂的量子物体——甚至是人类，这些物体最终会处于叠加状态。
美籍匈牙利理论物理学家尤金·威格纳是量子理论发展的关键人物之一。1963年他被授予诺贝尔物理学奖。 图片：Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy思维实验中有四个代理：爱丽丝、爱丽丝的朋友、鲍勃、鲍勃的朋友。爱丽丝的朋友在实验室里对量子系统进行测量，爱丽丝在外面监视着实验室工作和她的朋友。鲍勃的朋友在另一个实验室里，鲍勃也在观察他的朋友和实验室，把它们当作一个系统来对待。在第一个实验室里，爱丽丝的朋友做了一个有效抛硬币的测量，硬币有三分之一次正面朝上，三分之二次反面朝上。如果硬币正面朝上，爱丽丝的朋友准备了一个自旋指向下的粒子，但是如果硬币反面朝上，她准备一个等分的叠加自旋朝上和朝下的粒子，爱丽丝的朋友把粒子发送给鲍勃的朋友，鲍勃负责测量粒子的自旋。
根据这个结果，鲍勃的朋友可以断言爱丽丝的朋友抛硬币的结果。例如，如果他发现粒子自旋向上，那么硬币应该是反面朝上。实验还在继续。爱丽丝测量了朋友和实验室的状态，并且把她们当作一个量子系统，并使用量子理论进行预测。鲍勃对他的朋友和实验室也做了同样的事情。这是第一个假设：一个代理可以使用量子力学分析另一个系统，甚至包括其他代理的复杂系统。换句话说，量子理论普适于宇宙中的一切；整个实验室以及其中的科学家都遵循量子力学的规则。这个假设允许爱丽丝将她的朋友和实验室作为一个系统，并进行特殊测量，使得整个实验室，包括它的内容，处于叠加状态。这一测量方法并不简单，思维实验的古怪之处也在于此。
图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine实验过程最好通过考虑水平偏振和垂直偏振叠加的单个光子来理解。假设你测量偏振，发现它属于垂直偏振。如果你一直检查光子是否垂直偏振，所得的结论也一直符合。但如果你测量垂直偏振光子看它是否在不同的方向偏振，比如说在垂直45度的角度，你会发现有50%的几率它是垂直偏振，50%的几率它不是垂直偏振。现在回去测量你认为是垂直偏振的光子，你会发现它有可能不再是垂直偏振，而是水平偏振。45度的测量使光子回到水平偏振和垂直偏振的叠加状态。对于单个粒子来说，这一切都非常符合
这些测量已经在实际实验中得到了充分的验证。但在思维实验中，弗劳奇格和雷纳想对复杂系统进行类似的实验。在实验阶段，爱丽丝的朋友已经知晓硬币要么正面向上要么反面向上。但爱丽丝复杂的测量方法使实验室包括她的朋友陷入了一种见过头和尾的叠加状态。考虑到这种奇怪的状态，实验并不需要爱丽丝的朋友做更多事情。然而根据爱丽丝复杂的测量，可以肯定也可以否定她能够推断出鲍勃朋友测量的结果。假设爱丽丝的答案正确。那么她就能够用量子力学推导出鲍勃的朋友测量的结果是粒子自旋向上，因此爱丽丝的朋友掷硬币的结果是反面朝上。
瑞士苏黎世联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)的物理学家雷纳托·雷纳(Renato Renner)和丹妮拉·弗劳奇格(Daniela Frauchiger)。图片：ETH Zurich/Giulia Marthaler爱丽丝的论断使另一个关于她使用量子理论的假设成为必要。她不仅可以推理出她所知道的，而且还能够推理鲍勃的朋友如何运用量子理论得出抛硬币的结果。这种一致性假设认为，不同主体使用量子理论所做出的预测并不矛盾。与此同时，鲍勃可以对他的朋友和实验室进行类似的复杂测量，将他们置于一个量子叠加的位置。答案最终会出现“是”或“不是”。如果鲍勃的回答正确，那么测量的目的就是让他得出这样的结论：爱丽丝的朋友在抛硬币的过程中肯定看到的是有头像的那一面。明显，爱丽丝和鲍勃可以测量并比较他们关于抛硬币结果的断言。
但这涉及到另一个假设：如果一个行为者的测量表明抛硬币出现了正面，那么相反的事实——抛硬币出现了反面，不可能同时成立。现在，矛盾已经出现。当爱丽丝的测量得到YES时，她推断硬币反面朝上，而鲍勃的测量得到YES时，他推断硬币正面朝上。大多数情况下，爱丽丝和鲍勃会得到相反的答案。但弗劳奇格和雷纳指出，在1/12的概率中，爱丽丝和鲍勃在相同的实验中都得到了肯定的答案，这使得他们在爱丽丝的朋友抛掷的硬币是正面还是反面朝上的问题上产生了分歧。所以在谈论过去的事情，并且都胸有成竹，但说法却完全相反，这也就说明一定有什么问题出现。
这使得弗劳奇格和雷纳声称，支撑思维实验的三个假设之一肯定是错误的。科学就到此为止了，我们只知道这三个错误中有一个是错误的，但不能明确指出哪一个论点出现问题（雷纳说），现在这是关于解释与鉴赏的重要问题。幸运的是，量子力学有多种解释，而且几乎所有的解释都与测量时波函数的变化有关。例如测量一个粒子的位置。在测量之前，我们只能讨论在某处找到粒子的概率。经测量，粒子具有准确的位置。在哥本哈根的解释中，测量会导致波函数崩溃，而我们不能在崩溃前谈论属性，比如粒子的位置。一些物理学家把哥本哈根解释看作是一种论证，即只有测量了属性才算真实。
这种形式的“反现实主义”令爱因斯坦和当今的一些量子物理学家深恶痛绝。测量会导致波函数崩溃，然而，哥本哈根的解释并不清楚什么是测量。另一种解释或理论要么试图提出一种现实主义观点——即量子系统具有独立于观察者和测量值的属性；要么避免测量引发的崩溃，要么两者兼而有之。例如多元世界的解释以波函数的演化为表面价值，先暂时否认它曾经崩溃过。如果抛量子硬币可以得到正面或反面；在多世界中，两种结果都会发生，并且在不同的世界中发生。考虑到这一点，假设测量只有一个结果，如果抛硬币正面朝上，那么它不能出现反面朝上的状况，这种假设就站不住脚了。在多世界中，抛硬币的结果都是正面和反面，因此，爱丽丝和鲍勃有时会得到相反的答案但这一事实并不矛盾。
图片：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine雷纳说：我必须承认，如果两年前你问我，我会说实验只是表明多世界实际上是一种很好的解释，你应该放弃测量只出现一种结果的要求。牛津大学(University of Oxford)理论物理学家戴维·多伊奇(David Deutsch)观点也是如此。在论文中，作者倾向于多世界的场景。(这篇论文的最新版本经过同行评议，并于今年9月发表在《自然通讯》(Nature Communications)上，它的立场偏向于更加不可知论)。多伊奇认为思维实验将继续支持多个世界，可能会扼杀波函数坍塌或单宇宙版本的量子理论，但这两个观点已经彻底消亡了。不确定用更大的武器再次攻击这两种观点有什么目的。
然而雷纳改变了想法，他认为最可能无效的假设是量子力学普遍适用的目标。例如这种假设被所谓的自发坍缩理论所违背，正如其名称所暗示的那样，该理论认为波函数自发、随机坍缩，与测量无关。这些模型保证了小量子系统，比如粒子，几乎可以永远保持状态的叠加，但是随着系统变得越来越大，它们自发坍塌到原始状态的可能性越来越大。测量仅仅是发现坍塌系统的状态。在自发坍塌理论中，量子力学不再适用大于某个阈值质量的系统。虽然这些模型还有待验证，但它们没有被排除在外。
日内瓦大学(University of Geneva)的尼古拉斯吉辛(Nicolas Gisin)支持用自发崩溃理论来解决雷纳实验中的矛盾：解决办法显然是在说不，在某个时候叠加原理不再适用。如果你想坚持量子理论是普遍适用的假设，并且测量只有一个结果，那么你就必须放弃剩下的假设，即一致性的假设：不同主体使用量子理论做出的预测不会相互矛盾。莱弗使用了弗劳奇格-雷纳实验的一个略为改动的版本，证明了如果哥本哈根式的理论成立，那么最终的假设，或其变体，就必须成立。在莱弗的分析中，这些理论有一些共同属性——普遍适用、反现实(这意味着量子系统在测量前没有明确定义的属性，比如位置)、完备(这意味着该理论没有捕捉不到的隐藏现实)。
考虑到属性，研究意味着对于所有观察者来说，一个给定度量的结果不可能客观真实。所以如果一个探测器在实验室里为爱丽丝的朋友运作，这对她来说是一个客观事实，但对爱丽丝来说并不是如此，她在实验室外用量子理论为整个实验室建模，测量结果取决于观察者的视角。如果你想坚持哥本哈根的观点，似乎最好的办法就是采用这种视角。某些解释，如量子贝叶斯主义(quantum Bayesianism)或QBism，已经采纳了这种观点，即测量结果对观察者来说是主观的。完全放弃这一假设，将会破坏理论的有效性，使其无法有效地作为一种手段，让行为主体了解彼此的知识状态，这种理论可以被斥为唯我论。
因此任何向主观事实靠拢的理论都必须重新建立某种满足两种相反约束条件的知识交流方式。首先，它必须足够弱，不能引发欺诈-雷纳实验中出现的悖论。但它也必须足够强大，以避免被指责为唯我主义。迄今为止，还没有人提出过令所有人满意的理论。雷纳实验在三个看似合理的假设之间产生了矛盾。加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所(Perimeter Institute for theory Physics)的罗布·斯皮肯斯(Rob Spekkens)说：试图解释各种量子理论的解释如何违反这些假设，是一种意义深远的尝试。这个思维实验是一个很好的透镜，通过它可以检验不同阵营对量子理论解释的不同看法。我不认为它真的消除了人们在实验之前认可的选择权，但它明确阐述了不同的阵营需要相信什么，才能避免这种矛盾。
这有助于阐明人们在其中一些问题上的立场。由于理论工作者无法区分不同的解释，实验工作者正在思考如何实施思维实验，希望能进一步阐明这个问题。但这将是一项艰巨的任务，因为实验仍有一些奇怪之处。例如当爱丽丝对她的朋友和实验室做特殊的测量时，它把所有的东西，包括朋友的大脑，都置于状态的叠加中。在数学上，这种复杂的测量与首先颠倒系统的时间演化是一样的，这样就消除了代理的存储器，使量子系统（如代理测量的粒子）恢复到原来的状态，然后执行一个更简单的测量。澳大利亚格里菲斯大学布里斯班分校的霍华德·怀斯曼（Howard Wiseman）说：仅仅测量粒子就可以了。
测量可能很简单，但正如吉辛（Gisin）在外交上指出的那样；逆转一个代理，包括大脑和代理的记忆，作用微乎其微。尽管如此，吉辛并不完全反对这一想法，也许有一天，这个实验可以用复杂的量子计算机作为实验室里的代理(扮演Alice的朋友和Bob的朋友)来完成。理论上量子计算机的时间演化可以逆转。一种可能是：这样的实验将复制标准量子力学的预测，即使量子计算机变得越来越复杂。但或许也不会。另一种选择是，在开发量子计算机的过程中，我们遇到了叠加原理的边界，发现量子力学并不普适。
而莱弗则在等待一些新事物出现，认为对量子力学的正确解释并非上述任何一种。他把量子力学的现状比作爱因斯坦提出狭义相对论之前的情形。实验人员没有发现任何“光以太”的迹象，光以太被认为是在牛顿宇宙中传播光波的介质。爱因斯坦认为以太并不存在。相反，他展示了空间和时间的可塑性。在爱因斯坦之前，我不能告诉你空间和时间的结构会发生改变。量子力学现在也处于类似的境地，我们很可能对世界真实的样子做了一些隐含的假设，但这并不是现实，一旦我们改变了这个假设，一切就会突然回到原点。
博科园-科学科普｜文：Anil Ananthaswamy/Quanta magazine/Quanta Newsletter博科园-传递宇宙科学之美