升級版「薛定諤的貓」思想實驗得到了令人震驚的結果
虐貓狂人……
量子力學中最著名的思想實驗「薛定諤的貓」 巧妙地把微觀物質在觀測後是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯繫起來，以此求證觀測介入時量子的存在形式。
實驗是這樣的：在一個盒子里有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。
根據經典物理學，在盒子里必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道裡面的結果。在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後，外部觀測者觀測時，物質以粒子形式表現後才能確定。
貓咪的復仇
現在，兩位物理學家設計了一個更現代的版本，用物理學家來取代貓——得到了令人震驚的結果。
最新版本涉及多個參與者，使它更加不同尋常之處在於：它表明，如果量子力學的標準詮釋是正確的，那麼對同一場實驗，不同的參與者可以得出截然相反的結論。這意味著量子理論與自身相矛盾。
這個概念性實驗已經在物理學界被熱烈地討論了兩年之久——並且讓大多數研究人員感到窒息，即使他們早已在量子世界中千錘百鍊。「我認為這是一個全新的怪異現象。」加州奧蘭治查普曼大學的理論物理學家Matthew Leifer說。
蘇黎世瑞士聯邦理工學院(ETH)的Daniela Frauchiger和Renato Renner於2016年4月在線發布了第一版理想實驗。最終論文於9月18日在Nature Communications上發表。(Frauchiger現已離開學術界。)
奇怪的世界
量子力學幾乎是所有現代物理學的基礎，為從原子結構到磁鐵相互粘合的原因一一給出令人信服的解釋。但其基礎概念始終令研究人員感到困惑。它的方程不能預測出測量的確切結果——例如電子的位置——只能預測不同結果特定值的概率。
因此，諸如量子化的電子生活在不確定的雲霧中，用數學上稱之為「波函數」的技術來描述。但是當我們實際測量諸如電子位置之類的屬性時，總是可以得到一個唯一的值。
在20世紀20年代由量子理論先驅尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡提出了所謂的為哥本哈根解釋。它說觀察量子系統的行為使得波函數從波「坍塌」成單個的數據點。
哥本哈根解釋留下了一個問題：為什麼量子世界和經典世界(以及日常經驗)適用於兩套不同的規則。但它至少令我們安心：雖然量子對象處於不確定的狀態，但觀察導致它們跨入經典領域並給出了和日常經驗相符合的結果。
現在，Frauchiger和Renner就是打破了這層虛假的安全感。他們的推理表明，哥本哈根詮釋——以及其他關於基本假設的解釋——並不是自洽的。
盒子里的物理學家
1967年，匈牙利物理學家尤金·維格納(Eugene Wigner)提出了一個悖論的升級版本——他用另一個物理學家取代了貓和毒藥。維格納把他的同事塞到一個帶有各種儀器的盒子里，儀器可以隨機返回兩個結果中的一個，例如硬幣的字或背。
當維格納的朋友看到結果時，波函數會崩潰嗎？有一種觀點認為如果確實如此，那就表明意識屬於更高層次的力量。但是，如果量子力學同樣適用於物理學家本身，那麼他應該像是貓一樣處於一種不確定的狀態：「他看到了字」和「他看到了背」這兩種狀態疊加，直到維格納打開盒子。
Frauchiger和Renner有一個更複雜的版本。他們有兩個維格納，每個維格納都把一個物理學家朋友放進一個盒子里。
一個盒子中的物理學家(稱她為愛麗絲)可以投擲硬幣，並利用她的量子物理知識——發送一條量子信息給另一個盒子中的物理學家(稱他為鮑勃)。
鮑勃可以接收到愛麗絲的信息並推測投擲硬幣的結果。當盒子外的兩位分別打開自己的那隻盒子時，在某些情況下，他們可以確認硬幣到底是字還是背，但Renner說——存在一定幾率，他們的結論並不一致。
用量子計算機來替代盒子里的物理學家
Renner"s在蘇黎世聯邦理工學院的同事、理論家LídiaDelRio指出，該實驗不能付諸實踐，因為它要求維格納測量出他朋友的所有量子屬性，包括他們的思想。
然而，使用兩台量子計算機扮演愛麗絲和鮑勃的角色可能是可行的：論證的邏輯只要求他們知道物理規則並根據它們做出決策，原則上人們可以檢測完整的量子態。
自相矛盾
物理學家仍在消化這一結果。它引發了量子理論基礎領域的專家們的激烈反應。不同的研究人員傾向於得出不同的結論。「大多數人都聲稱實驗表明自己的解釋是唯一正確的。」
加拿大滑鐵盧周界理論物理研究所的理論物理學家Robert Spekkens,說，解決悖論的關鍵可能隱藏在實驗前提條件里的一些微妙的假設上，特別是疊加態的愛麗絲和疊加態的鮑勃之間的量子通信中。
也許這種不一致來自鮑勃沒有恰當地編譯出愛麗絲的信息，他說。但他承認他還沒有發現發現問題的具體所在。
目前，物理學家還會繼續辯論。「我認為我們還沒有真的理解這個實驗。」Leifer說。
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本文譯自 nature，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。
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