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最新量子物理实验表明:客观存在不存在

替代性事实(alternative fact,即没有真相、充斥着选择性谎言)像病毒一样在全社会传播。现在看来,它甚至已经感染了科学——至少是量子领域。

这似乎有悖常理。毕竟科学是建立在观察、测量和可复现之上的。通过测量实验确定的事实应当是客观的,因此才会得到所有观察者的一致认同。

但最近一篇发表在《科学进展》杂志上的论文却显示,在由原子和粒子组成、受到量子力学规则支配的微观世界里,两个不同的观察者有权接收到属于各自角度上的事实。

换言之,根据我们对自然构成要素本身的理论,事实实际上是主观的。

观察者是量子世界中一个强有力的参与对象。据此,粒子可以同时处于多个位置或状态——即量子叠加。

但奇怪的是,只有在没被观察到的情况下才会有叠加。当你观察量子系统时,它会选择一个特定的位置或状态——打破叠加。

事实上,自然界的这种行为已经在实验室里被多次证明了——例如著名的双缝实验。

1961年,物理学家Eugene Wigner提出了一个实验——把量子力学应用到一个自己正在被观察的观察者身上时会发生什么?

Wigner的一个朋友在一个封闭的实验室里投掷一枚硬币,硬币是由正反面叠加而成。每次掷硬币的时候,都会看到一个明确的结果,因此,我们可以明确地说Wigner的这个朋友证明了一个事实:掷硬币的结果不是正面就是反面。

但因为实验室封闭,Wigner无法从外界得知这一个事实,而根据量子力学,必须把这个朋友和硬币合起来作为实验所有可能的结果的叠加,因为他们是“纠缠”在一起的。操控其中一个,就代表你同时操控着另一个。

Wigner原则上可以用所谓的“干涉实验”来验证这种叠加。这种测量方法允许研究人员解开整个叠加的系统,来确认两个物体是否纠缠在一起。

当Wigner和他的朋友比对实验笔记时,朋友会坚持说他明确看到了每一次掷硬币的结果,但当Wigner以朋友和硬币处于叠加态来观察时,就会不同意该结论。

他朋友所感知的现实与外在的现实并不一致。

实验

这个情景长期以来一直是一个有趣的思维实验,但它是否反映了现实?

最近,来自维也纳大学的Caslav Brukner证明,在某些假设下,量子力学中的测量对观测者来说是主观的。

Brukner提出了一种测试方法,他将Wigner的硬币实验转化成了物理学家John Bell于1964年建立的框架,最后总结的结果可用于估算贝尔不等式。如果这个不等式被打破,观察者得到的可能就是替代性事实。

在具体的操作中,研究人员在爱丁堡赫瑞瓦特大学一台由三对纠缠光子组成的小型量子计算机上进行了实验性测试。

第一个光子对就代表硬币,另外两对则相当于在它们各自的盒子里抛硬币(测量光子偏振)。而在两个盒子的外面,两边各有两个光子,也可以进行测量。

尽管已经使用了最先进的量子技术,但研究人员也花费了数个星期才从6个光子中收集到了足够的统计数据。但最终,他们还是成功地展示出了量子力学可能确实会与客观事实的假设不相容——打破了不等式。

然而,这个理论是有基础假设的,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等。

另一个重要的问题是单光子是否可以被认为是观察者。在Brukner的理论中,观察者不需要有意识,只需要能够以测量结果的形式确定事实就行。

因此这个实验表明,至少对于量子力学的局部模型而言,我们需要重新思考什么是客观性。宏观世界的事实应该仍是安全的,主要的问题是量子力学的现有解释如何能容纳主观事实。

一些物理学家将这些新的发展视为观察结果不止一种的理论支持依据。例如,在平行宇宙中,每一种结果都有可能发生。

显然,这些都是关于现实基本性质的哲学问题。无论答案是什么,一个有趣的未来就在我们眼前。

最新量子物理实验表明:客观存在不存在

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