给薛定谔加猫？量子力学思想实验“诡异程度又上新台阶”

原文以Reimagining of Schrödinger’s cat breaks quantum mechanics — and stumps physicists为标题发布在2018年9月18日的《自然》新闻上

原文作者：Davide Castelvecchi 

物理学家埃尔温·薛定谔曾提出了一个举世闻名的思想实验——描述了一只猫在箱子里处于一种不确定性状态。根据量子理论的特殊规则，这只猫可以同时是活的和死的，直到打开箱子，测量猫的状态为止。现在，两名物理学家设计了这个悖论的现代版本，将猫改成了做实验的物理学家——得出了令人震惊的推论。

图片来源： Aleksei Isachenko/Alamy

量子理论拥有悠久的思想实验传统。大多数时候，这些思想实验被用来揭示关于量子力学的各种诠释的缺陷。但是最新的一个涉及到多名参与者的思想实验有点特殊：它表明如果对量子力学的标准诠释是正确的，那么不同的实验者对于箱中物理学家所测量的结果会得出相反的结论。换言之，量子理论是自相矛盾的。

这个概念性实验已经在物理学界被热烈讨论两年多了，就算是很多已经对各种概念见怪不怪的物理学家，这一次也感到困惑不已。“我觉得这个实验的诡异程度又上了一个新台阶。”加州查普曼大学的理论物理学家Matthew Leifer说。

上述实验的两名作者——苏黎世联邦理工学院的Daniela Frauchiger和Renato Renner于2016年4月将论证的初稿发到了网上。终稿于9月18日发表在了《自然-通讯》上。（Frauchiger已经离开了学术界。）

诡异的世界

现代物理的所有领域几乎都以量子力学为根基，它被用来解释从原子结构到磁铁为什么有磁性等等一切问题。但是量子力学的概念基础仍然留下了需要科学家努力去解答的问题。量子力学的方程不能预测一次测量的准确结果，比如要测量电子的位置，只能预测到它产生特定值的概率。

因此，像电子这样的量子物体就处在一片概率云之中。数学上的描述是一个“波函数”，其形状随时间的变化是平滑的，就和海里的普通波浪一样。但是给一个电子测量像位置这样的属性时，一定会得到一个准确的值（如果立刻再测量一次，会得到相同的值）。

最常见的理解方式是20世纪20年代量子理论先驱尼尔斯·波尔和维尔纳·海森堡构建的，并且以波尔所住的城市命名为“哥本哈根诠释”：对量子系统进行“观测”的行为本身会使波函数从一条完整的曲线“坍缩”成为一个数值点。

哥本哈根诠释留下了一个未解的问题，即原子所处的量子世界和实验室测量（以及日常生活）所处的经典世界为什么有着不同的规则。它同时也给人以安心：虽然量子物体处于不确定性状态，但实验观察仍然处于经典领域，并会给出明确的结果。

现在，Frauchiger和Renner动摇了物理学家的这个舒适区。他们的理论推论表明，哥本哈根诠释的基本描述——以及有着共同假设的其他诠释——都是不自洽的。

箱子里有什么？

他们提出的场景比薛定谔的猫更为复杂。在1935年薛定谔提出的实验里，箱子里有一只猫，还有一个会随机触发的释放毒药的装置，例如在原子核衰变时触发。这样一来，在实验人员打开箱子检查之前，猫的状态都是不确定的。

1967年，匈牙利物理学家尤金·维格纳提出了该悖论的另一个版本，把箱子里的猫和毒药换成了一位物理学家朋友和一套可以产生两种结果的装置，例如硬币的正面和反面。当维格纳的朋友得知结果时，波函数会不会坍缩？

一种学派认为会坍缩，也即意味着人的意识不在量子世界之内。但是如果量子力学可以应用在物理学家朋友身上的话，那么在维格纳打开箱子之前，她就会一直处在一个两种结果同时存在的不确定性状态里。

Frauchiger和Renner提出了一个更为复杂的版本（见图“城里来了新猫”）。其中有两个维格纳，分别把一位物理学家朋友关到箱子里，并在朋友身上做实验。其中一个朋友叫Alice，她抛了一枚硬币，然后运用自己的量子物理学知识，准备好一条量子信息传给另一个朋友（Bob）。

Bob可以利用他的量子理论知识，检测到Alice所发的信息，并猜测她抛硬币的结果。当两个维格纳打开箱子后，他们在某些情况下会完全确定硬币是哪一面朝上，但是Renner说偶尔他们的结论会不一致。“一个人会说‘我百分之百确定是反面朝上’，另一个会说‘我百分之百确定是正面朝上’。”

Renner在苏黎世联邦理工学院的同事、理论物理学家Lídia Del Rio指出，该实验无法付诸实践，因为它要求两个维格纳能够测量他们朋友的所有量子特性，包括了解他们的所思所想。

但是我们仍有可能让两台量子计算机扮演Alice和Bob的角色：论证的逻辑只要求它们知道所涉的物理学规则并依此做出决策，且理论上人们可以检测出量子计算机的完整量子态。（Renner指出，精密到能实现该实验的量子计算机还不存在。）

不同诠释的碰撞

物理学家仍然在努力消化该实验结果所意味的意义。基础量子理论领域内的专家对此反响强烈，很多人都倾向于维护自己喜欢的诠释。“有些人有点情绪化了。”Renner说。不同的科学家倾向于得出不同的结论，“大多数人都称，该实验证明了只有自己的那种诠释是正确的。”

在Leifer看来，出现不自洽的观测结果并不一定代表着一锤定音。量子力学的某些诠释已经允许在不同视角下对现实做出不同观测。这至少比承认量子理论不适用于复杂系统（比如人类）要好接受一些，他说。

加拿大圆周理论物理研究所的理论物理学家Robert Spekkens表示，解决该悖论的方法可能隐藏在论证所隐含的某些微妙的假设里面，特别是Alice和Bob之间的通信。

“我认为在接收一个人的信息时，很多时候涉及到对该信息的转述。”他说。不自洽可能是因为Bob对Alice的信息解读有误。但他也承认自己还没有找到解决方法。

就目前而言，物理学家很可能要继续争论一阵子了。“我觉得我们还没理解清楚这个实验。”Leifer说。ⓝ

Nature|doi:10.1038/d41586-018-06749-8