在眾多科學(xué)理論中，或許沒有比量子力學(xué)受到更多支持的理論了。近一百年來(lái)，量子力學(xué)反復(fù)被高精度的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證，然而物理學(xué)家并不完全滿意。盡管量子力學(xué)描述微觀水平的事件非常精確，對(duì)于宏觀物體，尤其是引力為主導(dǎo)作用的物體，量子力學(xué)就走到了極限。例如，量子力學(xué)不能描述行星的行為——這屬于廣義相對(duì)論的范疇；而廣義相對(duì)論亦不能描述小尺度的過程。因此，許多物理學(xué)家夢(mèng)想著能將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)。
○ 當(dāng)一個(gè)物理學(xué)家觀察量子物體時(shí)，他會(huì)看見什么？是和觀察這個(gè)物理學(xué)家的人看到的現(xiàn)象相同，還是恰恰相反？| 圖片來(lái)源：Philip Bürli/Visualeyes International
朝著更大的物體
盡管二者都能非常精確地描述各自范疇內(nèi)的物理過程，但是，將這兩種如此不同的理論結(jié)合起來(lái)有可能嗎？
一種可能性是希望在使用越來(lái)越大的物體來(lái)進(jìn)行量子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程中，最終會(huì)出現(xiàn)指向可能答案的差異。但問題在于，物理實(shí)驗(yàn)必須在嚴(yán)格的約束下進(jìn)行。例如，著名的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)可被用來(lái)證明固體粒子同時(shí)具有波的行為，但它并不能用日常物體來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
另一方面，思想實(shí)驗(yàn)卻可以用來(lái)超越宏觀世界的界限。這正是瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的理論物理學(xué)教授Renato Renner和他之前的博士生Daniela Frauchiger在最近發(fā)表于《自然通訊》期刊上的論文中完成的事情。
思想實(shí)驗(yàn)
量子力學(xué)有著很長(zhǎng)的思想實(shí)驗(yàn)的歷史，大多數(shù)情況下，這些實(shí)驗(yàn)被用來(lái)指出量子力學(xué)的各種解釋的弱點(diǎn)。
1935年，薛定諤提出了一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，一只貓待在盒子里，盒子中有一種可能被隨機(jī)觸發(fā)的毒藥釋放機(jī)制。在這種情況下，貓的狀態(tài)——是死是活——是不確定的，除非實(shí)驗(yàn)人員打開盒子查看結(jié)果。因此，貓?zhí)幱趦煞N完全不同的宏觀態(tài)的疊加態(tài)。薛定諤指出，這樣的宏觀疊加態(tài)本身并沒有任何矛盾。
薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)表明，將量子力學(xué)擴(kuò)展到大尺度會(huì)產(chǎn)生令人驚異的結(jié)果。但是匈牙利物理學(xué)家維格納（Eugene Wigner）并不認(rèn)為量子力學(xué)的有效性可以無(wú)限擴(kuò)展。
1967年，維格納提出了另一版本的思想實(shí)驗(yàn)，他將貓和毒藥換成了一個(gè)待在盒子里的物理學(xué)家朋友F，盒子里還有這樣一臺(tái)測(cè)量設(shè)備，它能得出兩種結(jié)果中的一種——比如拋擲硬幣會(huì)得到正面還是反面。
○ 維格納的思想實(shí)驗(yàn)：F在垂直方向上測(cè)量一個(gè)銀原子的自旋S，獲得結(jié)果z。從F的角度來(lái)看，S的自旋是一個(gè)已知的純態(tài)。在盒子外面的W，會(huì)將包括F在內(nèi)的整個(gè)盒子視為一個(gè)大的量子系統(tǒng)L（橙色盒子），因此W會(huì)給系統(tǒng)L指定一個(gè)疊加態(tài)。| 圖片來(lái)源：[1]
根據(jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋，觀測(cè)一個(gè)量子系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致描述系統(tǒng)的波函數(shù)“坍縮”——從擴(kuò)展的概率分布變成一個(gè)確定的結(jié)果。那么當(dāng)維格納的朋友F意識(shí)到拋擲硬幣的結(jié)果后，描述這個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)會(huì)坍縮嗎，也就是說(shuō)，觀察者維格納W會(huì)得到拋擲硬幣的確定結(jié)果嗎？
有一派觀點(diǎn)認(rèn)為，意識(shí)是不屬于量子力學(xué)領(lǐng)域的，因此整個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)會(huì)坍縮。但是如果量子力學(xué)也適用于這個(gè)擁有意識(shí)的物理學(xué)家F，那么她就會(huì)處于兩種結(jié)果疊加的不確定狀態(tài)，直到維格納打開盒子。
然而，這種差異可以用兩個(gè)觀察者對(duì)于系統(tǒng)的不同層次的認(rèn)知來(lái)解釋：維格納的朋友F知道拋擲硬幣的最終結(jié)果，但是維格納不知道。因此，盡管這種不確定的疊加態(tài)看起來(lái)很奇怪，卻并不矛盾。因?yàn)檫@個(gè)原因，維格納的思想實(shí)驗(yàn)并不能作為排除量子力學(xué)具有普遍適用性的論據(jù)。
Frauchiger和Renner的思想實(shí)驗(yàn)更復(fù)雜，他們擴(kuò)展了維格納的實(shí)驗(yàn)，在他們的系統(tǒng)中，存在兩個(gè)“維格納”，每一個(gè)都在進(jìn)行一項(xiàng)讓自己的物理學(xué)家朋友待到盒子里的實(shí)驗(yàn)。其中一個(gè)朋友F‘會(huì)拋擲硬幣，并利用她的量子力學(xué)知識(shí)給朋友F發(fā)送一則量子信息；F則利用自己的量子力學(xué)知識(shí)來(lái)識(shí)別F‘的信息，并猜測(cè)她投擲硬幣的結(jié)果。
○ Frauchiger和Renner的思想實(shí)驗(yàn)：在每一輪實(shí)驗(yàn)中n=0、1、2……F‘拋擲一枚硬幣，然后根據(jù)拋擲的結(jié)果為自旋粒子施以某一方向的極化。然后，F(xiàn)再測(cè)量S的垂直極化z。之后，觀測(cè)者W’與W各自測(cè)量整個(gè)盒子（包括F’與F在內(nèi)）L’與L，分別得到結(jié)果w’和w。圖中在頂端加有橫杠的F、W、L，對(duì)應(yīng)于文中的F’、W'、L‘。| 圖片來(lái)源：[1]
根據(jù)我們現(xiàn)在的世界觀，當(dāng)兩個(gè)維格納W’和W各自打開盒子時(shí)，應(yīng)該觀察到相同的結(jié)果。然而，F(xiàn)rauchiger和Renner的計(jì)算表明，當(dāng)兩個(gè)觀察者W’和W打開盒子時(shí)，他們?cè)谝恍┣闆r下可以確定硬幣哪一面朝上，但是有時(shí)候他們的結(jié)論會(huì)出現(xiàn)不一致——一個(gè)認(rèn)為是正面朝上，另一個(gè)認(rèn)為反面朝上。這意味著量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)詮釋對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述是不一致的。
令人費(fèi)解的結(jié)論
雖然這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)直到現(xiàn)在才正式發(fā)表在科學(xué)期刊上，但它早已成為專家們討論的話題。由于發(fā)表過程的屢次延遲，其他物理學(xué)家已經(jīng)在各種文獻(xiàn)中回應(yīng)這一發(fā)現(xiàn)。
Renner說(shuō)，大多數(shù)人的第一反應(yīng)都是懷疑計(jì)算的正確性，但是到目前為止，還沒有人能證明這些計(jì)算是錯(cuò)的。有一位評(píng)論者承認(rèn)，他五次嘗試在計(jì)算中尋找錯(cuò)誤，但都沒有成功。還有研究人員給出了如何才能夠解決這一悖論的具體解釋，然而，一旦仔細(xì)檢查就總會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些解釋不過是一些特別的解答，實(shí)際上并沒有解決問題。
Renner發(fā)現(xiàn)，許多同一領(lǐng)域的同事對(duì)這一發(fā)現(xiàn)的回應(yīng)非常情緒化，這或許是因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)太令人費(fèi)解了。
圓周理論物理研究所的Robert Spekkens認(rèn)為，走出這一悖論的通道可能隱藏在某些微妙的假定里，尤其是F‘和F之間的溝通，比如結(jié)果的不一致性或許是源于F并沒有正確地解釋F‘的信息。
另一位理論物理學(xué)家Matthew Leifer認(rèn)為，產(chǎn)生不一致的結(jié)果并不意味著整個(gè)理論的坍塌，量子力學(xué)的一些解釋已經(jīng)允許從不同的視角來(lái)描述現(xiàn)實(shí)。這總比不得不接受量子理論不能應(yīng)用于像人這樣的復(fù)雜事物要好。
Renner則認(rèn)為，這一悖論的解決將會(huì)以另一種方式出現(xiàn)：“當(dāng)我們回看歷史，會(huì)發(fā)現(xiàn)在許多這樣的時(shí)刻，問題的答案往往隱藏在出乎意料的方向?！?例如，廣義相對(duì)論解決了牛頓物理學(xué)的矛盾，是因?yàn)橐庾R(shí)到，之前人們對(duì)時(shí)間概念的普遍理解是錯(cuò)誤的。
Renner說(shuō)：“現(xiàn)在的工作是考察我們的思想實(shí)驗(yàn)是否應(yīng)該以不同的形式做假定。甚至，我們可能必須再次修改關(guān)于空間和時(shí)間的概念。只有當(dāng)我們從根本上重新思考現(xiàn)有的理論時(shí)，才會(huì)對(duì)自然究竟如何運(yùn)作產(chǎn)生更深刻的洞察?！?/span>
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