現(xiàn)實的兩個版本能同時存在嗎?物理學家們說可以——但是是在量子水平上。
為了回答一個已經(jīng)存在了幾十年的理論物理學問題，研究人員最近進行了一些實驗。這個棘手的思維實驗假設有兩個人觀察同一個光子，這兩個人可以對光子的狀態(tài)得出不同的結論——然而他們的兩個人觀察結果都是正確的。
科學家們有史以來首次在現(xiàn)實生活中重現(xiàn)了思維實驗中描述的條件。他們的研究結果發(fā)表在2月13日的預印本雜志arXiv上，研究證實，即使兩個觀察者對同一個光子的狀態(tài)進行了不同的描述，這兩個相互矛盾的事實描述可能都是真實的。
奧地利因斯布魯克大學實驗物理系博士后Martin Ringbauer說：“你可以驗證這兩種說法。”
維格納的朋友
這個令人困惑的思想實驗是1963年諾貝爾物理學獎得主尤金·維格納的主意。1961年，維格納提出了一個思想實驗，這個實驗后來被稱為“維格納的朋友”。它始于光子(光的粒子)，當處于一個獨立實驗室的觀察者在測量光子時，他們發(fā)現(xiàn)粒子的偏振——它的旋轉軸——要么是垂直的，要么是水平的。
然而，在光子被測量之前，光子同時顯示出兩種偏振，這是由量子力學定律決定的，它存在于兩種可能狀態(tài)的“疊加狀態(tài)”中。
一旦實驗室里的人對光子進行測量，光子就會呈現(xiàn)出固定的偏振，但是對于那些在封閉實驗室之外、還尚未知道測量結果的人來說，未測量的光子仍然處于疊加狀態(tài)。
因此，實驗室以外的人的觀察——他們所觀察到的現(xiàn)實——與在實驗室中測量光子的人所觀察到的現(xiàn)實有所不同。然而，根據(jù)量子力學，這兩種相互矛盾的觀測結果都是正確的。
改變狀態(tài)
幾十年來，維格納提出的這個燒腦想法只是一個有趣的思維實驗。但近年來，物理學的重大進展終于使專家們能夠對維格納的想法進行測試，Ringbauer說。
“為了可以以一種可測試的方式來表述這個問題，我們需要在理論上獲得進步。而在實驗方面，我們也需要在量子系統(tǒng)控制方面獲得發(fā)展才能做這樣的實驗，”他解釋道。
Ringbauer和他的同事們用了一個更加嚴格的實驗來驗證維格納的原始想法，這個實驗將原來想法中的設置翻了一倍。他們指定了兩個進行實驗的“實驗室”，并引入了兩對量子糾纏的光子，這意味著它們的命運是相連的，所以知道其中一個光子的狀態(tài)就自然知道另一個光子的狀態(tài)。(裝置中的光子是真實的，實驗中的“四個人”——“愛麗絲”、“鮑勃”和他們兩個各自的“朋友”——都不是真實存在的，只是作為實驗的觀察者。)
愛麗絲和鮑勃的兩個朋友分別位于各自實驗室的“內部”，他們每人測量了一對量子糾纏光子中的一個，這就打破了光子對之間的糾纏狀態(tài)，使光子疊加狀態(tài)坍塌，這意味著他們測量的光子曾經(jīng)處于一定的偏振狀態(tài)。他們將這些結果記錄在了量子存儲器中——復制到第二個光子的偏振中。
而在封閉的實驗室之外的愛麗絲和鮑勃則被要求做出兩種選擇來進行自己的觀察。第一，他們可以測量朋友們存儲在量子存儲器中的結果，從而得出關于偏振光子的相同結論。
第二，他們也可以在量子糾纏光子之間進行自己的實驗。在這個干擾實驗中，如果光子以波的形式運動并且仍然處于疊加狀態(tài)的話，愛麗絲和鮑勃就會看到高峰和低谷的光波會相加或彼此抵消，造成明暗條紋的特征模式。如果這些粒子“選擇”了它們的狀態(tài)的話，你會看到這些粒子會顯示出與它們沒有“選擇”時不同的模式。維格納此前曾提出，這將揭示光子仍然處于量子糾纏狀態(tài)。
這項新研究的作者發(fā)現(xiàn)，即使在他們的雙重實驗設置下，維格納所描述的結果仍然成立。根據(jù)這項研究，愛麗絲和鮑勃可以得出關于光子的正確和可證結論，并且這些結論與他們朋友的觀測結果不同(雖然他們朋友的結論也是正確和可證的)。
量子力學描述了世界在如此小的尺度下是如何運作的，這個尺度非常小，以至于物理學的常規(guī)規(guī)則都不再適用;Ringbauer說，幾十年來，研究這一領域的專家對這一現(xiàn)象的含義給出過多種解釋。
然而，如果測量本身并不是絕對的話(與這些新發(fā)現(xiàn)所表明的一樣)，那量子力學的意義就受到挑戰(zhàn)了。
Ringbauer說：“與經(jīng)典物理學相比，量子力學的測量結果似乎不能被認為是絕對的事實，對于這些測量結果，我們必須相對于進行測量的觀察者來進行理解?！?/p>
“我們的量子力學必須適應這一點，”他說。
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