量子理論適用于所有尺度嗎？甚至包括觀察者的尺度？1961年，諾獎(jiǎng)得主、物理學(xué)家尤金·維格納（Eugene Wigner）提出了這樣一個(gè)疑問：如果將量子力學(xué)應(yīng)用到一個(gè)正在被觀察的觀察者身上，會(huì)發(fā)生什么？
在他的思想實(shí)驗(yàn)中，他想象自己的一個(gè)朋友（被觀察的觀察者）被關(guān)在了一個(gè)密閉的實(shí)驗(yàn)室中，這個(gè)朋友在里面拋擲一枚處于正面與反面的疊加態(tài)量子硬幣，每當(dāng)朋友完成拋擲，硬幣的疊加態(tài)就會(huì)坍縮到要么正面、要么反面的狀態(tài)，因此朋友總能觀測到一個(gè)明確的結(jié)果；但是處于實(shí)驗(yàn)室之外的維格納對(duì)此卻一無所知，對(duì)他來說，這種疊加仍然存在，他需要將朋友和硬幣描述為實(shí)驗(yàn)的所有可能結(jié)果的疊加。
接下來，當(dāng)維格納和朋友在事后對(duì)拋擲結(jié)果交換意見時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)他的朋友認(rèn)為自己在每次拋硬幣時(shí)都看到了明確的結(jié)果，而維格納觀測到的卻是“朋友”和“硬幣”的疊加態(tài)。他們的經(jīng)驗(yàn)彼此沖突，無法就觀測結(jié)果達(dá)成共識(shí)。于是問題便陷入了兩難，形成了一個(gè)悖論：朋友眼中的現(xiàn)實(shí)與外界的現(xiàn)實(shí)不一致。
最近，一項(xiàng)新發(fā)表于《自然-物理》雜志的研究，為“維格納的朋友”悖論提供了迄今為止最有利的證明。在新的研究中，來自澳大利亞的物理學(xué)家Nora Tischler和她的同事將維格納的思想實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變成了一個(gè)數(shù)學(xué)定理，并且利用光子對(duì)這一定理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
2015年，維也納大學(xué)的物理學(xué)家?aslav Brukner發(fā)展出了一種理論，表明在一定假設(shè)下，維格納的朋友的悖論可被用于證明量子力學(xué)中的測量對(duì)觀測者來說是主觀的。
在Brukner的思想實(shí)驗(yàn)中，他使用了兩對(duì)糾纏的“維格納與維格納的朋友”，每個(gè)維格納的朋友都有一個(gè)粒子，接著這兩個(gè)朋友分別被置于兩個(gè)不同的密閉實(shí)驗(yàn)室中，在各自的實(shí)驗(yàn)室中對(duì)各自的粒子進(jìn)行測量。實(shí)驗(yàn)室外的兩個(gè)維格納則對(duì)相應(yīng)的正在測量粒子的朋友進(jìn)行測量，然后兩個(gè)維格納相互交換答案，重復(fù)這個(gè)過程。如果兩個(gè)朋友所看到的是明確的結(jié)果，兩個(gè)維格納所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果之間按道理只應(yīng)顯示出微弱的相關(guān)性；但是，維格納們所發(fā)現(xiàn)的是一種高度相關(guān)的模式。這就陷入了矛盾之中。
2018年，有研究指出，Brukner的思想實(shí)驗(yàn)中存在一個(gè)漏洞。而Tischler和她的合著者在最新的研究中填補(bǔ)了這一漏洞。這是一個(gè)與Brukner的思想實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的假設(shè)有關(guān)的問題。Brukner的理論基于三個(gè)假設(shè)：
在進(jìn)行測量時(shí)，兩個(gè)朋友所觀測到的結(jié)果是真實(shí)、單一的事件。
觀察者可以自由選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)置，進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)。
一旦做出了自由選擇，所產(chǎn)生的結(jié)果在宇宙中的擴(kuò)散速度不會(huì)比光速更快。換句話說物理是局部的，在一定距離上沒有任何形式的“超距作用”。
這三個(gè)基本假設(shè)看似是合理的，并且被普遍認(rèn)為是正確的。而在新的研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)維格納的朋友悖論意味著，如果量子力學(xué)是通用的，是可以被應(yīng)用于描述更大的系統(tǒng)——比如觀察者的，那么上述三個(gè)假設(shè)中的其中之一個(gè)，必須是錯(cuò)的。
然而，摒棄其中任何一種，都將對(duì)我們理解這個(gè)世界產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中，他們制造了糾纏的光子來“效仿”維格納與他的朋友。實(shí)驗(yàn)裝置中的光學(xué)器件會(huì)根據(jù)光子的偏正，將每個(gè)光子引到一條路徑上——這一部分對(duì)應(yīng)于朋友們所觀測到的結(jié)果；隨后，光子進(jìn)入另一組扮演維格納們的角色的探測器中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，朋友組和威格納組之間存在不可調(diào)和的不相容。
更重要的是，通過精確地改變粒子的糾纏程度，研究人員發(fā)現(xiàn)這種不相容的出現(xiàn)發(fā)生在不同于Brukner所設(shè)定的場景之下。這也表明這三個(gè)假設(shè)中的其中一個(gè)必須被舍棄。
問題是否出在“局部性”上？如果要舍棄的是局部性的假設(shè)，那就意味著即便兩個(gè)觀察者相距甚遠(yuǎn)，其中一個(gè)觀察者的行為會(huì)影響到另一個(gè)觀察者的結(jié)果，這似乎不太合理。又或者，一個(gè)觀察者經(jīng)歷的事實(shí)是這樣的，另一個(gè)觀察者經(jīng)歷的事實(shí)是那樣的，他們不需要互相嚙合？這是一種激進(jìn)的相對(duì)主義，許多人對(duì)此也難以接受。再或者，是量子力學(xué)本身會(huì)失效？這種可能性可以通過在更大尺度上進(jìn)行量子力學(xué)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。但這對(duì)大多數(shù)物理學(xué)家來說，必定是件令人不安的結(jié)果。
不過目前來看，新研究中的實(shí)驗(yàn)所使用的“觀測者”所擁有的“智能性”非常低，它只有兩種記憶狀態(tài)，即一個(gè)光子的兩種不同路徑。因此，在證明悖論中的三個(gè)基本假設(shè)之一肯定是錯(cuò)誤的這一問題上，研究人員只能將這研究稱為原理論證，而非決定性證明。
若要更有說服力地證明這一悖論，實(shí)驗(yàn)中的觀察者需要擁有更高級(jí)別的“智能”，比如最好是一個(gè)具備人類智能級(jí)別的人工智能程序。然而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們或許還要等上好一段時(shí)間。
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