我們對量子力學(xué)理解有誤

1、我們對量子力學(xué)理解有誤？薛定諤貓實(shí)驗(yàn)讓量子界炸鍋我們對量子力學(xué)理解有誤？薛定諤貓實(shí)驗(yàn)讓量子界炸鍋新浪財(cái)經(jīng)app縮小字體放大字體收藏微博微信分享 308來源：環(huán)球科學(xué)Scie ntificAmerican1935年，物理學(xué)家埃德溫薛定諤提出了世界上最著名的思想實(shí)驗(yàn) 薛定諤的貓，這只貓?jiān)诤兄袝幱谝环N不確定的尷尬狀態(tài)。量子理論奇異的原理將意味著這只貓會既死又活，只有在盒子打開后，貓的狀態(tài)才能確定?，F(xiàn)在，兩位物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)全新版本的實(shí)驗(yàn):他們將貓換成了一位的局面：哥本哈根詮釋在這種情況下自相矛盾。量子理論中的思想實(shí)驗(yàn)有著悠久的歷史，在大多數(shù)情況下這些實(shí)驗(yàn)都是為了指出各種量子力學(xué)的詮釋中的破綻。但

2、是最新的實(shí)驗(yàn)很不一樣，因?yàn)槠渲杏卸鄠€(gè)觀測者：如果對量 子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)詮釋是正確的，那么不同觀測者對物理學(xué)家在盒中的測量結(jié)果就會有相反的結(jié)論。也就是說，量子理論是 自相矛盾的。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Ren ato Renner和他的學(xué)生Daniela Frauchiger 于2016 年在網(wǎng)上發(fā)表了論文的第一版。經(jīng)過兩年的修訂，最終的論文于本周發(fā)表在自然通訊上。nature COMMUhllCAArticle OPEN Pubhshed: 18 S 即Quantum theory cannot consistently describe the use of itselfDanielsFrauchi

3、ger iRenato Renn固3. Article number 3 711 (2018) DownioiiCtration 1在這兩年間，物理學(xué)界對這個(gè)實(shí)驗(yàn)的爭論一直很激烈 即使是在這個(gè)古怪概念層出不窮的領(lǐng)域， 大量研究者還是被這個(gè)問題難住了。查普曼大學(xué)的理論物理學(xué)家Matthew Leifer 說：“我覺得這個(gè)問題比之前的問題都要奇怪。”奇異的世界幾乎所有現(xiàn)代物理理論都建立在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上， 子力學(xué)解釋了一切現(xiàn)象， 從原子的結(jié)構(gòu)到磁鐵相互吸引的原 因。但是物理學(xué)家仍然在尋找量子力學(xué)的概念基礎(chǔ)。量子力 學(xué)的方程無法預(yù)言測量的準(zhǔn)確結(jié)果， 只能給出得到特定結(jié)果 的概率。 舉例來說， 我們永

4、遠(yuǎn)無法得知一個(gè)電子的確切位置， 只能得到電子出現(xiàn)在某一位置的概率。于是，像電子這樣的量子物體永遠(yuǎn)生活在不確定的云團(tuán) 中，它們在數(shù)學(xué)上由不斷連續(xù)變化的“波函數(shù)”來描述。但 是當(dāng)電子位置之類的性質(zhì)被測量時(shí)，波函數(shù)就會坍縮，得到 一個(gè)準(zhǔn)確的結(jié)果。 （很短一段時(shí)間之后再次測量仍會得到相 同的結(jié)果）哥本哈根詮釋是量子力學(xué)的詮釋方式中最廣為接受的一種，于上世紀(jì)20年代由量子理論研究的領(lǐng)頭人尼爾斯玻爾和沃納海森堡提出，以玻爾居住的城市命名。這種詮釋方式認(rèn)為對量子系統(tǒng)的觀測會使波函數(shù)從彌散狀態(tài)“坍縮” 到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。但是有一個(gè)問題是哥本哈根詮釋沒法解釋的：為什么原子的量子世界與實(shí)驗(yàn)室觀測的經(jīng)典世界所適用的物理

5、規(guī)則 不同？盡管如此，哥本哈根詮釋是很可靠的：盡管量子物體 的狀態(tài)是不確定的，實(shí)驗(yàn)觀測總還是在經(jīng)典領(lǐng)域進(jìn)行，得到 的結(jié)果也是清晰的?，F(xiàn)在， Frauchiger 和 Renner 正在將物理學(xué)家們從這個(gè) 舒服的位置上趕下來。他們的理論分析表明，哥本哈根詮釋 以及與其共享某些基本假設(shè)的詮釋都并不自洽。盒子里有什么？他們的實(shí)驗(yàn)過程比 1935 年薛定諤提出的實(shí)驗(yàn)要復(fù)雜得 多。在薛定諤的實(shí)驗(yàn)中，有一個(gè)盒子中裝著一只貓，盒中有 一個(gè)可以放毒的裝置，放毒與否依賴著一個(gè)隨機(jī)事件，比如 一個(gè)原子核的衰變。在這種情況下，貓的狀態(tài)就不確定了， 除非實(shí)驗(yàn)者把盒子打開查看貓的情況。1967年，匈牙利物理學(xué)家耶諾維格

6、納提出了一個(gè)悖論，他將貓和毒藥換成了物理學(xué)家和一個(gè)可以產(chǎn)出兩種結(jié)果的測量裝置，比如一個(gè)可以正面朝上或者反面朝上的硬幣。當(dāng)維格納的朋友意識到結(jié)果時(shí)，波函數(shù)會坍縮嗎？ 一種想法認(rèn)為是會的，他們覺得意識是量子領(lǐng)域之外的東西。但是如 果量子力學(xué)用在了物理學(xué)家身上，那么在維格納打開盒子之前，他就會處在一種結(jié)合了兩種結(jié)果的疊加態(tài)。Frauchiger 和Renner的實(shí)驗(yàn)更加復(fù)雜（見下圖）。實(shí) 驗(yàn)中有兩個(gè)維格納，兩個(gè)人都和在一個(gè)盒子里的物理學(xué)家做 實(shí)驗(yàn)。兩個(gè)朋友之一（不妨稱她為Alice ）扔了一枚硬幣,然后用量子物理的知識將一個(gè)量子信息傳遞給了維格納的 另一位朋友（稱為 Bob ）。Bob也可以通過量子

7、物理的知識將Alice拋硬幣的結(jié)果猜出來。根據(jù)Renn er的說法，當(dāng)兩個(gè)維格納打開盒子時(shí)，有些情況下他們可以確定硬幣朝上的是哪一面，但是有時(shí)候他們的結(jié)論是不同的，他說：“一個(gè)人說，我確定是正面。而另一個(gè)說，肯定是反面。物理學(xué)家們設(shè)計(jì)了著名數(shù)壯*定謁的狛匸實(shí)驗(yàn)的一個(gè)新版本，這 個(gè)實(shí)驗(yàn)中有幾位懂得置子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)者出但是令人驚訝的是，通 過童子力學(xué)加經(jīng)典詮釋.不同觀測者烷口一個(gè)爭件的觀測結(jié)果并 就是不一樣的，這也款意昧著經(jīng)典詮釋在菜些夏雜系統(tǒng)中是自相託b也可以通過量子糊理的 知識將Al ice拋?zhàn)弾诺慕Y(jié)果 猜出來.Alice扔了一枚頊帀，然后 用量子物理知識將一個(gè)壘子 信息傳遞給了 Bob口硝個(gè)觀

8、測耆打開盒子時(shí)，在一些情況下他們可以諭定腴幣是那一 面朝上，但是他們的結(jié)論址不同的。這意味著量子理論的標(biāo)準(zhǔn)詮 釋對現(xiàn)實(shí)的描述是不囪洽的。llillLIfl?（圖片來源：nature ）用兩臺量子計(jì)算機(jī)來代替 Alice 和 Bob 是比較合理的做 法：實(shí)驗(yàn)只要求他們了解物理規(guī)律并且可以據(jù)此作出判斷，理論上來說一個(gè)人可以探測到量子計(jì)算機(jī)的完備量子態(tài)。（但 Renner 也指出，能完成這么復(fù)雜的任務(wù)的量子計(jì)算機(jī) 仍然沒有出現(xiàn)。）相互競爭的詮釋物理學(xué)家們?nèi)匀辉诰瓦@個(gè)結(jié)果進(jìn)行討論。 Renner 說： “很多人都激動?！辈煌难芯空邇A向于得出不同的答案。 “大多數(shù)人宣稱這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明自己的詮釋才是唯一正確的 解釋。”對于 Leifer 來說，產(chǎn)生不同的結(jié)果并不是什么大問題。 有的詮釋是允許不同的觀測角度產(chǎn)生不同的結(jié)果的。 這比承 認(rèn)量子力學(xué)并不適用于像人這樣的復(fù)雜系統(tǒng)令人舒服得多。圓周物理研究所的理論物理學(xué)家 Robert Spekken 說， 解決這個(gè)悖論的關(guān)鍵可能在于實(shí)驗(yàn)中一些精細(xì)的假設(shè)， 比如 在 Alice 和 Bob 之間的交流