这一烧脑思想实验，挑战了量子力学
加星标，不要错过每日推送！方法见文末动图
薛定谔的猫思想实验作为量子力学最著名的文化符号，展现了经典与量子的区别，直接指向量子力学解读的核心问题。还有一个延伸版本，就是维格纳朋友的思想实验，引入了“概念”问题，但对其结论的解释使得量子解释更加突出。近年来，科学家们在维格纳朋友的基础上提出了一个新的思想实验——数据显示，量子理论本身可能面临挑战。
发文 | 董唯元
"波函数塌陷是人类意识造成的吗？"
"如果观察者是盲人，动物，甚至是细菌，波函数会塌陷吗？"
"仪器记录的结果没有被发现就被删除了，会不会出现干涉现象？"
……
类似的问题几乎每天都能在国内外的问答网站上看到。
量子测量问题
量子理论之所以令人费解，主要是因为科学家们在量子解释问题上仍然没有达成一致，并给出清晰的图像。然而，在量子解释的所有问题中，量子测量是一个困难的问题。量子理论诞生了100多年，但我们如何理解量子测量过程仍然是一个很大的问题。
根据哥本哈根最传统的解释，当测量量子系统时，系统的波函数会崩溃。这种崩溃是非动力学的，是一个完全意义上的突变过程。这种命题其实相当于一个霸道无理的明确规定，不仅没有进一步解释波函数为什么会崩溃，还占用了其他解释可能出现的空间。
任何真正的物理过程都不应该是完全意义上的突变。当我们说汽车碰到墙壁时“立即”停止时，实际上意味着减速过程需要很短的时间。速度随时间变化的函数图像可以很陡峭，但绝不可能是数学意义上的跳动函数。
同样的道理也应该适用于量子系统的演变。虽然测量值出现的概率是非因果的天降随机，但波函数的整体演变应该是一个充分连续的过程，否则物理世界演变背后的动态因果机制可能会受到挑战，所以我们真的可以怀疑“物理不存在”。
从这个意义上说，至少对于量子测量问题，哥本哈根的解释根本不是一个合格的物理解释。就这样，自量子力学诞生以来，科学家们从未停止过对各种解释理论的探索。
但这些尝试并非都是那么“物理”，冯 · 诺依曼在 1932 当量子理论在2000年建立数学基础框架时，他提出了“概念导致波函数崩溃”的猜测。他的观点影响了其他科学家，其中最重要的是奥匈美国科学家尤金。 · 维格纳（Eugene Wigner）。
维格纳和冯 · 作为一个老乡，诺依曼的年龄只有不同。 1 年轻的时候合作过很多论文。1930 2008年，他们被普林斯顿大学邀请到美国，然后他们都留在普林斯顿工作，1937年。 2008年，两人再次加入美国国藉。
1963年，维格纳本人是一位成绩斐然的顶尖科学家。 年度诺贝尔物理学获得者。如此长时间的紧密交流，加上冯 · 在学术界，诺依曼的地位如火如荼，维格纳在很长一段时间内都非常认同冯。 · 诺依曼的观念解读，并且深入参与了相关理论的探索研究，所以今天也有人把观念解读称为“冯诺依曼” - “维格纳解释”。
维格纳朋友的思想实验
1961 2000年，维格纳在一篇题为“ Remarks on the Mind-Body Question 在这篇论文中，提出了一个思想实验，这就是著名的“维格纳的朋友”（Wigner ‘ s friend）谬论。维格纳希望这样证明，这个想法的确能影响物理世界。
这个思想实验可以看作是薛定谔猫思想实验的升级版，只是用一个与外界完全隔离的实验室代替了装猫的盒子，用一个精通物理知识的实验科学家代替了那只愚蠢的猫。让我们用它 F 来代表这位科学家；在实验室之外，还有一位不动手的理论物理学家，我们用它。 W 来代表。
假定实验室与外界完全隔离，F 对于一个在实验室中处于叠加状态的
颗粒自旋检测，W 等待实验室外的消息。等待 F 实验结束后，实验室的门将打开，F 与 W 可交换信息同步实验结论。
让所有动作开始之前， W 和 F 首先，预测最终信息同步时的结果。不言而喻，两位科学家给出的猜测将是完全一致的，他们都认为“ W 得知 F 看到↑"与" W 得知 F 看到↓"每个概率都会有所不同 50%，也就是
如今让 F 测试时，她会得到一个确定的观测结果，大家不妨假设她看到的结果是什么？↑。这个时候，不要打开实验室的门。在保持隔离的前提下，请两位科学家再次预测开门后的情况。这时，出现了不一致的猜测。
F 预测变成了：
而 W 仍有以下预测：
核心矛盾点在于，对， F 从这个时候开始，被测粒子已经从量子叠加态塌陷成了经典状态。 F 看到↓""这种情况的可能性已经被 F 自行排除。但是现在 W 在描述中，实验室整体仍被视为叠加态，” F 看到↓"这种情况的可能性仍然存在。
概念起作用？
也许有些读者此刻会觉得这没什么大惊小怪的，PF 和 PW 只是不同前提条件下的概率而已，F 因为你得到了更多的信息，你可以给出更准确的预测。不幸的是，这是一个典型的误解:误用经典图像来解读量子态。实际上 PF 和 PW 没有一种预测更符合“事实”，两者在量子理论意义上具有相同的客观准确性。
根据量子理论，只要实验室的门还没有打开，F 整个系统的波函数与被测粒子没有塌陷。不管系统内部发生了什么纠缠。（F 检测颗粒就是这样 F 与颗粒纠缠在一起)，整个过程总是在进化，最初的各种可能性也不会在进化过程中丢失。
在薛定谔的猫思想实验中，在打开盒子观察之前，猫处于死亡和生活的叠加状态，或者粗暴地说，猫会在死亡和生活之间来回转换。同理，对于实验室外的 W 就实验室而言，" F 看到↑"与" F 看到↓“同样处于类似的叠加状态，这两种情况也在不断地来回转换，PW 量子理论的预测完全准确地反映出来。
既然 W 和 F 预测原因同样充分，但给出了不同的概率，那么哪个预测是正确的呢？维格纳没有直接给出自己明确的倾向，只是希望用这个谬论来表明这个概念应该被视为一个特殊的物理目标。
然而，他的确试图暗示出这种矛盾的罪魁祸首是 F 这个想法，如果将 F 如果换成电子、氢原子或石头，我们就不会再纠结该相信谁了，W 叠加态描述是唯一值得信赖的预测。
显然，维格纳的想法太难说服人了。在石头和有思维能力的科学家中， F 它们之间有无数种可能性。一只狗，一只猫，甚至一只能对外界刺激做出反应的草履虫，能被认为是有目的的吗？就像我们不可能也不应该在宏观和微观之间划清界限一样，我们也找不到有目的和无意识的界限。
维格纳晚年也改变了主张，不再认为概念导致波函数崩溃。然而，这个具有强烈谬论味道的思想实验并没有淡出人们的视线，而是成为了各种量子解释理论的试验场:除了哥本哈根的正统解释被判淘汰外，许多世界解释、关系解释、玻姆力学、量子贝叶斯等都提供了自己的解释。
多个世界的解读感觉世界在不断地分叉，W 和 F 分歧之所以产生，是因为 F 这个世界已经发生了分叉， W 这个世界还没有产生分叉。注意试验设置，F 世界(实验室)和 W 世界(实验室外)是完全隔离的，所以其中一个世界是分叉的，另一个世界是不分叉的，这是完全可以理解的。
关系诠释（RQM）是 Carlo Rovelli 提出了一种较晚、较近的解释。受相对论思想的启发，他提出不同的测量者可以对同一测量对象写出不同的量子态描述，就像不同参考系的观众在相对论中会看到同一个目标有不同的动量和能量一样。当然在 RQM 在这种情况下，产生差异的因素不是指系统是否运动，而是测量者与被测对象之间的纠缠。起初，在思想实验中 F 和 W 没有一个人与颗粒纠缠在一起，所以两个人给出的态度描述方法是一致的。而当 F 在测量完颗粒之后，F 与颗粒之间有纠缠，但是 W 与颗粒之间没有纠缠，正是这种纠缠关系的不同，导致了两个人的描述方式的不同。
玻姆力学是一种非定域隐变量理论。在被测量之前，颗粒的各种属性测量值已经是一个客观事实，概率只是一种错觉。因此，在玻姆力学的框架下，我们可以放心地相信 F 测量结果很好。对 W 不同的描述方法，只包含了多余的虚无导航波成分。
量子贝叶斯是一种谦逊甚至悲观的诠释。核心概念是，我们无法理解宇宙的真实面貌，或者没有客观真相等待我们发现。我们所能做的，就是像无头苍蝇一样，依靠每一次实验观测结果来更新旧的经验认知。有了这样的想法，F 与 W 矛盾的描述似乎没有什么了不起的，这无非代表着什么。 F 已更新认知，W 但是认知还没有更新。在 Leonard Susskind 在物理大咖眼里，量子贝叶斯的无厘头程度甚至超过了“概念导致波函数崩溃”的程度，这一理论所倡导的概念不应该出现在严肃的学术讨论中。
升级版思想实验
作为一次选拔考试，有那么多备选的解读理论可以解释维格纳朋友的思想实验。似乎这个话题的难度必然太低。2018 2008年，瑞士苏黎世联邦理工学院的两位科学家 Daniela Frauchiger 和 Renato Renner 维格纳朋友思想实验提出了升级版。 [ 1 ] 。
这个增强版的思想实验突然提高了选择考试的难度，不仅所有的量子解读都岌岌可危，就连目前的量子理论本身也面临着信任危机。经过一些复杂的烧脑分析，Frauchiger 和 Renner 得出一个非常炸裂的结论：
量子学理论不能一直逻辑地自圆其说！
当然，严谨的解释绝对不会那么简单直接。实际上，他们的思想测试(以下简称 FR 思想实验)证实了一个“不可能定律”（no-go theorem），指出以下三个假设不可能同时成立：
（Q）当前量子理论是正确的；
（C）相同的理论和信息必然导致相同的预测；
（S）只有一次测量才能产生单一结果。
看着这三个假设，我们真的很难否认。 C 和 S，假如迫不及待地要选一个，那也只能免于难以选择。 Q 那就是。那也是 Frauchiger 和 Renner 判断量子理论不可靠的大致逻辑。
那么 FR 实验究竟是如何证明这一不可能的规律的？ Frauchiger 和 Renner 在最初的文章中，无论是实验设计还是逻辑分析过程，都是极其复杂和复杂的。随着论文作者的思路，很容易燃烧大脑。
幸运的是，在接下来的几年里，这个思想实验被研究人员大大改造和简化。(原版包括两个。 W、两位 F，以及基于时间序列的一系列事件信息记录。)现代版 FR 在最简单的实验方法中，只包括 W、F 和 B 三个观察者，被观察的目标从一个叠加的颗粒变成了一对纠缠的颗粒。
分析过程也简化为只用两句话就可以概括其核心要义:如果目前的量子理论是建立的，那么测量结果必须符合一个名字。 Local Friendliness Inequality 不等式，简称 LF 不等式。但是 FR 这是一个思想实验 LF 不等式居然可以被打破，从而推断出否定的观点。
也许有些读者会觉得这个套路有点眼熟，很像是通过打破贝尔不等式来证明定域性和现实性不能兼得。事实上，他们不仅有相似的技巧，而且有整个现代版本。 FR 思想测试基本上是维格纳朋友思想测试和贝尔测试的结合。
FR 因果网络的实验
我们将使用更直观的因果图来阐述回避态矢量代数运算过程中可能产生的催眠效果。现在我们来稍微复习一下贝尔试验的基本结构。
如上图所示，甲乙是两种相互独立的测量。我们使用它。 X 和 Y 分别代表控制测量操作的基本参数，使用 A 和 B 代表测量得出的结论。λ 这意味着被测物体的状态参数值，也就是所谓的隐变量。如果用时间和空间的光锥来显示这个 5 如果一个变量之间的因果关系，大致可以画出下面的样子。
一般而言，人们更喜欢用一个有向图来显示更复杂的逻辑网络。与贝尔实验相对应的因果图就是下面的样子。
对于经典物理世界来说，这一因果网络必须满足三个条件：
• P ( A|X ) =P ( A|XY ) ，即 A 结果和 Y 无关；
• P ( B|X ) =P ( B|XY ) ，即 B 结果与 X 无关；
• 建立贝尔不等式。
前两条保证了两个相互独立的测量操作之间没有超光速通信机制，第三条是由定域性和隐变量共同限制结果。
当然，我们现在都知道，纠缠状量子系统的检测会导致贝尔不等式的打破，所以定域隐变量理论的可能性完全被排除在外。但是前两项没有被打破，这也是仅靠量子纠缠难以实现通信的主要原因。
既然前两个量子系统还在建立，那么我们就可以保留这个因果图，只有代表经典隐变量的 λ 取而代之的是不受贝尔不等式约束的量子系统 Ψ，通过这种方式，在量子世界中获得了仍然有效的因果图。
在这个因果图的基础上，稍微增加一些元素，我们就可以画出来了。 FR 思想实验的因果网络。为节省几个字母，我们这边也是一样。 W 和 F 来代表这两个人所取得的测量结果。
类似于贝尔实验的情况，超光速通信仍有严格禁止的限制，即
• P ( W|X ) =P ( W|XY ) ，即 W 结果和 Y 无关；
• P ( B|Y ) =P ( B|XY ) ，即 B 结果与 X 无关。
另外，由于因果网络结构稍微复杂一些，自然也会增加一些额外的约束。
• P ( WB|XY ) = ∑ FP ( WFB|XY ) ，即遍历全部 F 的 Ψ → F → W 因果联系的总和应该等于 Ψ → W 因果连接；
•
而且正是基于以上这些看似理所当然的附加约束条件，才能推导出来。 LF 不等式。
别忘了，在这张图中，我们已经用不受贝尔不等式限制的量子系统取代了被测对象。 Ψ，这个也意味着，LF 不等式是限制量子世界仍然有效的条件。
因为 LF 不同类型的具体方法不同，每一种具体形式的推导过程都非常繁琐，这里就不介绍细节了。对 FR 如何违反这个思想实验？ LF 事实上，不等式的主要原理与维格纳思想实验中最初版本的谬论相似。
一方面 W 通过选择取值的方法，可以选择 F 处于状态；另一方面 W 角度中 F 与她身后的系统整体进行了一次又一次的演变，各种可能性都包括在内。借助于这种“胡编乱造”的机制，LF 没有等式就被打破了。如前所述，测量结果不能满足 LF 没有等式，所以现有的量子理论似乎有问题。
答案无止境
FR 思想实验到底说明了什么，这是一个至今仍在争论中的问题。在大多数研究人员眼中，这个思想实验并不意味着山穷水尽的终点，而是探索量子理论解读的利器。
毫无疑问，在处理量子世界的逻辑和因果时，我们必须时刻谨慎，仔细审视逻辑链中的每一个环节，不能借用来自经典世界的直觉体验。如有必要，甚至可能需要完全重建最底层的逻辑框架。
另外，这一思想实验所表现出的谬论，以及量子互文性。（Quantum Contextuality，参考《》)有着密切的联系。所谓量子互文性，就是“只有局域逻辑一致性，没有全局逻辑一致性”。从这个角度来看，谬论是正常的，但很奇怪，没有谬论。
量子当然是相互文化的 FR 思想实验的相互确认并不能保证量子理论的完善，只能说明量子世界的逻辑和因果结构必然与我们简单感知中熟悉的经验不同。是需要调整我们现有的逻辑和感知，还是我们建立的量子理论有缺陷？到目前为止，这个问题还没有可靠的答案。
OK，最后，我颠三倒四地介绍了这个烧脑的思想实验。但此时此刻，脑海里却一直回响着一句网络段子手的名言：
您认为您所想的就是您所想的吗？
参考文献
[ 1 ] Frauchiger, Daniela; Renner, Renato ( 2018 ) . "Quantum theory cannot consistently describe the use of itself". Nature Communications. 9 ( 1 ) : 3711. arXiv:1604.07422. Bibcode:2016年Xiv160407422F22. doi:10.1038/s41467-018-05739-8. PMC 6143649. PMID 30228272
生产：中国科普
相关阅读
1 物理定律的边界是“量子互文性”吗？
2
3
4
5
最近推荐
1
2
3
4
5
特 别 提 示
1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品栏目”，可以查看不同主题系列的科普文章。
2. 『返朴』提供每月搜索文章的功能。关注微信官方账号，回复四位数组成的年份。 月份，如" 1903 "，可获取 2019 年 3 月文章搜索，以此类推。
找不到《返朴》？快加星标！！
长按照下面的照片注意「返朴」，看看更多的历史文章
微信实行乱序推送，常点"在看"，可以防止失联
本文仅代表作者观点，版权归原创者所有，如需转载请在文中注明来源及作者名字。
免责声明：本文系转载编辑文章，仅作分享之用。如分享内容、图片侵犯到您的版权或非授权发布，请及时与我们联系进行审核处理或删除，您可以发送材料至邮箱：service@tojoy.com