新版「薛定諤的貓」問世！開箱後既死又活，或使量子力學自相矛盾
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新版「薛定諤的貓」問世！開箱後既死又活，或使量子力學自相矛盾
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Quantum observers with knowledge of quantum mechanics break reality
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來自專欄 DeepTech深科技
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了解過量子力學的同學們一定聽說過薛定諤的貓。
這是著名奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤在 1935 年提出的一個思想實驗。實驗中，把一隻貓、一個裝有氰化氫氣體的玻璃瓶和放射性物質封閉在一個盒子里。當盒內監控器檢測到粒子衰變時，就會打破玻璃瓶，漏出的氰化氫氣體就會將貓殺死。根據量子力學的哥本哈根詮釋，在實驗進行一段時間但仍未打開箱子前，貓處於既死又活的疊加狀態。一但觀察者打開了盒子，那麼觀察者只能看到一隻活貓或一隻死貓，而不可能同時看到處於死和活疊加狀態的貓。雖然這個思想實驗只是對量子領域的一個宏觀近似解釋，但這一實驗也引發了對疊加狀態更多的思考：究竟在什麼情況下量子的疊加狀態會終止，而坍縮成其中的一種狀態？
圖 | 薛定諤的貓思想實驗（來源：維基百科）
從薛定諤的貓思想實驗出發，不同的物理學家對這個實驗進行修改建立了一系列的新版本，包括 9 月 18 日在 Nature Communications 上發表的新版本，竟從量子力學內部出發引出了自相矛盾的結果。
圖 | 新版薛定諤的貓思想實驗量子力學自相矛盾結果（來源：Nature Communications）
讓我們先回到薛定諤的貓最初的經典版本。在觀察者引入前，貓的狀態還處於既活又死的疊加態。而一旦觀察者打開了箱子，量子系統就與觀察者發生量子糾纏，其原先的疊加狀態就消失無蹤，而變成了確定的一種狀態。但如果將觀察者放入箱子內部呢？是不是由於觀察者能夠確定貓的死或活的狀態，再將觀察者與箱子中其他物質看作一個整體時，貓的死或活的狀態就是確定的？這就是 1967 年維格納的友人思想實驗。維格納的友人思想實驗是薛定諤的貓思想實驗的延伸版本。新思想實驗中，觀察者不再觀察貓的死活，而是觀察粒子的自旋方向。在箱子內有一個觀察者，可對粒子自旋進行測定，但測定的結果只有上或下。而實際粒子的自旋方向則可能出現上或下以外的方向。
圖 | 維格納的友人思想實驗（來源：Nature Communications）
對於箱子外部的新觀察者而言，在他打開箱子前，箱子內部粒子自旋的方向仍是疊加的。雖然內部的觀察者可以對粒子自旋進行觀察，但外部觀察者並不知情內部觀察者是否進行了觀察，以及內部觀察者的觀察結果。那麼，粒子自旋狀態便出現了兩種情況：若在內部觀察者進行觀察之後外部觀察者再對粒子進行觀察，那麼內部觀察者和外部觀察者的結果將一致；但若內部觀察者未進行觀察之前外部觀察者已先對自旋狀態進行預測，那麼內部觀察者與外部觀察者的結果可能無法一致。至此，一個初級修改版本的思想實驗展示了可能無法獲得一致結果的情況。這種結果不一致主要由於內部觀察者與外部觀察者沒有信息交流。但最近發表在 Nature Communications 上的新思想實驗則更進一步。新實驗中，假設有兩個箱子，兩個盒子里分別有A和B兩個人。A首先拋出一枚硬幣，然後將硬幣的信息以量子形式發送給B。B可以對量子信息進行測量推測出硬幣的狀態。但由於B對A發出的量子信息測量結果僅是其信息的一部分，並不能與原始信息對等，因此B僅能獲得A拋硬幣結果的一種概率。
外部有兩個觀察者，1號觀察者將對A進行觀察，而2號觀察者則對B進行觀察。
圖 | 新思想實驗引發量子力學自相矛盾（來源：Nature Communications）
A傳給B的量子信息可供B測量，但B的測量只能獲得A拋硬幣結果的概率。在這裡，若對B進行觀察，那麼獲得的結果是B對硬幣狀態的推測可能與A不符；但若對A進行測量時，由於A本身就知道拋硬幣的結果，1號觀察者總是能知道A拋硬幣的結果。這就引起出了矛盾：標準量子理論要求無論如何，在同一時空的觀察者必須解讀出同樣的答案，但思想實驗中的觀測結果則可能出現不同。
由於論文中涉及大量假設和模型，這裡的簡化版解釋僅為讀者便於理解。
圖 | 實驗邏輯圖（來源：Nature Communications）
那麼，這個新版思想實驗設想意味著什麼？是否這就證明量子力學是錯的呢？雖然物理學界在過去已經對量子力學究竟是何物進行過激烈的爭辯，但此次的新版「薛定諤的貓」或許在向人們重申著「哥本哈根學派（量子力學的主流理解方法）仍存問題」。至少，我們發現，W-bar 與 W 間可能會得出不同的結論意味著以下三句中必有一句正確：1. 量子力學並不適用於現實中的所有層面。2. 對於量子系統來說，量子力學不允許觀察者對情況按嚴謹邏輯做出推測。3. 對波方程的測量可以產出多個結果，而量子物理里從來都是一個測量，也就是在數學上對初始波函數所施加的一個 operator，僅能對應一個結果當然，也有一些學者認為這是對量子力學的吹毛求疵。但直到目前，學界對這種分歧還無法給出定論。但無論最終結果如何，新的思想實驗在探索量子力學的適用範圍提供了新的角度。正如作者在文中所說，這表明量子力學無法外推到複雜系統，或至少不是以直接的方式進行外推。參考：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05739-8
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