量子理論適用于所有尺度，包括觀察者嗎？ 觀察者的感知是否客觀？ 觀察者的“真實(shí)”看法是什么？ 對(duì)于那些重要而基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)和哲學(xué)問(wèn)題，一批來(lái)自英國(guó)、澳大利亞和中國(guó)大陸的理論化學(xué)家和哲學(xué)家進(jìn)行了深入的研究和闡述。 最新研究論文昨天發(fā)表在《自然-化學(xué)》雜志上。
論文題目是：《關(guān)于維格納朋友悖論的強(qiáng)不可行性定律》。 這篇文章的具體含義是什么？ 首先對(duì)標(biāo)題進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋。 在理論化學(xué)中，一些定律的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)某種情況在數(shù)學(xué)上是不可能的。 此類法律稱為禁行法。 維格納的朋友悖論是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者化學(xué)家尤金·維格納在60年前提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，是薛定諤的貓的延伸版本。
也許有人會(huì)問(wèn)，薛定諤的貓和維格納的朋友在量子熱中早已司空見(jiàn)慣，怎么還能出現(xiàn)在昨天的《自然-化學(xué)》雜志上呢？ 這還得從維格納的朋友悖論說(shuō)起。
維格納的朋友悖論
維格納朋友悖論的場(chǎng)景涉及量子檢測(cè)的間接觀察：觀察者 W 觀察另一個(gè)正在對(duì)化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行量子檢測(cè)的觀察者 F。 然后，這兩位觀察者根據(jù)量子理論定律陳述了化學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)。 然而，在大多數(shù)情況下，這兩位觀察者對(duì)量子理論的解釋相互矛盾。
這反映了量子理論中兩個(gè)定理的明顯不相容性：封閉系統(tǒng)狀態(tài)的確定性和連續(xù)時(shí)間演化，以及系統(tǒng)狀態(tài)在檢測(cè)時(shí)的概率性、不連續(xù)崩潰。 為此，維格納和朋友們直接將量子熱探測(cè)問(wèn)題與著名的薛定諤貓悖論聯(lián)系起來(lái)。
在這篇最新的研究論文中，化學(xué)家進(jìn)行了涉及與薛定諤的貓和維格納的朋友悖論相關(guān)的量子熱解釋的研究，得出的推論挑戰(zhàn)了看似既定的關(guān)于“真實(shí)”假設(shè)的假設(shè)。
思想實(shí)驗(yàn)
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)假設(shè)維格納的一位同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行量子檢測(cè)，該化學(xué)系統(tǒng)可能是載體系統(tǒng)或類似薛定諤的貓的東西。 假設(shè)系統(tǒng)處于兩種不同狀態(tài)的疊加，即狀態(tài) 0 和狀態(tài) 1，對(duì)于薛定諤的貓來(lái)說(shuō)，即“死”和“活”。 根據(jù)量子熱力學(xué)，當(dāng)維格納的同學(xué)在0/1的基礎(chǔ)上測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，他們得到兩種可能的結(jié)果之一：0或1，并且系統(tǒng)崩潰到相應(yīng)的狀態(tài)。
現(xiàn)在，維格納本人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行了建模，因?yàn)樗浪膬?nèi)部同事有時(shí)會(huì)對(duì)化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行 0/1 測(cè)試。 根據(jù)量子熱多項(xiàng)式的線性描述，維格納將給整個(gè)實(shí)驗(yàn)室分配一個(gè)疊加態(tài)，即化學(xué)系統(tǒng)及其同事的聯(lián)合系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)室的疊加態(tài)為“系統(tǒng)處于狀態(tài)0/ “同學(xué)檢測(cè)到 0”和“系統(tǒng)處于狀態(tài) 1/同學(xué)檢測(cè)到 1”的線性組合。
現(xiàn)在讓向他的同事詢問(wèn)測(cè)試結(jié)果：無(wú)論同學(xué)給出的答案是0還是1，也會(huì)將狀態(tài)指定為“系統(tǒng)處于狀態(tài)0/同學(xué)檢測(cè)到0”或“系統(tǒng)處于狀態(tài)1/學(xué)生到達(dá)實(shí)驗(yàn)并檢查為1。因此，只有當(dāng)他知道同學(xué)的結(jié)果時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的疊加狀態(tài)才能崩潰。
然而，除非維格納被認(rèn)為處于“最終觀察者的特權(quán)地位”，否則同行的觀點(diǎn)必須被認(rèn)為同樣有效，這是一個(gè)顯著的悖論：從同行的角度來(lái)看，檢測(cè)結(jié)果是在維護(hù)古爾納在詢問(wèn)之前就已經(jīng)確定了，但化學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)早已崩潰。 那么，它到底是什么時(shí)候崩潰的呢？ 是當(dāng)同學(xué)完成測(cè)試時(shí)，還是有關(guān)結(jié)果的信息進(jìn)入維格納的意識(shí)時(shí)？
物理描述
為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)數(shù)學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)二態(tài)載波系統(tǒng)S，能級(jí)|0>S和|1>S量子物理學(xué)觀察者理論，對(duì)應(yīng)檢測(cè)結(jié)果0和1。一開(kāi)始，系統(tǒng)S處于疊加狀態(tài)狀態(tài)：
維格納的同學(xué)（F）根據(jù)上面的能級(jí){|0>S，|1>S}給出了測(cè)試。 之后，F(xiàn)測(cè)量到0的概率為|α|^2，測(cè)量到1的概率為|β|^2。 從學(xué)生的角度來(lái)看，載流子根據(jù)其檢測(cè)值已經(jīng)塌縮成其能級(jí)之一，因此將其檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)的狀態(tài)|0>S賦值給載流子：如果值為0，則其檢測(cè)結(jié)果的狀態(tài)|1>S被分配給載波。
(W) 現(xiàn)在與他的同事一起模擬由張量積 SxF 給出的載波組合系統(tǒng)。 根據(jù)孤立系統(tǒng)的量子熱定律，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)隨著時(shí)間的推移而積極演變。 因此，從外部觀察關(guān)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)的正確描述是疊加狀態(tài)：
其中|0>F表示同學(xué)檢測(cè)到0時(shí)的狀態(tài)，|1>F表示同學(xué)檢測(cè)到1時(shí)的狀態(tài)。對(duì)于系統(tǒng)初始狀態(tài)S |0>S，用張量積表示的狀態(tài)SxF 為|0>Sx|0>F； 對(duì)于系統(tǒng)初始狀態(tài)S |1>S，張量積SxF表示的狀態(tài)為| 1>Sx|1>F。 現(xiàn)在，通過(guò)薛定諤量子熱運(yùn)動(dòng)的多項(xiàng)式線性描述，系統(tǒng)S的初始狀態(tài)α|0>S+β|1>S的疊加態(tài)為：
意識(shí)與維格納的同學(xué)
維格納設(shè)計(jì)了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明他的信念，即意識(shí)對(duì)于量子熱的探測(cè)過(guò)程是必要的，正如笛卡爾的“我思故我在”的哲學(xué)原理一樣，意識(shí)通常是“終極現(xiàn)實(shí)”，而“量子熱學(xué)試圖提供的只是隨后的意識(shí)印象（稱為“感知”）之間的概率聯(lián)系。
“有意識(shí)的印象”在這里被理解為表示關(guān)于被檢測(cè)系統(tǒng)的特定知識(shí)，即觀察的結(jié)果。 因此，一個(gè)人的意識(shí)內(nèi)容是一個(gè)人對(duì)外部世界的所有感知，而度量被定義為在我們的意識(shí)中形成印象的相互作用。 因?yàn)槿魏瘟孔訜岵ê瘮?shù)的認(rèn)知都是基于這樣的印象，只有當(dāng)有關(guān)系統(tǒng)的信息進(jìn)入我們的意識(shí)時(shí)，化學(xué)系統(tǒng)的波函??數(shù)才會(huì)發(fā)生改變。 這就是所謂的“意識(shí)導(dǎo)致崩潰”的解釋。
維格納的結(jié)論是“有意識(shí)的生物在量子熱學(xué)中必須扮演與無(wú)生命的檢測(cè)裝置不同的角色”。 如果同學(xué)被某種無(wú)意識(shí)的檢測(cè)裝置代替，則疊加狀態(tài)將被描述為載體與裝置的正確組合狀態(tài)。 維格納覺(jué)得人的疊加狀態(tài)很愚蠢，因?yàn)閷W(xué)生不可能在回答問(wèn)題之前處于“假死”狀態(tài)。 這些概念要求量子熱多項(xiàng)式是非線性的。 并認(rèn)為當(dāng)有意識(shí)的存在被包括在內(nèi)時(shí)，數(shù)學(xué)定理必須改變。
論文點(diǎn)
在預(yù)測(cè)在原子等微小物體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的行為時(shí)，量子理論幾乎是完美的。 而且，將量子理論應(yīng)用于比原子大得多的尺度會(huì)引發(fā)困難的概念問(wèn)題，特別是對(duì)于觀察者來(lái)說(shuō)，論文進(jìn)一步將其引入了一個(gè)新的悖論。
這些悖論意味著，如果量子理論能夠描述觀察者，科學(xué)家將不得不放棄關(guān)于世界的三個(gè)罕見(jiàn)假設(shè)之一。 第一個(gè)假設(shè)是，當(dāng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，觀測(cè)到的結(jié)果是世界上真實(shí)的單一風(fēng)暴。 例如量子物理學(xué)觀察者理論，該假設(shè)排除了宇宙可以分裂的想法，這意味著在不同的平行宇宙中觀察到不同的結(jié)果。 第二個(gè)假設(shè)是實(shí)驗(yàn)設(shè)置可以自由選擇，允許我們進(jìn)行隨機(jī)實(shí)驗(yàn)。 第三個(gè)假設(shè)是，一旦做出這樣的自由選擇，其影響就不可能在宇宙中傳播得比光快。
然而，這些基本假設(shè)中的每一個(gè)都是完全合理的并且被廣泛接受。 此外，人們還普遍認(rèn)為量子實(shí)驗(yàn)可以擴(kuò)展到更大的系統(tǒng)，甚至擴(kuò)展到觀察者的水平。 而且，這篇論文證明，這種廣泛持有的信念之一一定是錯(cuò)誤的！ 放棄其中任何一個(gè)都會(huì)對(duì)我們對(duì)世界的看法產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)剖析分離良好的糾纏量子粒子并結(jié)合一個(gè)量子“觀察者”來(lái)構(gòu)造這個(gè)悖論，這是一個(gè)可以從外部操縱和檢測(cè)的量子系統(tǒng)，但它本身可以檢測(cè)量子粒子。 基于三個(gè)基本假設(shè)，在這些情況下可能獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極限是物理確定的。 而且，當(dāng)量子理論應(yīng)用于觀察者時(shí)，可以預(yù)測(cè)違反此約束的結(jié)果。 研究小組對(duì)糾纏光子進(jìn)行的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這違反了量子理論的預(yù)測(cè)。
該研究的結(jié)論是：“可以說(shuō)，我們當(dāng)今的‘觀察者’有一個(gè)很小的‘大腦’，只有兩種記憶狀態(tài)。” “為了更清楚地強(qiáng)化這個(gè)悖論，我們夢(mèng)想的實(shí)驗(yàn)是一個(gè)量子觀察者，它是一個(gè)在小型量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的具有人類通用智能（AGI）水平的人工智能程序。”
參考：
1.Ano-'s，（2020）。 DOI：10.1038/-020-0990-x
2、最新量子實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：人類認(rèn)知并不客觀