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”看法是什么？ 對于那些重要而基礎的數學和哲學問題，一批來自英國、澳大利亞和中國大陸的理論化學家和哲學家進行了深入的研究和闡述。 最新研究論文昨天發表在《自然-化學》雜志上。
論文題目是：《關于維格納朋友悖論的強不可行性定律》。 這篇文章的具體含義是什么？ 首先對標題進行簡單的解釋。 在理論化學中，一些定律的內容強調某種情況在數學上是不可能的。 此類法律稱為禁行法。 維格納的朋友悖論是諾貝爾獎獲得者化學家尤金·維格納在60年前提出的一個思想實驗，是薛定諤的貓的延伸版本。
也許有人會問，薛定諤的貓和維格納的朋友在量子熱中早已司空見慣，怎么還能出現在昨天的《自然-化學》雜志上呢？ 這還得從維格納的朋友悖論說起。
維格納的朋友悖論
維格納朋友悖論的場景涉及量子檢測的間接觀察：觀察者 W 觀察另一個正在對化學系統進行量子檢測的觀察者 F。 然后，這兩位觀察者根據量子理論定律陳述了化學系統狀態的檢測。 然而，在大多數情況下，這兩位觀察者對量子理論的解釋相互矛盾。
這反映了量子理論中兩個定理的明顯不相容性：封閉系統狀態的確定性和連續時間演化，以及系統狀態在檢測時的概率性、不連續崩潰。 為此，維格納和朋友們直接將量子熱探測問題與著名的薛定諤貓悖論聯系起來。
在這篇最新的研究論文中，化學家進行了涉及與薛定諤的貓和維格納的朋友悖論相關的量子熱解釋的研究，得出的推論挑戰了看似既定的關于“真實”假設的假設。
思想實驗
這個思想實驗假設維格納的一位同學在實驗室中對化學系統進行量子檢測，該化學系統可能是載體系統或類似薛定諤的貓的東西。 假設系統處于兩種不同狀態的疊加，即狀態 0 和狀態 1，對于薛定諤的貓來說，即“死”和“活”。 根據量子熱力學，當維格納的同學在0/1的基礎上測試系統時，他們得到兩種可能的結果之一：0或1，并且系統崩潰到相應的狀態。
現在，維格納本人在實驗室內部對場景進行了建模，因為他知道他的內部同事有時會對化學系統進行 0/1 測試。 根據量子熱多項式的線性描述，維格納將給整個實驗室分配一個疊加態，即化學系統及其同事的聯合系統：實驗室的疊加態為“系統處于狀態0/ “同學檢測到 0”和“系統處于狀態 1/同學檢測到 1”的線性組合。
現在讓向他的同事詢問測試結果：無論同學給出的答案是0還是1，也會將狀態指定為“系統處于狀態0/同學檢測到0”或“系統處于狀態1/學生到達實驗并檢查為1。因此，只有當他知道同學的結果時，實驗室的疊加狀態才能崩潰。
然而，除非維格納被認為處于“最終觀察者的特權地位”，否則同行的觀點必須被認為同樣有效，這是一個顯著的悖論：從同行的角度來看，檢測結果是在維護古爾納在詢問之前就已經確定了，但化學系統的狀態早已崩潰。 那么，它到底是什么時候崩潰的呢？ 是當同學完成測試時，還是有關結果的信息進入維格納的意識時？
物理描述
為了簡單起見，假設數學系統是一個二態載波系統S，能級|0>S和|1>S量子物理學觀察者理論，對應檢測結果0和1。一開始，系統S處于疊加狀態狀態：
維格納的同學（F）根據上面的能級{|0>S，|1>S}給出了測試。 之后，F測量到0的概率為|α|^2，測量到1的概率為|β|^2。 從學生的角度來看，載流子根據其檢測值已經塌縮成其能級之一，因此將其檢測結果對應的狀態|0>S賦值給載流子：如果值為0，則其檢測結果的狀態|1>S被分配給載波。
(W) 現在與他的同事一起模擬由張量積 SxF 給出的載波組合系統。 根據孤立系統的量子熱定律，整個實驗室的狀態隨著時間的推移而積極演變。 因此，從外部觀察關節系統狀態的正確描述是疊加狀態：
其中|0>F表示同學檢測到0時的狀態，|1>F表示同學檢測到1時的狀態。對于系統初始狀態S |0>S，用張量積表示的狀態SxF 為|0>Sx|0>F； 對于系統初始狀態S |1>S，張量積SxF表示的狀態為| 1>Sx|1>F。 現在，通過薛定諤量子熱運動的多項式線性描述，系統S的初始狀態α|0>S+β|1>S的疊加態為：
意識與維格納的同學
維格納設計了這個思想實驗來說明他的信念，即意識對于量子熱的探測過程是必要的，正如笛卡爾的“我思故我在”的哲學原理一樣，意識通常是“終極現實”，而“量子熱學試圖提供的只是隨后的意識印象（稱為“感知”）之間的概率聯系。
“有意識的印象”在這里被理解為表示關于被檢測系統的特定知識，即觀察的結果。 因此，一個人的意識內容是一個人對外部世界的所有感知，而度量被定義為在我們的意識中形成印象的相互作用。 因為任何量子熱波函數的認知都是基于這樣的印象，只有當有關系統的信息進入我們的意識時，化學系統的波函??數才會發生改變。 這就是所謂的“意識導致崩潰”的解釋。
維格納的結論是“有意識的生物在量子熱學中必須扮演與無生命的檢測裝置不同的角色”。 如果同學被某種無意識的檢測裝置代替，則疊加狀態將被描述為載體與裝置的正確組合狀態。 維格納覺得人的疊加狀態很愚蠢，因為學生不可能在回答問題之前處于“假死”狀態。 這些概念要求量子熱多項式是非線性的。 并認為當有意識的存在被包括在內時，數學定理必須改變。
論文點
在預測在原子等微小物體上進行實驗時觀察到的行為時，量子理論幾乎是完美的。 而且，將量子理論應用于比原子大得多的尺度會引發困難的概念問題，特別是對于觀察者來說，論文進一步將其引入了一個新的悖論。
這些悖論意味著，如果量子理論能夠描述觀察者，科學家將不得不放棄關于世界的三個罕見假設之一。 第一個假設是，當進行檢測時，觀測到的結果是世界上真實的單一風暴。 例如量子物理學觀察者理論，該假設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果。 第二個假設是實驗設置可以自由選擇，允許我們進行隨機實驗。 第三個假設是，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，這些基本假設中的每一個都是完全合理的并且被廣泛接受。 此外，人們還普遍認為量子實驗可以擴展到更大的系統，甚至擴展到觀察者的水平。 而且，這篇論文證明，這種廣泛持有的信念之一一定是錯誤的！ 放棄其中任何一個都會對我們對世界的看法產生深遠的影響。
該團隊通過剖析分離良好的糾纏量子粒子并結合一個量子“觀察者”來構造這個悖論，這是一個可以從外部操縱和檢測的量子系統，但它本身可以檢測量子粒子。 基于三個基本假設，在這些情況下可能獲得的實驗結果的極限是物理確定的。 而且，當量子理論應用于觀察者時，可以預測違反此約束的結果。 研究小組對糾纏光子進行的原理驗證實驗發現，這違反了量子理論的預測。
該研究的結論是：“可以說，我們當今的‘觀察者’有一個很小的‘大腦’，只有兩種記憶狀態。” “為了更清楚地強化這個悖論，我們夢想的實驗是一個量子觀察者，它是一個在小型量子計算機上運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、最新量子實驗驗證：人類認知并不客觀