想象一下，一位物理學家正在觀察一個量子系統，其行為類似於拋硬幣：可能出現正面或反面。他們進行量子拋硬幣，看到正面。他們能否確定他們的結果是關於世界的客觀、絕對和無可爭辯的事實？如果硬幣只是我們在日常經驗中看到的那種，那麼拋擲的結果對於每個人來說都是一樣的：全是正面！但與量子物理學中的大多數事物一樣，量子拋硬幣的結果將更加複雜，“視情況而定”。在理論上可行的情景中，另一位觀察者可能會發現我們物理學家拋硬幣的結果是反面。
這種怪異現象的核心是所謂的測量問題。標準量子力學解釋了測量量子系統時會發生什麼：本質上，測量會導致系統的多種可能狀態隨機“坍縮”成一個確定的狀態。但這種解釋並沒有定義什麼是測量——因此，就有了測量問題。
試圖避免測量問題——例如，設想一個量子態根本不會坍縮的現實——已將物理學家帶入奇怪的領域，在這些領域中，測量結果可能是主觀的。“測量問題的一個主要方面是……觀察到的事件不是絕對的，”牛津大學的尼古拉斯·奧姆羅德說。簡而言之，這就是為什麼我們想象的量子拋硬幣從一個角度來看可能是正面，而從另一個角度來看可能是反面。
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但是，這種表面上存在問題的場景在物理上是可行的，還是僅僅是我們對量子世界不完全理解的產物？為了應對這些問題，需要更好地理解可能出現測量問題的理論——這正是奧姆羅德與蘇黎世聯邦理工學院的維拉西尼·文卡特什和牛津大學的喬納森·巴雷特現在所取得的成就。在一個最近的預印本中，三人組證明了一個定理，該定理表明了為什麼某些理論（例如量子力學）首先會遇到測量問題，以及如何開發替代理論來規避它，從而保留任何觀察到的事件的“絕對性”。例如，這樣的理論將消除一個觀察者看到正面而另一個觀察者看到反面的拋硬幣的可能性。
但他們的工作也表明，保持這種絕對性是有代價的，許多物理學家會認為這種代價令人望而卻步。“這證明了解決這個問題沒有輕鬆的方案，”奧姆羅德說。“如果我們能夠恢復絕對性，那麼我們將不得不放棄一些我們真正關心的物理原理。”
奧姆羅德、文卡特什和巴雷特的論文“解決了哪些理論類別與觀察到的事件的絕對性不相容的問題——以及在某些理論中，絕對性是否可以與其他期望的屬性一起保持，”澳大利亞格里菲斯大學的埃裡克·卡瓦爾坎蒂說。（卡瓦爾坎蒂與物理學家霍華德·懷斯曼及其同事在先前的著作中定義了“觀察到的事件的絕對性”一詞，這些著作為奧姆羅德、文卡特什和巴雷特的研究奠定了一些基礎。）
事實證明，堅持觀察到的事件的絕對性可能意味著量子世界比我們已知的還要怪異。
問題的核心
要了解奧姆羅德、文卡特什和巴雷特取得的成就，需要速成量子基礎知識課程。讓我們從考慮我們假設的量子系統開始，該系統在被觀察時可能出現正面或反面。
在教科書量子理論中，在坍縮之前，系統被稱為處於兩種狀態的疊加態，這種量子態由稱為波函式的數學結構描述，波函式在時間和空間中演化。這種演化既是確定性的又是可逆的：給定一個初始波函式，人們可以預測它在未來的某個時刻會是什麼，原則上人們可以反向執行演化以恢復先前的狀態。然而，測量波函式會導致它在數學上發生坍縮，這樣在我們示例中的系統就會顯示為正面或反面。
這種誘導坍縮的過程是測量問題的模糊根源：這是一個不可逆的、一次性的事件——甚至沒有人知道是什麼定義了測量的過程或邊界。“測量”或“觀察者”意味著什麼？這兩者是否都具有物理約束，例如最小或最大尺寸？它們也必須服從各種棘手的量子效應，還是可以在某種程度上認為它們不受此類複雜情況的影響？這些問題都沒有簡單、一致的答案——但理論家們並不缺乏提出的解決方案。
鑑於示例系統，一種保留觀察到的事件的絕對性的模型——意味著對於所有觀察者來說，要麼是正面，要麼是反面——是吉拉迪-裡米尼-韋伯理論（GRW）。在 GRW 中，量子系統可以以狀態疊加存在，直到它們達到某個尚未確定的尺寸，此時疊加會自發且隨機地坍縮，與觀察者無關。無論結果如何——在我們示例中是正面還是反面——它都適用於所有觀察者。
但是 GRW 屬於更廣泛的“自發坍縮”理論類別，似乎違反了一項長期以來珍視的物理原理：資訊的儲存。正如一本燒燬的書原則上可以透過從灰燼中重新組裝書頁來閱讀一樣（為簡單起見，忽略燃燒的書籍最初發射的熱輻射），資訊的儲存意味著量子系統隨時間的演化應該使其先前的狀態可以被知曉。透過假設隨機坍縮，GRW 理論破壞了知道導致坍縮狀態的原因的可能性——根據大多數說法，這意味著關於系統在轉換之前的資訊變得不可挽回地丟失了。“[GRW] 將是一個放棄資訊儲存的模型，從而保留事件的絕對性，”文卡特什說。
允許觀察到的事件的非絕對性的一個反例是量子力學的“多世界”解釋。在這種觀點中，我們的示例波函式將分支成多個同時存在的現實，這樣在一個“世界”中，系統將出現正面，而在另一個世界中，它將是反面。在這種概念中，沒有坍縮。“因此，發生的事情的問題不是絕對的；它相對於一個世界，”奧姆羅德說。當然，在試圖避免坍縮引起的測量問題時，多世界解釋引入了令人麻木的波函式分支和量子道路上每個岔路口的世界的失控擴散——對於許多人來說，這是一個令人不快的場景。
儘管如此，多世界解釋是所謂的視角理論的一個例子，其中測量的結果取決於觀察者的視角。
現實的關鍵方面
為了證明他們的定理而又不陷入任何特定的理論或解釋（無論是量子力學的還是其他的），奧姆羅德、文卡特什和巴雷特專注於遵守三個重要屬性的視角理論。同樣，我們需要一些毅力來掌握這些屬性的重要性，並欣賞研究人員證明的相當深刻的結果。
第一個屬性稱為貝爾非定域性 (B)。它最初由物理學家約翰·貝爾在 1964 年以一個同名定理確定，並且已被證明是我們物理現實中無可爭議的經驗事實。假設愛麗絲和鮑勃每個人都可以訪問一對粒子中的一個，這對粒子由一個單一狀態描述。愛麗絲和鮑勃分別對他們的粒子進行單獨的測量，並對許多類似製備的粒子對執行此操作。愛麗絲自由且獨立於鮑勃選擇她的測量型別，反之亦然。愛麗絲和鮑勃憑自由意志選擇他們的測量設定是一個重要的假設。然後，當他們最終比較筆記時，兩人會發現他們的測量結果以一種方式相關聯，這意味著兩個粒子的狀態是不可分的：瞭解一個粒子的狀態會告訴你關於另一個粒子的狀態。可以解釋這種相關性的理論被稱為貝爾非定域理論。
第二個屬性是資訊的儲存 (I)。顯示確定性和可逆演化的量子系統滿足此條件。但要求更籠統。想象一下你今天穿著一件綠色毛衣。在資訊儲存理論中，原則上，即使沒有人看到你穿它，10 年後仍然有可能檢索到你的毛衣的顏色。但是，“如果世界不是資訊儲存的，那麼可能在 10 年後，根本無法找出我穿的毛衣是什麼顏色的，”奧姆羅德說。
第三個屬性稱為局域動力學 (L)。考慮時空兩個區域中的兩個事件。如果存在一個參考系，其中兩個事件看起來是同時發生的，則這兩個空間區域被稱為“類空間隔開”。局域動力學意味著一個區域中系統的變換不能以快於光速的速度因果影響另一個區域中系統的變換，反之亦然，其中變換是獲取一組輸入狀態併產生一組輸出狀態的任何操作。每個子系統都經歷了自己的變換，整個系統也是如此。如果動力學是局域的，則完整系統的變換可以分解為各個部分的變換：動力學被稱為可分離的。“局域動力學[約束]確保你沒有以某種方式偽造貝爾[非定域性]，”文卡特什說。
在量子理論中，變換可以分解為它們的組成部分。“因此，量子理論在動力學上是可分離的，”奧姆羅德說。相反，當兩個粒子共享一個貝爾非定域狀態時（也就是說，當兩個粒子根據量子理論糾纏在一起時），該狀態被稱為不可分離為兩個粒子的各個狀態。如果變換的行為類似，全域性變換無法用各個子系統的變換來描述，那麼整個系統在動力學上將是不可分離的。
所有部分都已就位，可以理解三人組的結果。奧姆羅德、文卡特什和巴雷特的工作歸結為對“BIL”理論（那些滿足上述所有三個屬性的理論）如何處理一個看似簡單的思想實驗的複雜分析。想象一下，愛麗絲和鮑勃各自在自己的實驗室中，對一對粒子中的一個進行測量。愛麗絲和鮑勃各自進行一次測量，並且都進行完全相同的測量。例如，他們可能都測量了粒子在上下方向上的自旋。
從外部觀察愛麗絲和鮑勃及其實驗室的是查理和丹妮拉。原則上，查理和丹妮拉應該能夠測量相同粒子的自旋，例如，在左右方向上。在資訊儲存理論中，這應該是可能的。
讓我們以標準量子理論中可能發生的情況為例。例如，查理將愛麗絲、她的實驗室和她進行的測量視為一個受確定性、可逆演化支配的系統。假設他對整個系統具有完全控制權，查理可以逆轉該過程，使粒子恢復到其原始狀態（就像一本燒燬的書籍從灰燼中重構一樣）。丹妮拉對鮑勃和他的實驗室做同樣的事情。現在查理和丹妮拉各自在左右方向上對他們的粒子進行不同的測量。
使用這種情況，該團隊證明了任何 BIL 理論對四位觀察者的測量結果的預測都與觀察到的事件的絕對性相矛盾。換句話說，“所有 BIL 理論都存在測量問題，”奧姆羅德說。
選擇你的毒藥
這讓物理學家陷入了令人不快的僵局：要麼接受觀察到的事件的非絕對性，要麼放棄 BIL 理論的假設之一。
文卡特什認為，放棄觀察到的事件的絕對性是有一定道理的。畢竟，她說，物理學成功地從僵化的牛頓框架過渡到更細緻和流暢的愛因斯坦現實描述。“我們不得不調整一些我們認為絕對的概念。對於牛頓來說，空間和時間是絕對的，”文卡特什說。但在阿爾伯特·愛因斯坦的宇宙概念中，空間和時間是一體的，而這個單一的時空不是絕對的東西，而是可以以不符合牛頓思維方式的方式彎曲。
另一方面，依賴於觀察者的視角理論會產生自身的問題。最突出的是，如果兩個觀察者無法就測量結果達成一致，那麼如何在理論的範圍內進行科學研究？“如果我們在觀察到的事件的預測方面沒有達成一致，並且我們將這些事件視為絕對的，那麼科學是否能以[它]應該工作的方式工作，這是不清楚的，”奧姆羅德說。
因此，如果有人堅持觀察到的事件的絕對性，那麼就必須放棄一些東西。它不會是貝爾非定域性或資訊的儲存：前者具有堅實的經驗基礎，後者被認為是任何現實理論的重要方面。焦點轉移到局域動力學——特別是動力學可分離性。
動力學可分離性“有點像還原論的假設，”奧姆羅德說。“你可以用這些小碎片來解釋大的東西。”
保留觀察到的事件的絕對性可能意味著這種還原論不成立：就像貝爾非定域狀態無法簡化為某些組成狀態一樣，系統的動力學也可能是類似的整體論，為宇宙增加另一種非定域性。重要的是，放棄它並不會導致理論違反愛因斯坦的相對論，就像物理學家認為貝爾非定域性不需要超光速或非定域因果影響，而僅僅是非定域狀態一樣。
“也許貝爾的教訓是遙遠粒子的狀態是不可分割地聯絡在一起的，而新的……定理的教訓是它們的動力學也是如此，”奧姆羅德、文卡特什和巴雷特在他們的論文中寫道。
“我非常喜歡拒絕動力學可分離性的想法，因為如果它奏效，那麼……我們可以魚與熊掌兼得，”奧姆羅德說。“我們可以繼續相信我們認為關於世界的最基本的東西：相對論是真實的，資訊是儲存的，以及諸如此類的東西。但我們也可以相信觀察到的事件的絕對性。”
傑弗裡·巴布，物理哲學教授和馬里蘭大學帕克分校的榮譽退休教授，如果這意味著生活在一個客觀的宇宙中，他願意吞下一些苦藥。“我希望堅持觀察到的事件的絕對性，”他說。“在我看來，僅僅因為量子力學中的測量問題就放棄這一點似乎是荒謬的。”為此，巴布認為，動力學不可分離的宇宙並不是一個壞主意。“我想我暫時同意作者的觀點，即[動力學]非可分離性是最不令人反感的選擇，”他說。
問題是，沒有人知道如何構建一個拒絕動力學可分離性的理論——假設即使有可能構建——同時又堅持資訊的儲存和貝爾非定域性等其他屬性。
更深刻的非定域性
格里菲斯大學的霍華德·懷斯曼被認為是此類理論思考的奠基人，他讚賞奧姆羅德、文卡特什和巴雷特努力證明一個適用於量子力學但不特定於量子力學的定理。“他們朝著這個方向推進是很不錯的，”他說。“我們可以更普遍地說一些事情，而無需提及量子力學。”
他指出，分析中使用的思想實驗不需要愛麗絲、鮑勃、查理和丹妮拉做出任何選擇——他們總是進行相同的測量。因此，用於證明該定理的假設並沒有明確包含關於自由選擇的假設，因為沒有人行使這種選擇。通常，假設越少，證明越強，但這裡可能並非如此，懷斯曼說。這是因為第一個假設——理論必須適應貝爾非定域性——要求代理人擁有自由意志。對貝爾非定域性的任何經驗測試都涉及愛麗絲和鮑勃憑自己的自由意志選擇他們進行的測量型別。因此，如果一個理論是貝爾非定域的，它就隱含地承認了實驗者的自由意志。“我懷疑他們是在偷偷摸摸地引入自由選擇的假設，”懷斯曼說。
這並不是說證明較弱。相反，如果它不需要自由意志的假設，它會更強大。碰巧的是，自由意志仍然是一個要求。鑑於此，該定理最深刻的意義可能是宇宙以一種全新的方式是非定域的。如果是這樣，這種非定域性將與貝爾非定域性相當或與之匹敵，對貝爾非定域性的理解為量子通訊和量子密碼學鋪平了道路。任何人都可以猜測，動力學非可分離性暗示的一種新型非定域性對我們理解宇宙意味著什麼。
最終，只有實驗才能指出通往正確理論的道路，量子物理學家只能為任何可能性做好準備。“無論人們對哪種[理論]更好有何個人看法，所有理論都必須探索，”文卡特什說。“最終，我們將不得不關注我們可以進行的實驗。可能是一種方式或另一種方式，做好準備是好事。”