在世界上最著名的思想實驗中，物理學家埃爾溫·薛定諤描述了一隻盒子裡的貓可能處於不確定的困境。量子理論的特殊規則意味著它可以既是死的又是活的，直到盒子被開啟並測量了貓的狀態。現在，兩位物理學家設計了一個現代版本的悖論，用一位做實驗的物理學家取代了貓——這帶來了令人震驚的含義。
量子理論有著悠久的思想實驗歷史，在大多數情況下，這些實驗被用來指出量子力學各種解釋中的弱點。但是最新的版本，涉及多位參與者，卻是不尋常的：它表明，如果量子力學的標準解釋是正確的，那麼不同的實驗者可能會對盒子裡的物理學家測量到的結果得出相反的結論。這意味著量子理論自相矛盾。
這個概念實驗在物理學界已經熱烈討論了兩年多——並且讓大多數研究人員感到困惑，即使在一個習慣了怪異概念的領域也是如此。“我認為這是一個全新的怪異程度，”加利福尼亞州奧蘭治市查普曼大學的理論物理學家馬修·萊弗說。
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作者是蘇黎世瑞士聯邦理工學院 (ETH) 的 Daniela Frauchiger 和 Renato Renner，他們在 2016 年 4 月線上釋出了該論點的第一個版本。最終論文發表在 9 月 18 日的《自然通訊》上。（Frauchiger 現在已經離開了學術界。）
怪異的世界
量子力學是幾乎所有現代物理學的基礎，解釋了從原子結構到磁鐵為何相互粘附的一切。但它的概念基礎仍然讓研究人員難以找到答案。它的方程無法預測測量的確切結果——例如，電子的位置——只能預測它可以產生特定值的機率。
因此，諸如電子之類的量子物體生活在不確定性的雲中，在數學上編碼在一個“波函式”中，該波函式平滑地改變形狀，很像海中的普通波浪。但是，當測量諸如電子位置之類的屬性時，它總是產生一個精確的值（並且如果在測量後立即再次測量，則會再次產生相同的值）。
理解這一點的最常見方式是在 20 世紀 20 年代由量子理論先驅尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡提出的，被稱為哥本哈根解釋，以玻爾居住的城市命名。它說，觀察量子系統的行為使波函式從分散的曲線“坍縮”到單個數據點。
哥本哈根解釋留下了一個懸而未決的問題，即為什麼不同的規則應該適用於原子的量子世界和實驗室測量（以及日常經驗）的經典世界。但它也令人放心：儘管量子物體生活在不確定的狀態中，但實驗觀察發生在經典領域，並給出明確的結果。
現在，Frauchiger 和 Renner 正在將物理學家從這種令人安慰的立場中搖醒。他們的理論推理表明，基本的哥本哈根圖景——以及其他一些具有基本假設的解釋——在內部是不一致的。
盒子裡有什麼？
他們的 сценарий 比 1935 年提出的薛定諤貓要複雜得多，薛定諤貓生活在一個盒子裡，盒子裡有一個裝置，會根據隨機事件（例如原子核的衰變）釋放毒藥。在那種情況下，貓的狀態是不確定的，直到實驗者開啟盒子並檢查它。
1967 年，匈牙利物理學家尤金·維格納提出了一個悖論版本，其中他用一位物理學家朋友取代了貓和毒藥，這位朋友住在一個盒子裡，裡面有一個測量裝置，可以返回兩個結果之一，例如硬幣顯示正面或反面。當維格納的朋友意識到結果時，波函式是否會坍縮？一種思想流派認為它會，這表明意識在量子領域之外。但是，如果量子力學適用於物理學家，那麼她應該處於不確定的狀態，該狀態結合了兩種結果，直到維格納開啟盒子。
Frauchiger 和 Renner 有一個更復雜的版本（參見城鎮新貓圖形）。他們有兩個維格納，每個人都在一個盒子裡對一位物理學家朋友進行實驗。兩位朋友中的一位（稱她為愛麗絲）可以拋硬幣，並——利用她對量子物理學的瞭解——準備一個量子訊息傳送給另一位朋友（稱他為鮑勃）。鮑勃利用他對量子理論的瞭解，可以檢測到愛麗絲的訊息並猜測她的拋硬幣結果。倫納說，當兩位維格納開啟他們的盒子時，在某些情況下，他們可以肯定地得出硬幣落在哪一面的結論——但偶爾他們的結論是不一致的。“一個人說，‘我確定是反面，’另一個人說，‘我確定是正面，’”倫納說。
ETH 蘇黎世的倫納的同事，理論家莉迪亞·德爾里奧指出，這個實驗無法付諸實踐，因為它需要維格納測量他們朋友的所有量子特性，包括讀取他們的思想。
然而，讓兩臺量子計算機扮演愛麗絲和鮑勃的角色可能是可行的：該論證的邏輯僅要求他們知道物理學規則並根據規則做出決定，並且原則上可以檢測到量子計算機的完整量子態。（倫納指出，足夠複雜的量子計算機尚不存在。）
相互對立的解釋
物理學家仍在接受結果的影響。它引發了量子理論基礎專家的激烈反應，其中許多人傾向於保護他們心愛的解釋。“有些人會情緒激動，”倫納說。不同的研究人員傾向於得出不同的結論。“大多數人聲稱，實驗表明他們的解釋是唯一正確的解釋。”
對於萊弗來說，產生不一致的結果不一定是一個決定因素。量子力學的一些解釋已經允許現實觀點取決於視角。他說，這可能比不得不承認量子理論不適用於人等複雜事物要好。
加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的理論物理學家羅伯特·斯佩肯斯說，擺脫悖論的方法可能隱藏在論證中的一些細微假設中，特別是在愛麗絲和鮑勃之間的交流中。
“在我看來，有很多情況需要將某人的知識納入考慮範圍，這涉及到對他們的知識進行一些翻譯。”他說，也許不一致之處在於鮑勃沒有正確解釋愛麗絲的資訊。但他承認，他還沒有找到解決方案。
目前，物理學家可能會繼續爭論。“我認為我們還沒有理解這一點，”萊弗說。
本文經許可轉載，並於2018 年 9 月 18 日首次發表。