量子测量问题，可能是客观现实的一剂毒药

光子盒 · 公众号 · · 2023-05-25 18:58

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想象一下，一个物理学家在观察一个量子系统，其行为类似于抛硬币：它可能是正面或反面的结果。那么此时，他们能确定他们的结果是关于世界的一个客观的、绝对的、无可争辩的事实吗？如果这枚硬币只是我们在日常经验中看到的那种，那么抛出的结果对每个人来说都是一样的：可能都是人像！但就像量子物理学中的大多数事情一样，量子抛硬币的结果将是一个更复杂的“这取决于......”。

这种怪异现象的核心是测量问题。 标准量子力学解释了当你测量一个量子系统时发生的事情：基本上，测量导致系统的多种可能状态随机地“坍缩”成一个确定的状态。但这种解释并没有定义什么是测量，因此就出现了测量问题。

试图避免测量问题（例如，通过设想一个量子状态根本不坍缩的现实）已经将物理学家带入了测量结果可能是主观的奇怪领域。牛津大学的Nicholas Ormrod曾说：“测量问题的一个主要方面就是这个想法......观察到的事件不是绝对的。简而言之，这就是为什么我们想象的量子抛硬币从一个角度看是正面，从另一个角度看是反面。”

但是，这样一个明显有问题的场景在物理上是否可行，或者仅仅是我们对量子世界的、不完全理解的一个假象？ 要解决这样的问题，需要更好地理解可能出现测量问题的理论——这正是Ormrod与苏黎世瑞士联邦理工学院的Vilasini Venkatesh和牛津大学的Jonathan Barrett现在取得的成果。

《哪些理论有测量问题？》

在最近的一篇预印本中，三人证明了一个定理，该定理显示了为什么某些理论（如量子力学）首先会出现测量问题，以及，人们如何开发替代理论来回避它，从而保持任何观察到的事件的“绝对性”。例如，这样的理论将驱逐抛硬币的可能性，即对一个观察者来说是正面，对另一个观察者来说是反面。

但他们的工作也表明，保持这种绝对性的代价是许多物理学家都认为难以承受的。“这是一个证明，这个问题没有无痛的解决方案，”Ormrod说：“如果我们能够恢复绝对性，那么我们将不得不放弃一些我们真正关心的物理原理。”

澳大利亚格里菲斯大学的Eric Cavalcanti说：“Ormrod、Venkatesh和Barrett的论文解决了哪些类别的理论与观察到的事件的绝对性不相容的问题——在一些理论中是否可以保持绝对性，以及其他理想的特性。”

事实证明，坚持观察事件的绝对性，可能意味着量子世界比我们知道的还要奇怪。

要想了解Ormrod、Venkatesh和Barrett到底取得了什么成就，就需要对量子基础的基本奥秘有相关了解。让我们先考虑一下我们假设的量子系统，当观察时，它可以得出头或尾的结果。

该论点的视觉总结，不同的颜色代表不同的参考框架。结合量子对在不同框架中同时进行的测量的预测，意味着在实验的每一次运行中，不可能有一个单一的观察结果。

在教科书式的量子理论中，在坍缩之前，系统处于两种状态的叠加，这种量子状态由一个称为“波函数”的数学结构来描述，它在时间和空间上不断演变。这种演化既是决定性的，也是可逆的：给定一个初始的波函数，人们可以预测它在未来某个时间会是什么样子，而且原则上人们可以向后运行演化，以恢复先前的状态。然而，从数学上讲，测量波函数会导致它崩溃；因此，在我们的例子中，系统显示为头或尾。

这个坍缩诱导过程是测量问题的阴暗来源：它是一个不可逆的、只有一次的事情，甚至没有人知道是什么定义了测量的过程或边界。什么是“测量”或“观察者”？这些东西是否有物理约束，比如最小或最大的尺寸？它们是否也必须受制于各种量子效应，或者它们是否可以被认为不受这种复杂情况的影响？这些问题都没有简单的、公认的答案。

考虑到这个例子的系统，有一个模型保留了观察到的事件的绝对性。也就是说，对所有观察者来说，要么是头，要么是尾——这就是Ghirardi-Rimini-Weber理论(GRW)。 在GRW中，量子系统可以存在于各种状态的叠加中，直到它们达到某种尚未确定的大小；在这一点上，叠加状态会自发地、随机地崩溃，与观察者无关。 无论结果如何（在我们的例子中是正面还是反面）都将对所有观察者成立。

但是，属于更广泛的“自发坍缩(spontaneous collapse)”理论的GRW，似乎违背了一个长久以来的物理原则：信息的保存。就像一本烧掉的书原则上可以通过从灰烬中重新组合书页来阅读一样（为简单起见，忽略烧掉的书最初发出的热辐射），保存信息意味着一个量子系统通过时间的演化应该允许其先前的状态被了解。通过假设随机坍缩，GRW理论破坏了导致坍缩状态的可能性；根据大多数说法，这意味着关于系统在其转变之前的信息将不可恢复地丢失。“(GRW)将是一个放弃信息保存的模型，从而保存了事件的绝对性。”Venkatesh说。

一个允许观察到的事件的非绝对性的反例是量子力学的 “多重世界”解释。在这种观点中，我们的例子波函数将分为多个同时存在的现实：例如，在一个“世界”中，系统将出现正面，而在另一个世界中，它将是反面。在这个概念中，不存在坍缩。Ormrod说：“因此，发生什么的问题不是绝对的；它是相对于一个世界的。”当然，为了避免坍缩引起的测量问题，多世界解释引入了令人头疼的波函数分支，以及在量子道路上的每一个岔路口的世界的失控扩散。

然而，多世界解释是“透视理论(perspectival theory)”的一个例子，其中测量的结果取决于观察者的视角。

为了证明他们的定理而不陷入任何特定的理论或解释（量子力学或其他），Ormrod、Venkatesh和Barrett把重点放在服从三个重要特性的透视理论上。同样，我们需要一些毅力来掌握这些属性的重要性，并欣赏研究人员的证明的这一相当深刻的结果。

定理的图形化总结

第一个属性被称为贝尔非局域性。 它于1964年由物理学家约翰·贝尔在一个同名定理中首次确定，并被证明是关于我们物理现实的一个无可争议的经验事实。假设Alice和Bob各自拥有一对粒子中的一个，这些粒子由一个单一的状态描述。Alice和Bob对他们各自的粒子进行了单独的测量，并对一些类似的准备好的粒子对进行了测量。Alice可以自由地选择她的测量类型、并且独立于Bob，反之亦然。Alice和Bob以自己的自由意志选择他们的测量设置是一个重要的假设。然后，当他们最终进行比较时，两人将发现他们的测量结果是相关的，这意味着两个粒子的状态是不可分割的：知道一个粒子的状态就能知道另一个粒子的状态——能够解释这种相关性的理论被称为贝尔非局域性。

第二个属性是信息的保存。 显示出确定性和可逆性演化的量子系统满足这一条件，但这个要求更为普遍。想象一下，你今天穿着一件绿色的毛衣；在一个保存信息的理论中，即使没有人看到你穿了这件毛衣，原则上仍有可能在10年后找回你的毛衣的颜色。但是，“如果这个世界不是信息保全的，那么可能在10年后，根本没有办法找到我穿的是什么颜色的毛衣。”Ormrod说。

第三种叫做局部动态（local dynamics）。 考虑在两个时空区域的两个事件，如果存在一个参考框架，其中两个事件看起来是同时发生的，那么这两个空间区域被称为“空间相似分离”。局部动态意味着这些区域之一的系统转变不能以超过光速的速度因果地影响另一个区域的系统的转变，反之亦然。每个子系统都会经历自己的变换，整个系统也是如此。

在量子理论中，变换可以被分解成它们的构成部分。“所以量子理论是动态可分离的。”Ormrod表示，相比之下，当两个粒子共享一个贝尔非局域的状态时（也就是说，根据量子理论，当两个粒子纠缠在一起时），这个状态被说成是不可分割的，成为两个粒子的单独状态。如果变换有类似的表现，即全局变换不能用单个子系统的变换来描述，那么整个系统将是动态不可分割的。

所有的碎片都已经到位，现在可以理解三人组的结果了。Ormrod、Venkatesh和Barrett的工作归结为对这种“BIL 理论”（那些满足上述所有三个属性的理论）如何处理一个看似简单的思想实验的精密分析。

想象一下，Alice和Bob各自在自己的实验室里，对一对粒子中的一个进行测量。Alice和Bob各做一次测量，而且都做了完全相同的测量。例如，他们可能都会测量他们的粒子在上下方向的自旋。

从外面看Alice和Bob以及他们的实验室的人分别是Charlie 和Daniela。原则上，Charlie 和Daniela应该能够测量相同粒子的自旋（例如，在左-右方向）。在一个信息保留的理论中，这应该是可能的。

让我们以标准量子理论中可能发生的情况为具体例子。例如，Charlie把Alice、她的实验室和她所做的测量当作一个系统，它受制于确定性的、可逆的演化。假设他对整个系统有完全的控制权，Charlie可以逆转这个过程，使粒子回到它的原始状态（就像一本被烧毁的书从灰烬中被重组出来）；Daniela对Bob和他的实验室做了同样的事情。现在，Charlie和Daniela各自在左右方向对各自的粒子进行了不同的测量。

利用这种情况，研究小组证明，任何BIL理论对四个观察者的测量结果的预测都与观察到的事件的绝对性相矛盾。换句话说，“所有BIL理论都有一个测量问题。”

这让物理学家们陷入了一个令人不快的僵局：要么接受观测事件的非绝对性，要么放弃BIL理论的一个假设。

Venkatesh认为，放弃观察到的事件的绝对性是有说服力的。她说，毕竟，物理学成功地从一个僵硬的牛顿框架过渡到一个更细微和流动的爱因斯坦现实描述。“我们不得不调整一些我们认为是绝对的概念。牛顿有绝对的空间和时间。”Venkatesh说。但在爱因斯坦的宇宙概念中，空间和时间是一体的；而且这个单一的时空并不是绝对的东西，而是可以以不符合牛顿思维方式的方式扭曲。

量子测量问题，可能是客观现实的一剂毒药

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