新版“薛定谔的猫”问世！开箱后既死又活，或引发量子力学自相矛盾
点击图片查看详情↑
了解过量子力学的同学们一定听说过薛定谔的猫。
这是著名奥地利物理学家埃尔温·薛定谔在 1935 年提出的一个思想实验。实验中，把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃瓶和放射性物质封闭在一个盒子里。当盒内监控器检测到粒子衰变时，就会打破玻璃瓶，漏出的氰化氢气体就会将猫杀死。
根据量子力学的哥本哈根诠释，在实验进行一段时间但仍未打开箱子前，猫处于既死又活的叠加状态。一但观察者打开了盒子，那么观察者只能看到一只活猫或一只死猫，而不可能同时看到处于死和活叠加状态的猫。
虽然这个思想实验只是对量子领域的一个宏观近似解释，但这一实验也引发了对叠加状态更多的思考：究竟在什么情况下量子的叠加状态会终止，而坍缩成其中的一种状态？
图 | 薛定谔的猫思想实验（来源：维基百科）
从薛定谔的猫思想实验出发，不同的物理学家对这个实验进行修改建立了一系列的新版本，包括 9 月 18 日在 Nature Communications 上发表的新版本，竟从量子力学内部出发引出了自相矛盾的结果。
图 | 新版薛定谔的猫思想实验量子力学自相矛盾结果（来源：Nature Communications）
让我们先回到薛定谔的猫最初的经典版本。在观察者引入前，猫的状态还处于既活又死的叠加态。而一旦观察者打开了箱子，量子系统就与观察者发生量子纠缠，其原先的叠加状态就消失无踪，而变成了确定的一种状态。
但如果将观察者放入箱子内部呢？是不是由于观察者能够确定猫的死或活的状态，再将观察者与箱子中其他物质看作一个整体时，猫的死或活的状态就是确定的？
这就是 1967 年维格纳的友人思想实验。维格纳的友人思想实验是薛定谔的猫思想实验的延伸版本。新思想实验中，观察者不再观察猫的死活，而是观察粒子的自旋方向。在箱子内有一个观察者，可对粒子自旋进行测定，但测定的结果只有上或下。而实际粒子的自旋方向则可能出现上或下以外的方向。
图 | 维格纳的友人思想实验（来源：Nature Communications）
对于箱子外部的新观察者而言，在他打开箱子前，箱子内部粒子自旋的方向仍是叠加的。虽然内部的观察者可以对粒子自旋进行观察，但外部观察者并不知情内部观察者是否进行了观察，以及内部观察者的观察结果。那么，粒子自旋状态便出现了两种情况：若在内部观察者进行观察之后外部观察者再对粒子进行观察，那么内部观察者和外部观察者的结果将一致；但若内部观察者未进行观察之前外部观察者已先对自旋状态进行预测，那么内部观察者与外部观察者的结果可能无法一致。
至此，一个初级修改版本的思想实验展示了可能无法获得一致结果的情况。这种结果不一致主要由于内部观察者与外部观察者没有信息交流。
但最近发表在 Nature Communications 上的新思想实验则更进一步。
新实验中，假设有两个箱子，两个盒子里分别有A和B两个人。A首先抛出一枚硬币，然后将硬币的信息以量子形式发送给B。B可以对量子信息进行测量推测出硬币的状态。但由于B对A发出的量子信息测量结果仅是其信息的一部分，并不能与原始信息对等，因此B仅能获得A抛硬币结果的一种概率。
外部有两个观察者，1号观察者将对A进行观察，而2号观察者则对B进行观察。
图 | 新思想实验引发量子力学自相矛盾（来源：Nature Communications）
A传给B的量子信息可供B测量，但B的测量只能获得A抛硬币结果的概率。在这里，若对B进行观察，那么获得的结果是B对硬币状态的推测可能与A不符；但若对A进行测量时，由于A本身就知道抛硬币的结果，1号观察者总是能知道A抛硬币的结果。这就引起出了矛盾：标准量子理论要求无论如何，在同一时空的观察者必须解读出同样的答案，但思想实验中的观测结果则可能出现不同。
由于论文中涉及大量假设和模型，这里的简化版解释仅为读者便于理解。
图 | 实验逻辑图（来源：Nature Communications）
那么，这个新版思想实验设想意味着什么？是否这就证明量子力学是错的呢？
虽然物理学界在过去已经对量子力学究竟是何物进行过激烈的争辩，但此次的新版“薛定谔的猫”或许在向人们重申着“哥本哈根学派（量子力学的主流理解方法）仍存问题”。至少，我们发现，W-bar 与 W 间可能会得出不同的结论意味着以下三句中必有一句正确：
1. 量子力学并不适用于现实中的所有层面。
2. 对于量子系统来说，量子力学不允许观察者对情况按严谨逻辑做出推测。
3. 对波方程的测量可以产出多个结果，而量子物理里从来都是一个测量，也就是在数学上对初始波函数所施加的一个 operator，仅能对应一个结果
当然，也有一些学者认为这是对量子力学的吹毛求疵。但直到目前，学界对这种分歧还无法给出定论。但无论最终结果如何，新的思想实验在探索量子力学的适用范围提供了新的角度。正如作者在文中所说，这表明量子力学无法外推到复杂系统，或至少不是以直接的方式进行外推。
-End-
参考：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05739-8
https://arstechnica.com/science/2018/09/quantum-observers-with-knowledge-of-quantum-mechanics-break-reality/