想象一下，一位物理学家正在观察一个量子系统，其行为类似于抛硬币：可能出现正面或反面。他们进行量子抛硬币，看到正面。他们能否确定他们的结果是关于世界的客观、绝对和无可争辩的事实？如果硬币只是我们在日常经验中看到的那种，那么抛掷的结果对于每个人来说都是一样的：全是正面！但与量子物理学中的大多数事物一样，量子抛硬币的结果将更加复杂，“视情况而定”。在理论上可行的情景中，另一位观察者可能会发现我们物理学家抛硬币的结果是反面。
这种怪异现象的核心是所谓的测量问题。标准量子力学解释了测量量子系统时会发生什么：本质上，测量会导致系统的多种可能状态随机“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，就有了测量问题。
试图避免测量问题——例如，设想一个量子态根本不会坍缩的现实——已将物理学家带入奇怪的领域，在这些领域中，测量结果可能是主观的。“测量问题的一个主要方面是……观察到的事件不是绝对的，”牛津大学的尼古拉斯·奥姆罗德说。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来看可能是正面，而从另一个角度来看可能是反面。
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但是，这种表面上存在问题的场景在物理上是可行的，还是仅仅是我们对量子世界不完全理解的产物？为了应对这些问题，需要更好地理解可能出现测量问题的理论——这正是奥姆罗德与苏黎世联邦理工学院的维拉西尼·文卡特什和牛津大学的乔纳森·巴雷特现在所取得的成就。在一个最近的预印本中，三人组证明了一个定理，该定理表明了为什么某些理论（例如量子力学）首先会遇到测量问题，以及如何开发替代理论来规避它，从而保留任何观察到的事件的“绝对性”。例如，这样的理论将消除一个观察者看到正面而另一个观察者看到反面的抛硬币的可能性。
但他们的工作也表明，保持这种绝对性是有代价的，许多物理学家会认为这种代价令人望而却步。“这证明了解决这个问题没有轻松的方案，”奥姆罗德说。“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。”
奥姆罗德、文卡特什和巴雷特的论文“解决了哪些理论类别与观察到的事件的绝对性不相容的问题——以及在某些理论中，绝对性是否可以与其他期望的属性一起保持，”澳大利亚格里菲斯大学的埃里克·卡瓦尔坎蒂说。（卡瓦尔坎蒂与物理学家霍华德·怀斯曼及其同事在先前的著作中定义了“观察到的事件的绝对性”一词，这些著作为奥姆罗德、文卡特什和巴雷特的研究奠定了一些基础。）
事实证明，坚持观察到的事件的绝对性可能意味着量子世界比我们已知的还要怪异。
问题的核心
要了解奥姆罗德、文卡特什和巴雷特取得的成就，需要速成量子基础知识课程。让我们从考虑我们假设的量子系统开始，该系统在被观察时可能出现正面或反面。
在教科书量子理论中，在坍缩之前，系统被称为处于两种状态的叠加态，这种量子态由称为波函数的数学结构描述，波函数在时间和空间中演化。这种演化既是确定性的又是可逆的：给定一个初始波函数，人们可以预测它在未来的某个时刻会是什么，原则上人们可以反向运行演化以恢复先前的状态。然而，测量波函数会导致它在数学上发生坍缩，这样在我们示例中的系统就会显示为正面或反面。
这种诱导坍缩的过程是测量问题的模糊根源：这是一个不可逆的、一次性的事件——甚至没有人知道是什么定义了测量的过程或边界。“测量”或“观察者”意味着什么？这两者是否都具有物理约束，例如最小或最大尺寸？它们也必须服从各种棘手的量子效应，还是可以在某种程度上认为它们不受此类复杂情况的影响？这些问题都没有简单、一致的答案——但理论家们并不缺乏提出的解决方案。
鉴于示例系统，一种保留观察到的事件的绝对性的模型——意味着对于所有观察者来说，要么是正面，要么是反面——是吉拉迪-里米尼-韦伯理论（GRW）。在 GRW 中，量子系统可以以状态叠加存在，直到它们达到某个尚未确定的尺寸，此时叠加会自发且随机地坍缩，与观察者无关。无论结果如何——在我们示例中是正面还是反面——它都适用于所有观察者。
但是 GRW 属于更广泛的“自发坍缩”理论类别，似乎违反了一项长期以来珍视的物理原理：信息的保存。正如一本烧毁的书原则上可以通过从灰烬中重新组装书页来阅读一样（为简单起见，忽略燃烧的书籍最初发射的热辐射），信息的保存意味着量子系统随时间的演化应该使其先前的状态可以被知晓。通过假设随机坍缩，GRW 理论破坏了知道导致坍缩状态的原因的可能性——根据大多数说法，这意味着关于系统在转换之前的信息变得不可挽回地丢失了。“[GRW] 将是一个放弃信息保存的模型，从而保留事件的绝对性，”文卡特什说。
允许观察到的事件的非绝对性的一个反例是量子力学的“多世界”解释。在这种观点中，我们的示例波函数将分支成多个同时存在的现实，这样在一个“世界”中，系统将出现正面，而在另一个世界中，它将是反面。在这种概念中，没有坍缩。“因此，发生的事情的问题不是绝对的；它相对于一个世界，”奥姆罗德说。当然，在试图避免坍缩引起的测量问题时，多世界解释引入了令人麻木的波函数分支和量子道路上每个岔路口的世界的失控扩散——对于许多人来说，这是一个令人不快的场景。
尽管如此，多世界解释是所谓的视角理论的一个例子，其中测量的结果取决于观察者的视角。
现实的关键方面
为了证明他们的定理而又不陷入任何特定的理论或解释（无论是量子力学的还是其他的），奥姆罗德、文卡特什和巴雷特专注于遵守三个重要属性的视角理论。同样，我们需要一些毅力来掌握这些属性的重要性，并欣赏研究人员证明的相当深刻的结果。
第一个属性称为贝尔非定域性 (B)。它最初由物理学家约翰·贝尔在 1964 年以一个同名定理确定，并且已被证明是我们物理现实中无可争议的经验事实。假设爱丽丝和鲍勃每个人都可以访问一对粒子中的一个，这对粒子由一个单一状态描述。爱丽丝和鲍勃分别对他们的粒子进行单独的测量，并对许多类似制备的粒子对执行此操作。爱丽丝自由且独立于鲍勃选择她的测量类型，反之亦然。爱丽丝和鲍勃凭自由意志选择他们的测量设置是一个重要的假设。然后，当他们最终比较笔记时，两人会发现他们的测量结果以一种方式相关联，这意味着两个粒子的状态是不可分的：了解一个粒子的状态会告诉你关于另一个粒子的状态。可以解释这种相关性的理论被称为贝尔非定域理论。
第二个属性是信息的保存 (I)。显示确定性和可逆演化的量子系统满足此条件。但要求更笼统。想象一下你今天穿着一件绿色毛衣。在信息保存理论中，原则上，即使没有人看到你穿它，10 年后仍然有可能检索到你的毛衣的颜色。但是，“如果世界不是信息保存的，那么可能在 10 年后，根本无法找出我穿的毛衣是什么颜色的，”奥姆罗德说。
第三个属性称为局域动力学 (L)。考虑时空两个区域中的两个事件。如果存在一个参考系，其中两个事件看起来是同时发生的，则这两个空间区域被称为“类空间隔开”。局域动力学意味着一个区域中系统的变换不能以快于光速的速度因果影响另一个区域中系统的变换，反之亦然，其中变换是获取一组输入状态并产生一组输出状态的任何操作。每个子系统都经历了自己的变换，整个系统也是如此。如果动力学是局域的，则完整系统的变换可以分解为各个部分的变换：动力学被称为可分离的。“局域动力学[约束]确保你没有以某种方式伪造贝尔[非定域性]，”文卡特什说。
在量子理论中，变换可以分解为它们的组成部分。“因此，量子理论在动力学上是可分离的，”奥姆罗德说。相反，当两个粒子共享一个贝尔非定域状态时（也就是说，当两个粒子根据量子理论纠缠在一起时），该状态被称为不可分离为两个粒子的各个状态。如果变换的行为类似，全局变换无法用各个子系统的变换来描述，那么整个系统在动力学上将是不可分离的。
所有部分都已就位，可以理解三人组的结果。奥姆罗德、文卡特什和巴雷特的工作归结为对“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复杂分析。想象一下，爱丽丝和鲍勃各自在自己的实验室中，对一对粒子中的一个进行测量。爱丽丝和鲍勃各自进行一次测量，并且都进行完全相同的测量。例如，他们可能都测量了粒子在上下方向上的自旋。
从外部观察爱丽丝和鲍勃及其实验室的是查理和丹妮拉。原则上，查理和丹妮拉应该能够测量相同粒子的自旋，例如，在左右方向上。在信息保存理论中，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例。例如，查理将爱丽丝、她的实验室和她进行的测量视为一个受确定性、可逆演化支配的系统。假设他对整个系统具有完全控制权，查理可以逆转该过程，使粒子恢复到其原始状态（就像一本烧毁的书籍从灰烬中重构一样）。丹妮拉对鲍勃和他的实验室做同样的事情。现在查理和丹妮拉各自在左右方向上对他们的粒子进行不同的测量。
使用这种情况，该团队证明了任何 BIL 理论对四位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 理论都存在测量问题，”奥姆罗德说。
选择你的毒药
这让物理学家陷入了令人不快的僵局：要么接受观察到的事件的非绝对性，要么放弃 BIL 理论的假设之一。
文卡特什认为，放弃观察到的事件的绝对性是有一定道理的。毕竟，她说，物理学成功地从僵化的牛顿框架过渡到更细致和流畅的爱因斯坦现实描述。“我们不得不调整一些我们认为绝对的概念。对于牛顿来说，空间和时间是绝对的，”文卡特什说。但在阿尔伯特·爱因斯坦的宇宙概念中，空间和时间是一体的，而这个单一的时空不是绝对的东西，而是可以以不符合牛顿思维方式的方式弯曲。
另一方面，依赖于观察者的视角理论会产生自身的问题。最突出的是，如果两个观察者无法就测量结果达成一致，那么如何在理论的范围内进行科学研究？“如果我们在观察到的事件的预测方面没有达成一致，并且我们将这些事件视为绝对的，那么科学是否能以[它]应该工作的方式工作，这是不清楚的，”奥姆罗德说。
因此，如果有人坚持观察到的事件的绝对性，那么就必须放弃一些东西。它不会是贝尔非定域性或信息的保存：前者具有坚实的经验基础，后者被认为是任何现实理论的重要方面。焦点转移到局域动力学——特别是动力学可分离性。
动力学可分离性“有点像还原论的假设，”奥姆罗德说。“你可以用这些小碎片来解释大的东西。”
保留观察到的事件的绝对性可能意味着这种还原论不成立：就像贝尔非定域状态无法简化为某些组成状态一样，系统的动力学也可能是类似的整体论，为宇宙增加另一种非定域性。重要的是，放弃它并不会导致理论违反爱因斯坦的相对论，就像物理学家认为贝尔非定域性不需要超光速或非定域因果影响，而仅仅是非定域状态一样。
“也许贝尔的教训是遥远粒子的状态是不可分割地联系在一起的，而新的……定理的教训是它们的动力学也是如此，”奥姆罗德、文卡特什和巴雷特在他们的论文中写道。
“我非常喜欢拒绝动力学可分离性的想法，因为如果它奏效，那么……我们可以鱼与熊掌兼得，”奥姆罗德说。“我们可以继续相信我们认为关于世界的最基本的东西：相对论是真实的，信息是保存的，以及诸如此类的东西。但我们也可以相信观察到的事件的绝对性。”
杰弗里·巴布，物理哲学教授和马里兰大学帕克分校的荣誉退休教授，如果这意味着生活在一个客观的宇宙中，他愿意吞下一些苦药。“我希望坚持观察到的事件的绝对性，”他说。“在我看来，仅仅因为量子力学中的测量问题就放弃这一点似乎是荒谬的。”为此，巴布认为，动力学不可分离的宇宙并不是一个坏主意。“我想我暂时同意作者的观点，即[动力学]非可分离性是最不令人反感的选择，”他说。
问题是，没有人知道如何构建一个拒绝动力学可分离性的理论——假设即使有可能构建——同时又坚持信息的保存和贝尔非定域性等其他属性。
更深刻的非定域性
格里菲斯大学的霍华德·怀斯曼被认为是此类理论思考的奠基人，他赞赏奥姆罗德、文卡特什和巴雷特努力证明一个适用于量子力学但不特定于量子力学的定理。“他们朝着这个方向推进是很不错的，”他说。“我们可以更普遍地说一些事情，而无需提及量子力学。”
他指出，分析中使用的思想实验不需要爱丽丝、鲍勃、查理和丹妮拉做出任何选择——他们总是进行相同的测量。因此，用于证明该定理的假设并没有明确包含关于自由选择的假设，因为没有人行使这种选择。通常，假设越少，证明越强，但这里可能并非如此，怀斯曼说。这是因为第一个假设——理论必须适应贝尔非定域性——要求代理人拥有自由意志。对贝尔非定域性的任何经验测试都涉及爱丽丝和鲍勃凭自己的自由意志选择他们进行的测量类型。因此，如果一个理论是贝尔非定域的，它就隐含地承认了实验者的自由意志。“我怀疑他们是在偷偷摸摸地引入自由选择的假设，”怀斯曼说。
这并不是说证明较弱。相反，如果它不需要自由意志的假设，它会更强大。碰巧的是，自由意志仍然是一个要求。鉴于此，该定理最深刻的意义可能是宇宙以一种全新的方式是非定域的。如果是这样，这种非定域性将与贝尔非定域性相当或与之匹敌，对贝尔非定域性的理解为量子通信和量子密码学铺平了道路。任何人都可以猜测，动力学非可分离性暗示的一种新型非定域性对我们理解宇宙意味着什么。
最终，只有实验才能指出通往正确理论的道路，量子物理学家只能为任何可能性做好准备。“无论人们对哪种[理论]更好有何个人看法，所有理论都必须探索，”文卡特什说。“最终，我们将不得不关注我们可以进行的实验。可能是一种方式或另一种方式，做好准备是好事。”