在世界上最著名的思想实验中，物理学家埃尔温·薛定谔描述了一只盒子里的猫可能处于不确定的困境。量子理论的特殊规则意味着它可以既是死的又是活的，直到盒子被打开并测量了猫的状态。现在，两位物理学家设计了一个现代版本的悖论，用一位做实验的物理学家取代了猫——这带来了令人震惊的含义。
量子理论有着悠久的思想实验历史，在大多数情况下，这些实验被用来指出量子力学各种解释中的弱点。但是最新的版本，涉及多位参与者，却是不寻常的：它表明，如果量子力学的标准解释是正确的，那么不同的实验者可能会对盒子里的物理学家测量到的结果得出相反的结论。这意味着量子理论自相矛盾。
这个概念实验在物理学界已经热烈讨论了两年多——并且让大多数研究人员感到困惑，即使在一个习惯了怪异概念的领域也是如此。“我认为这是一个全新的怪异程度，”加利福尼亚州奥兰治市查普曼大学的理论物理学家马修·莱弗说。
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作者是苏黎世瑞士联邦理工学院 (ETH) 的 Daniela Frauchiger 和 Renato Renner，他们在 2016 年 4 月在线发布了该论点的第一个版本。最终论文发表在 9 月 18 日的《自然通讯》上。（Frauchiger 现在已经离开了学术界。）
怪异的世界
量子力学是几乎所有现代物理学的基础，解释了从原子结构到磁铁为何相互粘附的一切。但它的概念基础仍然让研究人员难以找到答案。它的方程无法预测测量的确切结果——例如，电子的位置——只能预测它可以产生特定值的概率。
因此，诸如电子之类的量子物体生活在不确定性的云中，在数学上编码在一个“波函数”中，该波函数平滑地改变形状，很像海中的普通波浪。但是，当测量诸如电子位置之类的属性时，它总是产生一个精确的值（并且如果在测量后立即再次测量，则会再次产生相同的值）。
理解这一点的最常见方式是在 20 世纪 20 年代由量子理论先驱尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡提出的，被称为哥本哈根解释，以玻尔居住的城市命名。它说，观察量子系统的行为使波函数从分散的曲线“坍缩”到单个数据点。
哥本哈根解释留下了一个悬而未决的问题，即为什么不同的规则应该适用于原子的量子世界和实验室测量（以及日常经验）的经典世界。但它也令人放心：尽管量子物体生活在不确定的状态中，但实验观察发生在经典领域，并给出明确的结果。
现在，Frauchiger 和 Renner 正在将物理学家从这种令人安慰的立场中摇醒。他们的理论推理表明，基本的哥本哈根图景——以及其他一些具有基本假设的解释——在内部是不一致的。
盒子里有什么？
他们的 сценарий 比 1935 年提出的薛定谔猫要复杂得多，薛定谔猫生活在一个盒子里，盒子里有一个装置，会根据随机事件（例如原子核的衰变）释放毒药。在那种情况下，猫的状态是不确定的，直到实验者打开盒子并检查它。
1967 年，匈牙利物理学家尤金·维格纳提出了一个悖论版本，其中他用一位物理学家朋友取代了猫和毒药，这位朋友住在一个盒子里，里面有一个测量装置，可以返回两个结果之一，例如硬币显示正面或反面。当维格纳的朋友意识到结果时，波函数是否会坍缩？一种思想流派认为它会，这表明意识在量子领域之外。但是，如果量子力学适用于物理学家，那么她应该处于不确定的状态，该状态结合了两种结果，直到维格纳打开盒子。
Frauchiger 和 Renner 有一个更复杂的版本（参见城镇新猫图形）。他们有两个维格纳，每个人都在一个盒子里对一位物理学家朋友进行实验。两位朋友中的一位（称她为爱丽丝）可以抛硬币，并——利用她对量子物理学的了解——准备一个量子消息发送给另一位朋友（称他为鲍勃）。鲍勃利用他对量子理论的了解，可以检测到爱丽丝的消息并猜测她的抛硬币结果。伦纳说，当两位维格纳打开他们的盒子时，在某些情况下，他们可以肯定地得出硬币落在哪一面的结论——但偶尔他们的结论是不一致的。“一个人说，‘我确定是反面，’另一个人说，‘我确定是正面，’”伦纳说。
ETH 苏黎世的伦纳的同事，理论家莉迪亚·德尔里奥指出，这个实验无法付诸实践，因为它需要维格纳测量他们朋友的所有量子特性，包括读取他们的思想。
然而，让两台量子计算机扮演爱丽丝和鲍勃的角色可能是可行的：该论证的逻辑仅要求他们知道物理学规则并根据规则做出决定，并且原则上可以检测到量子计算机的完整量子态。（伦纳指出，足够复杂的量子计算机尚不存在。）
相互对立的解释
物理学家仍在接受结果的影响。它引发了量子理论基础专家的激烈反应，其中许多人倾向于保护他们心爱的解释。“有些人会情绪激动，”伦纳说。不同的研究人员倾向于得出不同的结论。“大多数人声称，实验表明他们的解释是唯一正确的解释。”
对于莱弗来说，产生不一致的结果不一定是一个决定因素。量子力学的一些解释已经允许现实观点取决于视角。他说，这可能比不得不承认量子理论不适用于人等复杂事物要好。
加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家罗伯特·斯佩肯斯说，摆脱悖论的方法可能隐藏在论证中的一些细微假设中，特别是在爱丽丝和鲍勃之间的交流中。
“在我看来，有很多情况需要将某人的知识纳入考虑范围，这涉及到对他们的知识进行一些翻译。”他说，也许不一致之处在于鲍勃没有正确解释爱丽丝的信息。但他承认，他还没有找到解决方案。
目前，物理学家可能会继续争论。“我认为我们还没有理解这一点，”莱弗说。
本文经许可转载，并于2018 年 9 月 18 日首次发表。