同时处于活着和死亡状态是什么感觉？
这个问题在 20 世纪 60 年代困扰并启发了匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳。他对量子力学（支配微观领域的理论）的变幻莫测所引起的悖论感到沮丧。量子力学表明，在观察量子系统之前，它不一定具有确定的属性，这只是众多违反直觉的事情之一。以他的物理学家同事埃尔温·薛定谔著名的思想实验为例，其中一只猫被困在一个盒子里，如果放射性原子衰变，就会释放毒药。放射性是一个量子过程，因此在打开盒子之前，故事是这样的，原子既衰变了，又没有衰变，这使得不幸的猫处于悬而未决的状态——所谓的生死叠加。但猫会体验到处于叠加态吗？
维格纳通过想象他的一位（人类）朋友被关在实验室里测量一个量子系统，加剧了这种悖论。他认为，除非维格纳打开实验室的门，否则说他的朋友处于既看到衰变又没有看到衰变的叠加态是荒谬的。“‘维格纳的朋友’思想实验表明，如果观察者也被观察，事情可能会变得非常奇怪，”澳大利亚布里斯班格里菲斯大学的量子物理学家诺拉·蒂施勒说。
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现在，蒂施勒和她的同事们进行了一个版本的维格纳的朋友测试。通过将经典思想实验与另一个称为量子纠缠的量子难题（一种将粒子跨越遥远距离连接起来的现象）相结合，他们还推导出了一个新的定理，他们声称该定理对现实的根本性质施加了迄今为止最强的约束。他们的研究于 8 月 17 日发表在《自然物理学》杂志上，对意识可能在量子物理学中发挥的作用，甚至量子理论是否必须被取代都具有影响。
多伦多大学的量子物理学家埃夫拉姆·斯坦伯格说，这项新工作是“实验形而上学领域向前迈出的重要一步”，他没有参与这项研究。“这是一个巨大的研究计划的开始，我对此充满期待。”
品味问题
在 20 世纪 20 年代量子物理学出现之前，物理学家期望他们的理论是确定性的，能够确定地预测实验结果。但量子理论似乎本质上是概率性的。教科书版本——有时称为哥本哈根解释——认为，在测量系统的属性之前，它们可以包含无数的值。只有当系统被观察时，这种叠加才会坍缩成单一状态，物理学家永远无法精确预测该状态会是什么。维格纳当时流行的观点是，意识以某种方式触发了叠加的坍缩。因此，他假设的朋友在进行测量时会辨别出一个确定的结果——而维格纳永远不会看到她或他处于叠加态。
这种观点后来失宠。“量子力学基础领域的人们迅速驳斥了维格纳的观点，认为它既怪异又不明确，因为它使观察者变得特殊，”纽约大学的哲学家和认知科学家大卫·查尔默斯说。如今，大多数物理学家都同意，无生命的物体可以通过称为退相干的过程将量子系统从叠加态中击出。当然，试图在实验室中操纵复杂量子叠加的研究人员可能会发现他们的辛勤工作被快速移动的空气粒子与他们的系统碰撞而破坏。因此，他们在超低温下进行测试，并尝试将他们的设备与振动隔离。
几十年来，出现了几种相互竞争的量子解释，它们采用了不太神秘的机制，例如退相干，来解释叠加如何分解而无需调用意识。其他解释则持有更激进的立场，即根本没有坍缩。每种解释都对维格纳的测试有其自身奇怪而奇妙的看法。最奇异的是“多世界”观点，它认为，每当您进行量子测量时，现实就会分裂，创造出平行宇宙来容纳每种可能的结果。因此，维格纳的朋友会分裂成两个副本，并且“凭借足够好的超级技术”，他确实可以从实验室外测量到这个人处于叠加态，特拉维夫大学的量子物理学家和多世界爱好者莱夫·维德曼说。
另一种“玻姆”理论（以物理学家大卫·玻姆命名）认为，在基本层面上，量子系统确实具有确定的属性；我们只是对这些系统了解得不够，无法精确预测它们的行为。在这种情况下，朋友有一个单一的体验，但维格纳仍然可能因为他自己的无知而测量到该个体处于叠加态。相比之下，一个名为 QBism 解释的新来者全心全意地接受量子理论的概率元素（QBism，发音为“cubism”，实际上是量子贝叶斯主义的缩写，指的是 18 世纪数学家托马斯·贝叶斯关于概率的工作。）QBists 认为，一个人只能使用量子力学来计算如何校准他对在实验中将要测量的东西的信念。“测量结果必须被视为对进行测量的代理人是私人的，”伦敦大学皇家霍洛威学院的鲁迪格·沙克说，他是 QBism 的创始人之一。根据 QBism 的原则，量子理论不能告诉您任何关于现实的潜在状态的信息，维格纳也不能使用它来推测他朋友的经历。
另一种有趣的解释，称为逆因果关系，允许未来的事件影响过去。“在逆因果关系的解释中，维格纳的朋友绝对会体验到某些东西，”圣何塞州立大学的物理学家肯·沃顿说，他是这种时间扭曲观点的倡导者。但朋友在测量点体验到的“某些东西”可能取决于维格纳稍后如何观察此人的选择。
问题在于，每种解释在预测量子测试的结果方面都同样好——或坏——因此，在它们之间进行选择取决于品味。“没有人知道解决方案是什么，”斯坦伯格说。“我们甚至不知道我们拥有的潜在解决方案列表是否详尽。”
其他模型，称为坍缩理论，确实做出了可测试的预测。这些模型附加了一种机制，当量子系统变得太大时，会强制其坍缩——解释了为什么猫、人和其他宏观物体不能处于叠加态。正在进行实验以寻找此类坍缩的迹象，但到目前为止，他们尚未发现任何东西。量子物理学家也在将越来越大的物体置于叠加态：去年，维也纳的一个团队报告说，他们用一个 2,000 个原子的分子做到了这一点。大多数量子解释都认为，只要研究人员能够在原始的实验室条件下设计出正确的实验，以便避免退相干，那么这些扩大叠加态的努力就没有理由不永远向上继续。然而，坍缩理论假设，无论实验准备得多么仔细，有一天都会达到极限。“如果你尝试操纵一个经典的观察者——例如人——并将其视为量子系统，它会立即坍缩，”意大利的里雅斯特大学的量子物理学家和坍缩理论的支持者安杰洛·巴斯说。
观察维格纳朋友的方法
蒂施勒和她的同事们认为，分析和执行维格纳的朋友实验可以阐明量子理论的局限性。他们受到新一波理论和实验论文的启发，这些论文通过将纠缠引入维格纳的经典设置来研究观察者在量子理论中的作用。假设您取两个光粒子，或光子，它们被极化，因此它们可以水平或垂直振动。光子也可以置于同时水平和垂直振动的叠加态，就像薛定谔的悖论猫在被观察之前可以同时处于活着和死亡状态一样。
这种光子对可以一起制备——纠缠——因此当观察到它们时，它们的极化总是被发现处于相反的方向。这似乎并不奇怪——除非您记住这些属性在被测量之前是固定的。即使一个光子被给予了澳大利亚的物理学家艾丽斯，而另一个光子被运送到她在维也纳实验室的同事鲍勃，纠缠也确保一旦艾丽斯观察到她的光子，例如，发现它的极化是水平的，鲍勃的光子的极化立即同步到垂直振动。由于这两个光子似乎以比光速更快的速度进行通信——这违反了爱因斯坦的相对论——这种现象深深地困扰着阿尔伯特·爱因斯坦，他称之为“幽灵般的超距作用”。
这些担忧仍然是理论性的，直到 20 世纪 60 年代，物理学家约翰·贝尔设计了一种方法来测试现实是否真的具有幽灵般的性质——或者纠缠伙伴之间的相关性背后是否可能存在更平凡的解释。贝尔设想了一种常识理论，该理论是局域的——也就是说，影响不能在粒子之间瞬间传播。它也是确定性的而不是本质上是概率性的，因此原则上可以确定地预测实验结果，前提是物理学家对系统的隐藏属性有更多的了解。它是现实的，对于量子理论家来说，这意味着即使没有人观察系统，系统也会具有这些确定的属性。然后，贝尔计算了这种局域、确定性和现实理论可以支持的一系列纠缠粒子之间的最大相关性水平。如果在实验中违反了该阈值，则该理论背后的一个假设必定是错误的。
自那时以来，已经进行了这种“贝尔测试”，并在 2015 年进行了一系列严谨的版本，它们证实了现实的幽灵般的性质。“量子基础是贝尔[定理]真正开始实验的领域——现在已经超过 50 年了。我们花了很多时间重新实施这些实验，并讨论它们的含义，”斯坦伯格说。“人们能够提出超越贝尔的新测试是非常罕见的。”
布里斯班团队的目标是推导出并测试一个新的定理，该定理将做到这一点，对现实的性质提供更严格的约束——“局域友善性”界限。与贝尔的理论一样，研究人员的假想理论也是局域的。他们还明确禁止“超决定论”——也就是说，他们坚持认为实验者可以自由选择测量什么，而不会受到未来或遥远过去事件的影响。（贝尔也隐含地假设实验者可以做出自由选择。）最后，该团队规定，当观察者进行测量时，结果是世界上的一个真实的、单一的事件——它不相对于任何人或任何事物。
测试局域友善性需要一个巧妙的设置，包括两个“超级观察者”艾丽斯和鲍勃（他们扮演维格纳的角色），观察他们的朋友查理和黛比。艾丽斯和鲍勃各自都有自己的干涉仪——一种用于操纵光子束的装置。在被测量之前，光子的极化处于水平和垂直叠加的状态。制备成对的纠缠光子，这样如果测量到一个光子的极化是水平的，那么它的伙伴的极化应该立即翻转为垂直的。来自每对纠缠光子的一个光子被发送到艾丽斯的干涉仪中，它的伙伴被发送到鲍勃的干涉仪中。查理和黛比实际上并不是这个测试中的人类朋友。相反，它们是每个干涉仪前端的光束位移器。当艾丽斯的光子击中位移器时，它的极化实际上被测量了，并且它根据它突然进入的极化方向向左或向右偏转。这个动作扮演了艾丽斯的朋友查理“测量”极化的角色。（黛比也同样位于鲍勃的干涉仪中。）
然后艾丽斯必须做出选择：她可以立即测量光子新的偏离路径，这相当于打开实验室的门并询问查理他看到了什么。或者她可以让光子继续它的旅程，穿过第二个光束位移器，该位移器重新组合左右路径——相当于保持实验室的门关闭。然后艾丽斯可以直接测量她的光子离开干涉仪时的极化。在整个实验过程中，艾丽斯和鲍勃独立选择做出哪些测量选择，然后比较笔记以计算在一系列纠缠对中看到的相关性。
蒂施勒和她的同事们进行了 90,000 次实验。正如预期的那样，相关性违反了贝尔的原始界限——并且至关重要的是，它们也违反了新的局域友善性阈值。该团队还可以修改设置，通过在光子对中的一个光子进入其干涉仪之前使其绕道而行，轻轻地扰乱伙伴之间完美的和谐，从而降低光子之间纠缠的程度。当研究人员在纠缠程度略低的情况下运行实验时，他们发现一个点，在该点相关性仍然违反了贝尔的界限，但没有违反局域友善性。蒂施勒说，这个结果证明了两组界限不是等价的，并且新的局域友善性约束更强。“如果你违反了它们，你就会更多地了解现实，”她补充道。也就是说，如果你的理论说“朋友”可以被视为量子系统，那么你必须要么放弃局域性，要么接受测量没有观察者必须同意的单一结果，要么允许超决定论。这些选项中的每一个都具有深刻的——并且对于某些物理学家来说，非常令人厌恶的——含义。
重新审视现实
“这篇论文是一项重要的哲学研究，”纽约市量子计算公司 Turing 的联合创始人米歇尔·赖利说，他没有参与这项工作。她指出，研究量子基础的物理学家经常努力提出可行的测试来支持他们的大想法。“我很高兴看到哲学研究背后的实验，”赖利说。斯坦伯格称该实验“非常优雅”，并赞扬该团队正面解决了观察者在测量中的作用之谜。
尽管量子力学迫使我们放弃一个常识性假设并不令人意外——物理学家从贝尔那里就知道了这一点——但“这里的进步在于我们正在缩小范围，确定是哪些假设，”沃顿说，他也没有参与这项研究。不过，他指出，大多数量子解释的支持者不会因此失眠。逆因果关系的支持者，例如他自己，已经与超决定论达成了和解：在他们看来，未来测量影响过去结果并不令人震惊。与此同时，QBists 和多世界拥护者很久以前就抛弃了量子力学规定每个观察者都必须同意的单一结果的要求。
玻姆力学和自发坍缩模型都已经在响应贝尔时愉快地放弃了局域性。此外，坍缩模型认为，真正的宏观朋友首先不能作为量子系统来操纵。
维德曼也没有参与这项新工作，但他对此不太热情，并批评将维格纳的朋友等同于光子。论文中使用的方法“荒谬；朋友必须是宏观的，”他说。纽约大学的物理学哲学家蒂姆·莫德林没有参与这项研究，他也同意。“没有人认为光子是观察者，除非你是泛灵论者，”他说。由于没有物理学家质疑光子是否可以置于叠加态，莫德林认为该实验缺乏力度。“它排除了一些东西——只是排除了一些没有人提出过的东西，”他说。
蒂施勒接受了批评。“我们不想过分夸大我们所做的事情，”她说。格里菲斯大学的物理学家、团队成员霍华德·怀斯曼补充说，未来实验的关键将是扩大“朋友”的规模。他说，最引人注目的结果将涉及使用人工智能，体现在量子计算机上，作为朋友。怀斯曼指出，一些哲学家推测，这种机器可能具有类似人类的体验，这种立场被称为强人工智能假设，尽管目前尚无人知晓这种想法是否会成真。但如果该假设成立，那么这种基于量子的通用人工智能 (AGI) 将是微观的。因此，从自发坍缩模型的角度来看，它不会因其大小而触发坍缩。如果进行这样的测试，并且没有违反局域友善性界限，那么该结果将暗示 AGI 的意识不能置于叠加态。反过来，这个结论将表明维格纳关于意识导致坍缩的观点是正确的。“我不认为我会活着看到这样的实验，”怀斯曼说。“但这将是革命性的。”
然而，赖利警告说，希望未来 AGI 能够帮助他们找到现实的基本描述的物理学家是本末倒置。“对我来说，量子计算机很可能会成为通往 AGI 的范式转变，”她说。“最终，我们需要一个万物理论才能在量子计算机上构建 AGI，句号，到此为止。”
这个要求可能会排除更宏大的计划。但该团队还提出了更适度的中间测试，涉及机器学习系统作为朋友，这吸引了斯坦伯格。他说，这种方法“有趣且具有启发性”。“越来越有可能以量子方式测量更大规模的计算设备。”
苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 的量子物理学家雷纳托·伦纳提出了更强烈的说法：他说，无论未来是否可以进行实验，新定理都告诉我们，量子力学需要被取代。2018 年，伦纳和他在苏黎世联邦理工学院的同事丹妮拉·弗劳奇格发表了一个基于维格纳的朋友的思想实验，并用它来推导出一个新的悖论。他们的设置与布里斯班团队的设置不同，但也涉及四个观察者，他们的测量结果可能会纠缠在一起。伦纳和弗劳奇格计算出，如果观察者彼此应用量子定律，他们最终可能会在同一个实验中推断出不同的结果。
“这篇新论文再次证实，我们当前的量子理论存在问题，”伦纳说，他没有参与这项工作。他认为，今天的量子解释都无法摆脱所谓的弗劳奇格-伦纳悖论，除非支持者承认他们不在乎量子理论是否给出一致的结果。伦纳说，QBists 提供了最令人满意的逃脱手段，因为从一开始，他们就说量子理论不能用于推断其他观察者将测量什么。“但这仍然让我担心：如果一切都只是我个人的，那我怎么能对你说任何相关的事情呢？”他补充道。伦纳现在正在研究一种新的理论，该理论提供了一组数学规则，允许一个观察者计算出另一个观察者应该在量子实验中看到什么。
尽管如此，那些坚信自己最喜欢的解释是正确的人认为蒂施勒的研究没有什么价值。“如果你认为量子力学是不健康的，并且需要被取代，那么这是有用的，因为它告诉你新的约束，”维德曼说。“但我不同意这是事实——多世界解释了一切。”
目前，物理学家将不得不继续同意对哪种解释最好或是否需要全新的理论持有不同意见。“这就是我们在 20 世纪初结束的地方——我们真的对此感到困惑，”赖利说。“但这些研究正是思考这个问题应该做的正确事情。”
免责声明：作者经常为基础问题研究所撰稿，该研究所赞助物理学和宇宙学研究，并为布里斯班团队的研究提供部分资金。