Question

量子力学能证明现实不存在吗？

Answer 1

物理学家已经证明，客观现实并不存在。据说，这是一种源自量子力学的见解。不仅如此，它还被实验证实了。这是真的吗？如何用量子力学实验证明现实不存在？

故事始于1961年匈牙利物理学家尤金·维格纳。维格纳是第二代量子物理学家的一员，在那个时代，量子力学的数学基础已经确定并被实验证实。当时，物理学家们开始转向研究量子场论，最终产生了标准模型。但他们仍然无法理解在量子力学中进行测量意味着什么。

量子力学的工作方式是，一切都用波函数来描述，通常用希腊字母ψ来表示。波函数随时间的变化由薛定谔方程给出，但是波函数本身是不可测量的。相反，从波函数可以计算出测量结果的概率。例如，量子力学可能会预测一个粒子击中屏幕左侧或右侧的概率为50%。在粒子撞击屏幕之前，它处于这两种状态的“叠加”状态，这意味着它既不在这里也不在那里。但是一旦你测量了粒子，你就有100%的概率知道它在哪里。这意味着在测量之后，你必须更新波函数，这种更新也被称为波函数的“坍缩”。什么是测量？量子力学不会告诉你，这就是问题所在。

维格纳用一个思想实验来说明这个问题，这个实验现在被称为“维格纳的朋友”。假设维格纳的朋友Alice在实验室里做粒子撞击屏幕实验，而维格纳在实验室外等候。在实验室内，粒子以50%的概率击中屏幕的左或右。当Alice测量粒子时，波函数会坍缩，它要么向左要么向右。然后她打开实验室门，告诉维格纳她测量到了什么。

但维格纳会如何描述这个实验呢？只有当他的朋友告诉他时，他才知道粒子是向左还是向右。因此，根据量子力学，维格纳必须假设在他知道发生了什么之前，Alice处于两种状态的叠加状态。但Alice明确知道粒子撞向哪边，对她来说她的测量结果从来都不是叠加的，而对于维格纳来说却是叠加的。所以他们对发生的事意见不一致，现实似乎是主观的。

现在，我们需要明确什么物理过程构成测量，否则预测当然是模棱两可的。一旦指定了测量的含义，Alice要么在她的实验室里进行测量，要么不进行测量，但不会两者同时发生。在一个真实的实验中，而不是一个思想实验中，测量发生在粒子撞击屏幕的时候。因此，Alice当然永远不会处于叠加状态，她和维格纳就客观真实的事物达成了一致。

但是，维格纳还是有所担心，因为在量子力学的标准解释中，波函数的更新不是一个物理过程。这只是一种知识的数学更新，它没有任何物理变化。根据维格纳的说法，如果Alice在物理上没有改变任何东西，那么她自己一定处于叠加状态。

这就是1960年代提出的“维格纳的朋友”。我们无法通过实验验证这一点，但在2016年，Daniela Frauchinger和Renato Renner提出了另一个思想实验，使物理学家更接近实验测试，这被称为“扩展维格纳的朋友”。

在这个思想实验中，我们有两个维格纳，每个维格纳都有一个朋友Alice，每个Alice测量一对纠缠粒子中的一个。然后是两个维格纳，每个人都去问他们的朋友关于他们的测量。形式上，这种“询问”只是意味着他们进行了另一种测量。Frauchinger和Renner随后表明，在某些测量结果的组合中，两个Alice无法就测量结果和两个维格纳达成一致。

再一次，对所发生的事情的明显答案是，Alice要么测量了粒子并坍缩了波函数，要么没有，而维格纳在询问之前认为她们处于纠缠态。如果她们做了前者，那么她们就不会纠缠在一起，与维格纳的认识相反。如果他们的测量没有使波函数坍缩，那么两个Alice就纠缠在一起了，这正是维格纳所认为的结果。因此，他们的论文中总结说，量子力学“不能始终如一地描述其自身的用途”，因为如果你是维格纳学派的一员，试图应用量子力学来理解爱丽丝学派如何使用量子力学，你就会遇到麻烦。

Frauchinger-Renner 的论文有点哲学，但在2018年，Caslav brookner从一个有点不同的角度看待这个问题，并得出了“观察者独立事实的禁止定理”。他的公式允许人们使用测量结果中某些相关性的测量来证明，在扩展维格纳的朋友场景中，观察者实际上有彼此不一致的测量结果。如果是这样，在某些情况下就不会有“独立于观察者的事实”，这是所有关于客观现实不存在的说法的起源。

最终，在2019年，来自爱丁堡的一个小组测量了brookner计算出的这些相关性。在这个实验中，两个Alice是光子，两个维格纳是光电探测器。