量子力學的新悖論，或許將顛覆你對現實世界的認知

如果森林裡一棵樹倒了，但沒有人聽到它倒下時的聲音。那麼這棵樹倒下時發出聲音了嗎？可能有人會說“沒有”。那如果有人在那裡聽到了樹木倒下的聲音呢？如果你認為這意味著這棵樹倒下發出了聲音，或許你錯了。

量子力學是最基本的科學理論之一，但最近科學家在量子力學中發現了一個新的悖論，它使人們對一些關於物理現實的常識產生了懷疑。
“事實”還是“錯誤”

我們來看三個我們通常認為是正確的“事實”：

• 當一個人看到一個事件發生時，它就真的發生了。
• 人們有可能做出自由選擇，或者至少是統計上的隨機選擇。
• 在一個地方做出的選擇不能立即影響一個遙遠的事件。(物理學家稱之為“局部性”。)
  

這些都是最直觀的想法，不僅普通人相信，物理學家也廣泛地相信這三個事實。但是，最近發表在《自然物理》雜誌上的一篇論文表明，這些不可能同時正確，否則量子力學本身在某種程度上會崩潰。
量子力學

這是量子力學又一次顛覆了我們對現實的認知，自從它誕生起，似乎就顯示出與眾不同。
量子力學理論非常適用於描述微小物體的行為，例如原子或光子，但這些粒子的行為非常奇怪。在很多情況下，量子理論並不能回答諸如“這個粒子現在在哪裡？”相反，它只提供了粒子被觀察時在一個地方被發現的概率。

尼爾斯·波爾

對於一個世紀前該理論的創始人之一尼爾斯·波爾來說，這並不是因為我們缺少信息，而是因為像“位置”這樣的物理屬性在被測量之前並不真正存在。更重要的是，因為粒子的某些特性不可能同時被完全觀察到——比如位置和速度——它們不可能同時真實地存在。而量子理論則可以描述這種奇怪的現象。
但阿爾伯特·愛因斯坦並不這樣認為。在1935年與鮑裡斯·波多爾斯基和內森·羅森合著的一篇文章中，愛因斯坦認為，現實中肯定有量子力學無法描述的東西。

這篇文章認為一對遙遠的粒子可能會處於一種特殊的狀態，現在被稱為“糾纏態”。當在兩個糾纏粒子上測量相同的屬性（比如位置或速度）時，結果是隨機的，但每個粒子的結果之間將存在相關性。例如，一個觀察者在測量第一個粒子的位置時，就可以完美地預測出遠處另外一個粒子的位置，這與玻爾的解釋不同。

然而，在1964年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾發現，如果對這兩種粒子進行更複雜的組合觀測，愛因斯坦的結論就站不住腳了。貝爾表明，如果兩個觀察者隨機而獨立地選擇測量這兩個粒子的一個或另一個屬性，比如位置或速度，所得到的平均測量結果將沒有任何關係。
這聽起來不可思議，但實驗已經最終證明貝爾的結論。對於許多物理學家來說，這是玻爾是正確的證據：物理特性在被測量之前是不存在的。但這提出了一個關鍵問題：“測量”到底有什麼特別之處？
維格納的實驗

1961年，匈牙利裔美國人理論物理學家尤金·維格納設計了一個思維實驗，以展示“測量”這個概念中有什麼特殊之處。他考慮了這樣一種情況：他的朋友進入一個密封的實驗室，對一個量子粒子進行測量，比如說它的位置。

尤金·維格納

然而，維格納注意到，如果他應用量子力學方程從外部描述這種情況，所得到的結果是完全不同的。從維格納的角度來看，他的朋友並沒有測量粒子的真實位置，而是與粒子糾纏在了一起，並被它的不確定性所影響。這與著名的薛定諤的貓相似，這是一個思想實驗，在這個實驗中，一隻貓在盒子裡的命運與一個隨機的量子事件糾纏在一起。
對於維格納來說，這是一個荒謬的結論。相反，他相信，一旦觀察者的意識被捲入其中，這種糾纏就會“崩潰”，從而使朋友的觀察變得明確。但一個問題是：如果維格納錯了呢?
新的實驗

在一個新的研究中，科學家們建立了一個擴展版的維格納的“朋友悖論”，這是由維也納大學的卡斯拉夫·布魯克納首次提出的。在新的假設情景裡，有兩位物理學家（愛麗絲和鮑勃）和自己的朋友（查理和黛比）分別在兩個遙遠的實驗室裡。而查理和黛比現在正在測量一對糾纏粒子，就像貝爾的實驗一樣。

卡斯拉夫·布魯克納

在維格納的論證中，量子力學方程會告訴我們，查理和黛比應該與他們觀測到的粒子糾纏在一起。但是因為這些粒子已經相互纏繞，理論上查理和黛比自己也應該纏繞起來。
在新的實驗中是這樣的：查理和黛比進入他們各自的實驗室，測量他們的粒子。過了一段時間，愛麗絲和鮑勃各自拋硬幣。如果是正面，他們就會開門，問他們的朋友看到了什麼。如果是背面，他們會進行自己單獨的測量。
按照維格納的計算，如果查理與他觀察的粒子糾纏在一起，那這種再次測量總是會給愛麗絲一個積極的結果。然而，在任何實現這種單獨測量的過程中，他們的朋友在實驗室裡的任何觀察記錄不會傳到外部世界。查理或黛比將不記得在實驗室裡看到過任何東西，就像從完全麻醉中醒來一樣。

但我們想問的是，即使查理或黛比不記得在實驗室中的任何觀測結果，這些結果真的發生了嗎？
光子給出的悖論

如果按照正常思維，每個人都看到了他們在實驗室裡測量的真實而獨特的結果，而這與愛麗絲和鮑勃是否打開門無關。而且，愛麗絲和查理所看到的，不應該受到拋硬幣的影響。也就是說，愛麗絲和鮑勃期望看到的結果之間的相關性就會受到限制。

光子實驗裝置

然而一個實驗顯示了會有超越這些限制的相關性。這個實驗使用一對糾纏光子，每個光子由於其“偏振”的特性，會選取設置好的兩個路徑之一通過。路徑的選取可以作為對光子極化的測量，而具體選擇了哪條路徑將作為查理或黛比的觀測結果。
實驗證明，量子力學可以預測這種糾纏的光子的某些特性。
這個實驗的設計是極其簡單的，因此不知道結論是否適合更複雜的觀察者，而且可能永遠無法在真人身上做這個實驗。但或許未來可以利用與人類水平相當的大型量子計算機來進行實驗，也許有一天會有一個結論性的證明。那麼這一切意味著什麼?
如何理解現實？

儘管我們目前還無法完全證明這種理論，或許還需要幾十年的時間，甚至更長。但如果量子力學的這種預測繼續保持下去，這將對我們理解現實有強烈的影響。
首先，一些相關性無法用“物理性質只有在測量時才能被發現”來解釋。而現在，測量結果本身的絕對真實性也受到了質疑。這一結論迫使物理學家不得不直面測量問題：要麼我們今後的研究目標僅僅是小規模的，要麼量子力學就要讓位於所謂的“客觀坍縮理論”，要麼我們開頭的三句話中的一句必須被否定。

德布羅里-波姆理論

有一些其它理論試圖解釋這種現象，像德布羅里-波姆理論，它假設“在一個距離上的動作”可以在宇宙的其他地方產生瞬時效果。然而，這與愛因斯坦的相對論有直接的衝突。
有些人在尋找一種拒絕選擇自由的理論，但他們要麼需要逆因果律（即效果在時間上先於其原因），要麼需要一種被稱為“超決定論”的宿命論形式。
另一種解決矛盾的方法是使愛因斯坦的理論更加相對。對於愛因斯坦來說，不同的觀察者對於事情發生的時間和地點可能會有不同的看法，但是事情的發生是絕對的事實。然而，在一些解釋中，如量子力學詮釋或平行世界理論，事件本身可能只發生相對於一個或多個觀察者：一個人看到一棵倒下的樹，對其他人來說可能這不是事實。

平行世界？

然而所有這一切並不意味著你可以選擇你自己的現實。首先，你可以選擇你問的問題，但是答案是由世界給出的。即使在一個相互干擾的世界裡，當兩個觀察者交流時，他們的現實也會糾纏在一起。這樣，一個共享的現實就會出現。
這意味著，如果我們都看到了同一棵樹倒下，而你卻說你沒有聽到任何聲音，而現實世界的解決方法是：你需要一個助聽器。