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多个平行现实其实可以同时存在?科学家:不过是在量子尺度上

2019-03-22 19:01 前瞻网   

 

多个平行现实其实可以同时存在?科学家:不过是在量子尺度上

现实的两个版本能同时存在吗?物理学家们说可以——但是是在量子水平上。

为了回答一个已经存在了几十年的理论物理学问题,研究人员最近进行了一些实验。这个棘手的思维实验假设有两个人观察同一个光子,这两个人可以对光子的状态得出不同的结论——然而他们的两个人观察结果都是正确的。

科学家们有史以来首次在现实生活中重现了思维实验中描述的条件。他们的研究结果发表在2月13日的预印本杂志arXiv上,研究证实,即使两个观察者对同一个光子的状态进行了不同的描述,这两个相互矛盾的事实描述可能都是真实的。

奥地利因斯布鲁克大学实验物理系博士后Martin Ringbauer说:“你可以验证这两种说法。”

维格纳的朋友

这个令人困惑的思想实验是1963年诺贝尔物理学奖得主尤金·维格纳的主意。1961年,维格纳提出了一个思想实验,这个实验后来被称为“维格纳的朋友”。它始于光子(光的粒子),当处于一个独立实验室的观察者在测量光子时,他们发现粒子的偏振——它的旋转轴——要么是垂直的,要么是水平的。

然而,在光子被测量之前,光子同时显示出两种偏振,这是由量子力学定律决定的,它存在于两种可能状态的“叠加状态”中。

一旦实验室里的人对光子进行测量,光子就会呈现出固定的偏振,但是对于那些在封闭实验室之外、还尚未知道测量结果的人来说,未测量的光子仍然处于叠加状态。

因此,实验室以外的人的观察——他们所观察到的现实——与在实验室中测量光子的人所观察到的现实有所不同。然而,根据量子力学,这两种相互矛盾的观测结果都是正确的。

改变状态

几十年来,维格纳提出的这个烧脑想法只是一个有趣的思维实验。但近年来,物理学的重大进展终于使专家们能够对维格纳的想法进行测试,Ringbauer说。

“为了可以以一种可测试的方式来表述这个问题,我们需要在理论上获得进步。而在实验方面,我们也需要在量子系统控制方面获得发展才能做这样的实验,”他解释道。

Ringbauer和他的同事们用了一个更加严格的实验来验证维格纳的原始想法,这个实验将原来想法中的设置翻了一倍。他们指定了两个进行实验的“实验室”,并引入了两对量子纠缠的光子,这意味着它们的命运是相连的,所以知道其中一个光子的状态就自然知道另一个光子的状态。(装置中的光子是真实的,实验中的“四个人”——“爱丽丝”、“鲍勃”和他们两个各自的“朋友”——都不是真实存在的,只是作为实验的观察者。)

爱丽丝和鲍勃的两个朋友分别位于各自实验室的“内部”,他们每人测量了一对量子纠缠光子中的一个,这就打破了光子对之间的纠缠状态,使光子叠加状态坍塌,这意味着他们测量的光子曾经处于一定的偏振状态。他们将这些结果记录在了量子存储器中——复制到第二个光子的偏振中。

而在封闭的实验室之外的爱丽丝和鲍勃则被要求做出两种选择来进行自己的观察。第一,他们可以测量朋友们存储在量子存储器中的结果,从而得出关于偏振光子的相同结论。

第二,他们也可以在量子纠缠光子之间进行自己的实验。在这个干扰实验中,如果光子以波的形式运动并且仍然处于叠加状态的话,爱丽丝和鲍勃就会看到高峰和低谷的光波会相加或彼此抵消,造成明暗条纹的特征模式。如果这些粒子“选择”了它们的状态的话,你会看到这些粒子会显示出与它们没有“选择”时不同的模式。维格纳此前曾提出,这将揭示光子仍然处于量子纠缠状态。

这项新研究的作者发现,即使在他们的双重实验设置下,维格纳所描述的结果仍然成立。根据这项研究,爱丽丝和鲍勃可以得出关于光子的正确和可证结论,并且这些结论与他们朋友的观测结果不同(虽然他们朋友的结论也是正确和可证的)。

量子力学描述了世界在如此小的尺度下是如何运作的,这个尺度非常小,以至于物理学的常规规则都不再适用;Ringbauer说,几十年来,研究这一领域的专家对这一现象的含义给出过多种解释。

然而,如果测量本身并不是绝对的话(与这些新发现所表明的一样),那量子力学的意义就受到挑战了。

Ringbauer说:“与经典物理学相比,量子力学的测量结果似乎不能被认为是绝对的事实,对于这些测量结果,我们必须相对于进行测量的观察者来进行理解。”

“我们的量子力学必须适应这一点,”他说。

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责任编辑: 3976DBC

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