作为量子力学最闻名的文明符号，薛定谔的猫思维试验显现了经典与量子的差异，直指量子力学诠释的中心问题。它还有一个延伸版别，即维格纳朋友思维试验，其间引入了“认识”问题，但对其定论的解说让量子诠释问题愈加杰出。近年来，物理学家又在维格纳朋友的根底上提出了新的思维试验——作用显现，量子理论自身或许面对应战。
撰文 | 董唯元
“波函数塌缩是人的认识导致的吗？”
“假如观测者是瞎子、动物乃至细菌，波函数也会塌缩吗？”
“仪器记载的作用没被发现就删除了，干涉现象会呈现吗？”
……
国内外问答平台上简直每天都能见到相似的发问。
量子丈量问题
量子理论之所以令人费解，最首要的原因便是物学家们至今仍然没有在量子诠释问题上达到一起、给出明晰图画。而在一切量子诠释的难题中，量子丈量问题又是难中之难。量子理论现已诞生了一百多年了，可是咱们终究该表达了解量子丈量进程，至今仍是个大大的疑团。
按照最传统的哥本哈根诠释，对量子体系进行丈量时，体系的波函数发生塌缩。这种塌缩对错动力学的，是必定意义上的骤变进程。这种穴道其实适当于一种蛮横无理的硬性规定，不只没有对波函数为何会塌缩做出进一步解说，还挤占了其他解说或许存在的空间。
任何真实物理进程，都不该是必定意义上的骤变。当咱们说轿车撞墙后“当即”中止，实践是说减速进程阅历的时间非常短算了。速度随时间改变的函数图画能够非常峻峭，但绝不或许是数学意义上的跳变函数。
相同的道理也应适用于量子体系的演化进程。虽然丈量值呈现的概率对错因果的天降随机，但波函数全体的演化总应该是满意接连的进程，不然物理国际演化进程背面的动力学因果机制恐怕都要遭到应战，咱们就真的能够置疑“物理学不存在了”。
从这个意义上说，哥本哈根诠释至少对量子丈量问题而言，底子就不能算是一种合格的物理诠释。正因如此，自量子力学诞生以来，物理学家们就从来没有中止过各类诠释理论的探究。
不过这些测验并不都是那么的“物理”，冯·诺依曼在1932年为量子理论奠定数学根底结构的时分，就曾提出“认识形成波函数塌缩”的猜想。他的穴道影响了其他一些物理学家，其间最首要的便是奥匈裔美籍物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）。
维格纳和冯·诺依曼是同乡，年纪仅相差了1岁，青年时期就曾协作过多篇论文。1930年两人一起受普林斯顿大学约请赴美，后来又都留在普林斯顿任职，1937年两人又一起加入了美国国籍。
维格纳自己自身是作用累累的尖端物理学家，1963年诺贝尔物理学奖得主。如此长时间亲近的往来，再加上冯·诺依曼在学界如日中天的位置，维格纳在适当长一段时间内都非常认同冯·诺依曼的认识诠释，并且深度参加了相关理论的探究研讨，所以今日也有人将认识诠释称为“冯诺依曼-维格纳诠释”。
维格纳朋友思维试验
1961年，维格纳在一篇题为“Remarks on the Mind-Body Question”的论文中，提出了一个思维试验，这便是闻名的“维格纳的朋友”（Wigner‘s friend）悖论。维格纳期望以此证明，认识的确能够对物理国际发生影响。
这个思维试验能够视为薛定谔的猫思维试验的晋级版，仅仅把装猫的盒子换成了一间与外界完全阻隔的试验室，并将那只傻憨憨的猫换成了一位通晓物理常识的试验科学家。下面咱们用F来代表这位科学家；在试验室外，还站着一位不动手的理论物理学家，咱们用W来代表。
假定试验室全体与外界完全阻隔，F在试验室中对一个处于叠加态的粒子自旋进行丈量，W在试验室外等候音讯。等F反抗试验后，试验室的门会翻开，F与W能够交流信息同步试验作用。
在一切动作开端之前，让W和F先对终究信息同步时的作用做出猜测。清楚明晰，两位科学家所给出的预言将完全相同，两人都认为“W得知F看到↑”与“W得知F看到↓”的概率将各为50%，也便是
现在让F进行丈量，她将得到一个确认的观测作用，咱们无妨假定她看到的作用为↑。罗致先不要翻开试验室的门，在仍然坚持阻隔的烦躁下，请两位科学家再次对开门后的景象进行猜测。这时，纷歧起的预言就显现出来了。
F的猜测变成了：
而W的猜测仍然是：
中心对立点就在于，对F来说，被测验的粒子现已由量子叠加态塌缩成了经典态，罗致“F看到↓”这个景象的或许性现已被F自己所扫除。而在W的描绘中，仍然将试验室全体视为叠加态，“F看到↓”这个景象的或许性仍然存在。
认识起到作用？
或许有读者罗致会觉得这没什么可少见多怪的，P和P仅仅不同烦躁条件下的概率算了，F因为取得了更多信息，所以能够给出更精确的猜测。惋惜，这是一种典型的过错了解：错用了经典图画来解读量子态。实践上P和P并没有哪个猜测更靠近“现实”，二者在量子理论意义上具有平等的客观精确性。
按照量子理论，只需试验室的门还没有翻开，F和被丈量粒子这个体系全体的波函数就没有发生塌缩。不管体系内部发生了怎样的殷切（F对粒子的丈量便是F与粒子发生了殷切），全体一向都是进行着幺正演化，起先的各种或许性都不会在演化进程中丢掉。
在薛定谔的猫思维试验中，未翻开盒子观测前，那只猫处在既死又活的叠加态，或许粗糙地说，猫会不断地在死活间来回转化。相同道理，对试验室外的W来说，试验室里“F看到↑”与“F看到↓”也是处在相似的叠加态，两种景象也在不断来回转化，P完全精确地表现了量子理论的猜测。
已然W和F的猜测理由平等充沛，却又给出了不同的概率，那么究竟哪个猜测是正确的呢？维格纳并未直接给出自己的明晰倾向，仅仅期望用这个悖论来显示认识应该被当作一种特别的物理目标。
不过他的确妄图暗示发生这个对立景象的元凶巨恶便是F的认识，假如把F换成一个电子、氢原子或许石头，咱们就不会再纠结该信任谁了，W的叠加态描绘便是仅有值得信任的猜测。
维格纳的这种主意明显太难以说服人了，在石头与有认知才能的科学家F之间，还存在着无数种或许。一只狗、一只猫乃至一个能对外界影响发生反响的草履虫，是否都能够被认为有认识呢？就像咱们不或许、也不该该在微观与微观之间划出一条明晰的界限相同，咱们相同也不或许找到有认识与无认识之间的那道分水岭。
维格纳晚年也改变了穴道，不再认为认识导致了波函数塌缩。可是这个悖论滋味浓郁的思维试验却并没有淡出人们的视野，反而变成了各种量子诠释理论的竞技场：除了正统的哥本哈根诠释被宣判选择出局，其他比如多国际诠释、联络诠释、玻姆力学、量子贝叶斯等，都纷繁供给了各自的解说。
多国际诠释认为国际在不断分叉，W和F的不合之所以发生，便是因为F地点的国际现已发生了分叉，而W的国际还没有发生分叉。注意到试验设定中，F的国际（试验室内）与W的国际（试验室外）是完全阻隔的，所以其间一个国际发生分叉而另一个国际不分叉，是完全说得通的。
联络诠释（RQM）是Carlo Rovelli提出的一种比较晚近的诠释。他受相对论思维的启示，提出不同丈量者对同一个丈量目标能够写出不同的量子态描绘，就像相对论中不同参照系中的观者会看到同一个目标具有不同的动量和能量相同。当然在RQM中，发生差异的要素并不是参照系运动与否，而是丈量者与被丈量目标间的殷切联络。在思维试验中，起先F和W都未与粒子发生殷切，所以两人所给出的态描绘方法是一起的。而当F对粒子进行了丈量操作后，F与粒子间就发生了殷切，但W与粒子间则不存在殷切，正是这种殷切联络的不同，才形成了二人描绘方法的不同。
玻姆力学是一种非定域隐变量理论，粒子各种特点的丈量值在被丈量之前就现已是预先存在的客观现实，概率仅仅一种假象。所以在玻姆力学结构下，咱们尽能够放心肠信任F的丈量作用就好。至于W所给出的不同描绘方法，仅仅包括了示范的虚空导航波成分算了。
量子贝叶斯是一种充溢谦卑乃至失望颜色的诠释，中心观念便是认为咱们不或许了解国际的真实面貌，或许说底子就不存在等待着咱们发现的那种永恒不变的客观本相。咱们所能做的，仅仅是像无头苍蝇相同依托每次试验观测作用来更新旧的经历认知。在这种观念之下，F与W的对立描绘就显得没什么了不得了，那无非代表着F的认知现已更新了，W的认知却还没有更新。在Leonard Susskind等物理学大咖看来，量子贝叶斯的无厘头程度比“认识导致波函数塌缩”更甚，这个理论所穴道的观念就不该该呈现在严厉的学术讨论中。
思维试验的晋级版别
作为一场选择考试，竟然有这么多候选的诠释理论都能解说维格纳的朋友思维试验，看来这个试题的难度未免太低了。2018年，瑞士苏黎世联邦理工学院的两位物理学家Daniela Frauchiger和Renato Renner提出了一个晋级版的维格纳朋友思维试验。
这个增强版的思维试验把选择考试的难度猛然提高，不只一切量子诠释全部危如累卵，乃至就连现有量子理论自身，也面对着信任危机。在一番侦查烧脑的剖析之后，Frauchiger和Renner得出了非常迸裂的定论：
量子理论无法逻辑一向地无懈可击！
当然年头的陈说必定不会如此简略粗犷。实践上他们的思维试验（后边简称FR思维试验）所证明的是一个“不或许定理”（no-go theorem），指出了以下三点假定不或许一起建立：
（Q）现有量子理论是正确的；
（C）相同的理论和信息必导致相同的猜测；
（S）单次丈量只发生单一作用。
看着这三个假定，咱们真实很难否定C和S，假如逼不得已有必要选择一个的话，那也只能勉为其难地选择Q了。这也正是Frauchiger和Renner宣判量子理论不靠谱的大体逻辑。
那么FR试验究竟是表达证明这个不或许定理的呢？在Frauchiger和Renner开始的论文中，不管试验设计仍是逻辑剖析进程，都极端侦查冗长，全程跟随着论文作者的思路捋下来很掌握把脑子烧穿。
幸好在随后的几年中，这个思维试验被研讨者们进行了大幅度的改造简化。（开始版别中包括两位W、两位F，以及一系列根据时间序列的事情信息记载。）现代版别FR试验的最简方法里，只包括W、F和B三位观测者，被观测目标由一个叠加态的粒子变成了一对殷切粒子。
剖析进程也被简化到只用两句话就能够归纳其间心要义：假如现有量子理论建立，那么丈量作用有必要满意一个名为Local Friendliness Inequality的不等式，简称LF不等式。可是FR思维试验中，这个LF不等式竟然能够被打破，由此就推知了否定性的定论。
或许有读者会感觉这个套路有点眼熟，很像用打破贝尔不等式的方法，来证明定域性和真实性二者不可兼得。现实上，它们不只仅是套路相似，整个现代版FR思维试验根本上便是维格纳的朋友思维试验和贝尔试验的结合体。
FR试验的因果网络
为了逃避态矢量的代数运算进程或许形成的催眠作用，咱们下面将运用比较直观的因果图来阐明。现在让咱们先略微温习一下贝尔试验的根本结构。
如上图所示，甲乙是两个彼此独立的丈量。咱们用X和Y别离代表操控丈量操作的参数设置，用A和B代表丈量得到的作用。λ代表决议被丈量目标状况的参数，即所谓隐变量。假如用时空光锥来表现这5个变量之间的因果联络的话，大致能够画成下图的姿态。
一般状况下，人们更喜爱用一种有向图来展示比较侦查的因果联络网络。对应贝尔试验的因果图便是下面的姿态。
对经典物理国际而言，这个因果网络必定满意三个条件：
• P(A|X)=P(A|XY)，即A作用与Y无关；
• P(B|X)=P(B|XY)，即B作用与X无关；
• 贝尔不等式建立。
前两条拭目而待了两个彼此独立的丈量操作之间没有超光速通讯机制，第三条则是由定域性和隐变量一起束缚的作用。
当然咱们现在都现已知道，对殷切态量子体系的丈量将发生打破贝尔不等式的作用，因而完全扫除了定域隐变量理论的或许。但前两条并没有被打破，这也是仅依托量子殷切无法完成通讯的底子原因。
已然前两条对量子体系仍然建立，那么咱们就能够保存这个因果图，只把代表经典隐变量的λ换成不受贝尔不等式束缚的量子体系Ψ，这样就得到了一个量子国际中仍然有用的因果图。
在这个因果图的根底上略微增加些元素，咱们就能够画出FR思维试验的因果网络。为了节省几个字母，咱们这儿就相同用W和F来代表这两位所取得的丈量作用。
与贝尔试验的状况相似，这儿仍然有制止超光速通讯的束缚，即
• P(W|X)=P(W|XY)，即W作用与Y无关；
• P(B|Y)=P(B|XY)，即B作用与X无关。
此外，因为因果网络结构略微侦查了些，天然也就增加了一些附加的束缚条件
• P(WB|XY)=∑P(WFB|XY)，即遍历一切F的Ψ→F→W因果衔接总和应等于Ψ→W因果衔接；
•
而正是根据以上这些形似天经地义的附加束缚条件，就能够推导出LF不等式。
别忘了，在此图中咱们现已将被测目标换成了不受贝尔不等式束缚的量子体系Ψ，这也就意味着，LF不等式是对量子国际仍然收效的束缚条件。
因为LF不等式的详细方法纷歧，并且每一种详细方法的推导进程都很繁琐，这儿就不打开介绍细节了。至于FR思维试验表达违反这个LF不等式，其实首要原理跟开始版别的维格纳思维试验中悖论发生机制差不多。
一方面W能够经过选取取值的方法，来选择F所在的状况；另一方面W视角中F连同她死后的体系全体进行幺正演化，各种或许性都包括其间。凭借这种“惹是生非”的机制，LF不等式就被打破了。如前文所述，丈量作用不满意LF不等式，那么现有的量子理论好像呈现了问题。
没有止境的答案
FR思维试验究竟阐明晰什么，是个至今仍在炽热争辩中的问题。在绝大多数研讨者眼中，这个思维试验并不意味着穷途末路的结尾，反倒是探究量子理论诠释的开山利器。
能够必定的是，处理量子国际的逻辑和因果时，咱们有必要时间慎重彤云，仔细审视逻辑链条上的每个环节，不能顺手借用来自经典国际的直觉经历。必要时，乃至或许需求完全重建最底层的因果联络结构。
别的，这个思维试验中展示出来的悖论，与量子互文性有着严密的联络。所谓量子互文性便是指“只要局域逻辑一起性，没有大局逻辑一起性”。以这个视角看来，呈现悖论才是正常的，没有悖论反倒奇怪了。
当然，量子互文性与FR思维试验的相互印证，并不能拭目而待量子理论是齐备的，只能阐明量子国际中的逻辑和因果结构，必定有别于咱们朴素感知中所了解的经历。至于终究是咱们既有的逻辑和感知有待批改，仍是咱们所构建的量子理论有瑕疵？这个问题至今尚没有牢靠的答案。
OK，我总算杂乱无章地介绍完了这个烧脑的思维试验。可是罗致脑子里却一向回响着一句网络段子手的名言：
你认为你认为的便是你认为的吗？
参考文献
[1] Frauchiger, Daniela; Renner, Renato (2018). "Quantum theory cannot consistently describe the use of itself". Nature Communications. 9 (1): 3711. arXiv:1604.07422. Bibcode:2016arXiv160407422F. doi:10.1038/s41467-018-05739-8. PMC 6143649. PMID 30228272
出品：科普我国
来历：返朴
修改：ArtistET
