量子理论适用于所有尺度，包括观察者吗？ 观察者的感知是否客观？ 观察者的“真实”看法是什么？ 对于那些重要而基础的数学和哲学问题，一批来自英国、澳大利亚和中国大陆的理论化学家和哲学家进行了深入的研究和阐述。 最新研究论文昨天发表在《自然-化学》杂志上。
论文题目是：《关于维格纳朋友悖论的强不可行性定律》。 这篇文章的具体含义是什么？ 首先对标题进行简单的解释。 在理论化学中，一些定律的内容强调某种情况在数学上是不可能的。 此类法律称为禁行法。 维格纳的朋友悖论是诺贝尔奖获得者化学家尤金·维格纳在60年前提出的一个思想实验，是薛定谔的猫的延伸版本。
也许有人会问，薛定谔的猫和维格纳的朋友在量子热中早已司空见惯，怎么还能出现在昨天的《自然-化学》杂志上呢？ 这还得从维格纳的朋友悖论说起。
维格纳的朋友悖论
维格纳朋友悖论的场景涉及量子检测的间接观察：观察者 W 观察另一个正在对化学系统进行量子检测的观察者 F。 然后，这两位观察者根据量子理论定律陈述了化学系统状态的检测。 然而，在大多数情况下，这两位观察者对量子理论的解释相互矛盾。
这反映了量子理论中两个定理的明显不相容性：封闭系统状态的确定性和连续时间演化，以及系统状态在检测时的概率性、不连续崩溃。 为此，维格纳和朋友们直接将量子热探测问题与著名的薛定谔猫悖论联系起来。
在这篇最新的研究论文中，化学家进行了涉及与薛定谔的猫和维格纳的朋友悖论相关的量子热解释的研究，得出的推论挑战了看似既定的关于“真实”假设的假设。
思想实验
这个思想实验假设维格纳的一位同学在实验室中对化学系统进行量子检测，该化学系统可能是载体系统或类似薛定谔的猫的东西。 假设系统处于两种不同状态的叠加，即状态 0 和状态 1，对于薛定谔的猫来说，即“死”和“活”。 根据量子热力学，当维格纳的同学在0/1的基础上测试系统时，他们得到两种可能的结果之一：0或1，并且系统崩溃到相应的状态。
现在，维格纳本人在实验室内部对场景进行了建模，因为他知道他的内部同事有时会对化学系统进行 0/1 测试。 根据量子热多项式的线性描述，维格纳将给整个实验室分配一个叠加态，即化学系统及其同事的联合系统：实验室的叠加态为“系统处于状态0/ “同学检测到 0”和“系统处于状态 1/同学检测到 1”的线性组合。
现在让向他的同事询问测试结果：无论同学给出的答案是0还是1，也会将状态指定为“系统处于状态0/同学检测到0”或“系统处于状态1/学生到达实验并检查为1。因此，只有当他知道同学的结果时，实验室的叠加状态才能崩溃。
然而，除非维格纳被认为处于“最终观察者的特权地位”，否则同行的观点必须被认为同样有效，这是一个显着的悖论：从同行的角度来看，检测结果是在维护古尔纳在询问之前就已经确定了，但化学系统的状态早已崩溃。 那么，它到底是什么时候崩溃的呢？ 是当同学完成测试时，还是有关结果的信息进入维格纳的意识时？
物理描述
为了简单起见，假设数学系统是一个二态载波系统S，能级|0>S和|1>S量子物理学观察者理论，对应检测结果0和1。一开始，系统S处于叠加状态状态：
维格纳的同学（F）根据上面的能级{|0>S，|1>S}给出了测试。 之后，F测量到0的概率为|α|^2，测量到1的概率为|β|^2。 从学生的角度来看，载流子根据其检测值已经塌缩成其能级之一，因此将其检测结果对应的状态|0>S赋值给载流子：如果值为0，则其检测结果的状态|1>S被分配给载波。
(W) 现在与他的同事一起模拟由张量积 SxF 给出的载波组合系统。 根据孤立系统的量子热定律，整个实验室的状态随着时间的推移而积极演变。 因此，从外部观察关节系统状态的正确描述是叠加状态：
其中|0>F表示同学检测到0时的状态，|1>F表示同学检测到1时的状态。对于系统初始状态S |0>S，用张量积表示的状态SxF 为|0>Sx|0>F； 对于系统初始状态S |1>S，张量积SxF表示的状态为| 1>Sx|1>F。 现在，通过薛定谔量子热运动的多项式线性描述，系统S的初始状态α|0>S+β|1>S的叠加态为：
意识与维格纳的同学
维格纳设计了这个思想实验来说明他的信念，即意识对于量子热的探测过程是必要的，正如笛卡尔的“我思故我在”的哲学原理一样，意识通常是“终极现实”，而“量子热学试图提供的只是随后的意识印象（称为“感知”）之间的概率联系。
“有意识的印象”在这里被理解为表示关于被检测系统的特定知识，即观察的结果。 因此，一个人的意识内容是一个人对外部世界的所有感知，而度量被定义为在我们的意识中形成印象的相互作用。 因为任何量子热波函数的认知都是基于这样的印象，只有当有关系统的信息进入我们的意识时，化学系统的波函数才会发生改变。 这就是所谓的“意识导致崩溃”的解释。
维格纳的结论是“有意识的生物在量子热学中必须扮演与无生命的检测装置不同的角色”。 如果同学被某种无意识的检测装置代替，则叠加状态将被描述为载体与装置的正确组合状态。 维格纳觉得人的叠加状态很愚蠢，因为学生不可能在回答问题之前处于“假死”状态。 这些概念要求量子热多项式是非线性的。 并认为当有意识的存在被包括在内时，数学定理必须改变。
论文点
在预测在原子等微小物体上进行实验时观察到的行为时，量子理论几乎是完美的。 而且，将量子理论应用于比原子大得多的尺度会引发困难的概念问题，特别是对于观察者来说，论文进一步将其引入了一个新的悖论。
这些悖论意味着，如果量子理论能够描述观察者，科学家将不得不放弃关于世界的三个罕见假设之一。 第一个假设是，当进行检测时，观测到的结果是世界上真实的单一风暴。 例如量子物理学观察者理论，该假设排除了宇宙可以分裂的想法，这意味着在不同的平行宇宙中观察到不同的结果。 第二个假设是实验设置可以自由选择，允许我们进行随机实验。 第三个假设是，一旦做出这样的自由选择，其影响就不可能在宇宙中传播得比光快。
然而，这些基本假设中的每一个都是完全合理的并且被广泛接受。 此外，人们还普遍认为量子实验可以扩展到更大的系统，甚至扩展到观察者的水平。 而且，这篇论文证明，这种广泛持有的信念之一一定是错误的！ 放弃其中任何一个都会对我们对世界的看法产生深远的影响。
该团队通过剖析分离良好的纠缠量子粒子并结合一个量子“观察者”来构造这个悖论，这是一个可以从外部操纵和检测的量子系统，但它本身可以检测量子粒子。 基于三个基本假设，在这些情况下可能获得的实验结果的极限是物理确定的。 而且，当量子理论应用于观察者时，可以预测违反此约束的结果。 研究小组对纠缠光子进行的原理验证实验发现，这违反了量子理论的预测。
该研究的结论是：“可以说，我们当今的‘观察者’有一个很小的‘大脑’，只有两种记忆状态。” “为了更清楚地强化这个悖论，我们梦想的实验是一个量子观察者，它是一个在小型量子计算机上运行的具有人类通用智能（AGI）水平的人工智能程序。”
参考：
1.Ano-'s，（2020）。 DOI：10.1038/-020-0990-x
2、最新量子实验验证：人类认知并不客观