在眾多科學理論中，或許沒有比量子力學受到更多支持的理論了。近一百年來，量子力學反覆被高精度的實驗所驗證，然而物理學家並不完全滿意。儘管量子力學描述微觀水平的事件非常精確，對於宏觀物體，尤其是引力為主導作用的物體，量子力學就走到了極限。例如，量子力學不能描述行星的行為——這屬於
廣義相對論的範疇；而廣義相對論亦不能描述小尺度的過程。因此，許多物理學家夢想著能將量子力學與廣義相對論結合起來。
○ 當一個物理學家觀察量子物體時，他會看見什麼？是和觀察這個物理學家的人看到的現象相同，還是恰恰相反？| 圖片來源：Philip Bürli/Visualeyes International
朝著更大的物體
儘管二者都能非常精確地描述各自範疇內的物理過程，但是，將這兩種如此不同的理論結合起來有可能嗎？
一種可能性是希望在使用越來越大的物體來進行量子物理學實驗的過程中，最終會出現指向可能答案的差異。但問題在於，物理實驗必須在嚴格的約束下進行。例如，著名的雙縫干涉實驗可被用來證明固體粒子同時具有波的行為，但它並不能用日常物體來進行實驗。
另一方面，思想實驗卻可以用來超越宏觀世界的界限。這正是瑞士聯邦理工學院（ETH）的理論物理學教授Renato Renner和他之前的博士生Daniela Frauchiger在最近發表於《自然通訊》期刊上的論文中完成的事情。
思想實驗
量子力學有著很長的思想實驗的歷史，大多數情況下，這些實驗被用來指出量子力學的各種解釋的弱點。
1935年，薛定諤提出了一個思想實驗，一隻貓待在盒子裡，盒子中有一種可能被隨機觸發的毒藥釋放機制。在這種情況下，貓的狀態——是死是活——是不確定的，除非實驗人員打開盒子查看結果。因此，貓處於兩種完全不同的宏觀態的疊加態。薛定諤指出，這樣的宏觀疊加態本身並沒有任何矛盾。
薛定諤的思想實驗表明，將量子力學擴展到大尺度會產生令人驚異的結果。但是匈牙利物理學家維格納（Eugene Wigner）並不認為量子力學的有效性可以無限擴展。
1967年，維格納提出了另一版本的思想實驗，他將貓和毒藥換成了一個待在盒子裡的物理學家朋友F，盒子裡還有這樣一臺測量設備，它能得出兩種結果中的一種——比如拋擲硬幣會得到正面還是反面。
○ 維格納的思想實驗：F在垂直方向上測量一個銀原子的自旋S，獲得結果z。從F的角度來看，S的自旋是一個已知的純態。在盒子外面的W，會將包括F在內的整個盒子視為一個大的量子系統L（橙色盒子），因此W會給系統L指定一個疊加態。| 圖片來源：[1]
根據量子力學的哥本哈根詮釋，觀測一個量子系統會導致描述系統的波函數“坍縮”——從擴展的概率分佈變成一個確定的結果。那麼當維格納的朋友F意識到拋擲硬幣的結果後，描述這個系統的波函數會坍縮嗎，也就是說，觀察者維格納W會得到拋擲硬幣的確定結果嗎？
有一派觀點認為，意識是不屬於量子力學領域的，因此整個系統的波函數會坍縮。但是如果量子力學也適用於這個擁有意識的物理學家F，那麼她就會處於兩種結果疊加的不確定狀態，直到維格納打開盒子。
然而，這種差異可以用兩個觀察者對於系統的不同層次的認知來解釋：維格納的朋友F知道拋擲硬幣的最終結果，但是維格納不知道。因此，儘管這種不確定的疊加態看起來很奇怪，卻並不矛盾。因為這個原因，維格納的思想實驗並不能作為排除量子力學具有普遍適用性的論據。
Frauchiger和Renner的思想實驗更復雜，他們擴展了維格納的實驗，在他們的系統中，存在兩個“維格納”，每一個都在進行一項讓自己的物理學家朋友待到盒子裡的實驗。其中一個朋友F‘會拋擲硬幣，並利用她的量子力學知識給朋友F發送一則量子信息；F則利用自己的量子力學知識來識別F‘的信息，並猜測她投擲硬幣的結果。
○ Frauchiger和Renner的思想實驗：在每一輪實驗中n=0、1、2……F‘拋擲一枚硬幣，然後根據拋擲的結果為自旋粒子施以某一方向的極化。然後，F再測量S的垂直極化z。之後，觀測者W’與W各自測量整個盒子（包括F’與F在內）L’與L，分別得到結果w’和w。圖中在頂端加有橫槓的F、W、L，對應於文中的F’、W'、L‘。| 圖片來源：[1]
根據我們現在的世界觀，當兩個維格納W’和W各自打開盒子時，應該觀察到相同的結果。然而，Frauchiger和Renner的計算表明，當兩個觀察者W’和W打開盒子時，他們在一些情況下可以確定硬幣哪一面朝上，但是有時候他們的結論會出現不一致——一個認為是正面朝上，另一個認為反面朝上。這意味著量子力學的標準詮釋對現實的描述是不一致的。
令人費解的結論
雖然這個思想實驗直到現在才正式發表在科學期刊上，但它早已成為專家們討論的話題。由於發表過程的屢次延遲，其他物理學家已經在各種文獻中回應這一發現。
Renner說，大多數人的第一反應都是懷疑計算的正確性，但是到目前為止，還沒有人能證明這些計算是錯的。有一位評論者承認，他五次嘗試在計算中尋找錯誤，但都沒有成功。還有研究人員給出瞭如何才能夠解決這一悖論的具體解釋，然而，一旦仔細檢查就總會發現，這些解釋不過是一些特別的解答，實際上並沒有解決問題。
Renner發現，許多同一領域的同事對這一發現的回應非常情緒化，這或許是因為這一發現太令人費解了。
圓周理論物理研究所的Robert Spekkens認為，走出這一悖論的通道可能隱藏在某些微妙的假定裡，尤其是F‘和F之間的溝通，比如結果的不一致性或許是源於F並沒有正確地解釋F‘的信息。
另一位理論物理學家Matthew Leifer認為，產生不一致的結果並不意味著整個理論的坍塌，量子力學的一些解釋已經允許從不同的視角來描述現實。這總比不得不接受量子理論不能應用於像人這樣的複雜事物要好。
Renner則認為，這一悖論的解決將會以另一種方式出現：“當我們回看歷史，會發現在許多這樣的時刻，問題的答案往往隱藏在出乎意料的方向。” 例如，廣義相對論解決了牛頓物理學的矛盾，是因為意識到，之前人們對時間概念的普遍理解是錯誤的。
Renner說：“現在的工作是考察我們的思想實驗是否應該以不同的形式做假定。甚至，我們可能必須再次修改關於空間和時間的概念。只有當我們從根本上重新思考現有的理論時，才會對自然究竟如何運作產生更深刻的洞察。”
[1] https://www.nature.com/articles/s41467-018-05739-8
[2] https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/09/errors-in-the-quantum-world.html
[3] https://www.nature.com/articles/d41586-018-06749-8?WT.feed_name=subjects_nanoscience-and-technology
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