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一些候选理论通过使坍缩完全独立于观测者和测量仪器

  这并没有使他们停止设计新的实验。在标准设计中,一面半涂银面镜会让光子进入左边或右边的光纤,然后落在左眼或右眼的视网膜上,志愿者就会敲击键盘来表示他们看到的方向。但是,研究者也可以很容易地利用量子光学技术制造出叠加态的光子,使其同时进入两条光纤,然后同时出现在左右双眼的视网膜上。接下来光子到底发生了什么,取决于你相信光子发生了什么。
 
  物理学家用一种叫做波函数的数学抽象概念来描述光子的量子态。在叠加态的光子打在视网膜上之前,波函数会弥散出去,这时光子在左边和右边被发现的概率相同。光子和视觉系统的作用是一种观测,而人们认为观测会使波函数“坍缩”,于是光子最终会处于其中任意一边,就像抛出去的硬币最终朝上的会是正反面中的任意一面。当人眼接收到叠加态的光子时,出现在左右两侧的光子数目会有差异吗?Kwiat说:“如果你相信量子力学,那就没什么区别。”但是如果他们的实验发现了无法驳斥的显著性差异,那就说明量子力学一定存在什么问题。他补充说:“这将会是一个大发现,一个惊天动地的结果。”
 
  这样的结果预示着人们可能会解决量子力学的一个核心问题:测量问题。假如波函数真的因为测量而坍缩,量子力学理论并没有表明这种坍缩是如何发生的。测量的仪器应该有多大?以眼睛为例,一个视杆细胞够大吗?还是需要整个视网膜?又是否需要角膜?是否需要有一个有意识的观测者呢?
 
  坍缩与观测
 
  一些候选理论通过使坍缩完全独立于观测者和测量仪器,来解决这个潜在问题。例如“GRW”坍缩模型(以理论物理学家Giancarlo Ghirardi,Alberto Rimini和Tullio Weber命名)。GRW模型及其变型都假设波函数是自发坍缩的。处于叠加态的物体质量越大,坍缩就越快。这个理论的结果之一是,单个粒子可以无限长时间地处于叠加态,但是宏观物体就不行。所以,在GRW理论中,著名的薛定谔的猫是无法处于活与死的叠加态的。像GRW这样的理论被称为“无关观测者”的现实模型。
 
  如果像GRW这样的理论对自然的描述是正确的,我们这一个世纪以来想要证明的想法就完全错了。我们一直都认为观测和测量是构成现实世界的中心要素。关键是,当处于叠加态的光子落在视网膜上时,GRW理论预言的两边的光子计数将和标准量子力学存在一些细微的差别。这是因为在光子的传输过程中会和不同大小的系统发生作用,比如两个视杆细胞中的两个感光蛋白是一个系统,两个视杆细胞及相应神经的组合又是一个系统,光子在和这两个系统作用时会表现出不同的自发坍缩速率。尽管Kwiat和Holmes都强调在他们的实验中不太可能会看到什么不同,但他们也承认,如果发现了任何与经典理论的差别,就可能预示着GRW这类理论是正确的。
 
  Michael Hall是澳大利亚国立大学的理论量子物理学家,他并没有参与这项研究。Michael同意GRW预言的光子计数和经典理论会出现很小的差别,但是他说这样的差别太小,已经提出的实验是无法探测到的。然而,他认为光子计数上任何的异常现象都值得关注。他说:“这很值得认真思考。我觉得这种偏差出现的概率极小,但是还是有可能。这非常有意思。”
 
  Kwiat也想了解量子态和经典态的主观感知差异。他问道:“人在直接观测量子事件时会感受到差异吗?答案‘很可能不会’,但是我们确实不知道。你永远得不到答案,除非你为人的视觉系统建立一个量子力学级别的完备模型,或者,通过实验进行观测。我们无法建立这样的模型,所以就只能去做实验了。”
 
  Robert Prevedel在2016年是Vaziri研究团队中的一员,现在在德国的欧洲分子生物学实验室工作。他更感兴趣的是在一系列事件中找出波函数坍缩的具体位置。坍缩是发生在最初光子打到视杆细胞上时?还是在神经信号产生和传递的中间过程中出现?或者是最后信号使人产生视觉时?他提议将视网膜提取出来,再向其发射处于叠加态的光子,记录不同阶段的视觉处理过程(比如记录视杆细胞,或是组成视网膜的其他感光细胞的信息)来看看叠加态到底持续多久。
 
  Prevedel认为视杆细胞对光的吸收会使得叠加态消失。但是他说:“如果我们看到量子(叠加态)存在于光子接触视杆细胞后的任何一个阶段,不论是在视网膜内不同细胞层中,还是在之后的神经回路中,都将是真正的突破。这将是一个非常惊人的发现。”