Wigner's Friend Paradox Revisited

想象一下，宇宙是一个终极且隐形的舞台，粒子在其中扮演着各自的角色。在量子力学的世界里，这个舞台的规则是出了名的诡异。不像一个棒球要么在左外野，要么在右外野，量子粒子可以处于一种“叠加态”，这就像是同时身处两个外野，直到有人去看它为止。这种“看”的行为被称为“测量”，而在标准的规则中，观察的行为会迫使粒子选择一个确定的位置，这个过程通常被称为“波函数坍缩”。但棘手的地方在于：如果观察者是在一间密封的房间里，而另一个人在外面观察呢？粒子是在里面的人看的时候就选定了位置，还是只有在外面的人看的时候才选定？这个被称为“维格纳的朋友”（Wigner's Friend）的谜题困扰了物理学家数十年之久，因为它似乎暗示着，两个人在观察同一个现实时，可能会看到两个完全不同、甚至相互矛盾的真相。如果科学旨在描述一个单一且共享的现实，那么这就是一个重大问题。

彼得·赖希特（Peter Reichert）和马库斯·恩茨（Markus Enz）的一篇新论文提出了一种化解这一死结的方法。他们提出了对标准规则的一种微调版本，该版本既保持了宇宙对每个人来说都是一个单一、客观的舞台，又承认我们对这个舞台的“认知”可能因人而异。他们认为，宇宙并不需要根据谁在观察而改变自己的想法，而是会在测量发生时就做出选择，即使当时并没有人类在场。他们建议，将波函数的坍缩视为系统本身发生的一个真实事件，而不仅仅是我们知识的更新。通过将“观察者”视为一个真实的事件而非仅仅是知识的更新，作者们认为我们可以消除这些矛盾。他们展示了如果遵循这些修改后的规则，数学逻辑依然成立，并且不会产生悖论，他们甚至预测某些结果出现的概率会与其他理论略有不同，这为未来测试谁才是正确的提供了途径。

朋友与观察者的故事

为了理解赖希特和恩茨在做什么，让我们来玩一场“量子捉迷藏”的游戏。

在经典版本的游戏中，想象一位朋友（我们称她为 F）被锁在一个隔音的实验室里。在实验室内部，她有一个正在旋转的硬币，处于一种既是正面又是反面的神奇状态。她掷出硬币并观察结果。在她的意识里，硬币已经确定是正面（或反面）了。她知道真相。

现在，想象维格纳（我们称他为 W）站在实验室外面。他没有打开门，也没有往里面看。根据一些旧有的量子规则，因为维格纳还没有看，所以整个实验室——包括他的朋友和那枚硬币——仍然处于“朋友看到正面”和“朋友看到反面”的魔法叠加态中。对维格纳来说，他的朋友仍处于未定状态；而对朋友来说，她自己已经确定了。这就是悖论：两个人在观察同一情况时，看到了两种不同的现实。

赖希特和恩茨说：“等等，让我们稍微改变一下规则。”

他们提出了三个主要想法来修正这个游戏：

1. 宇宙是一部大电影： 宇宙只有一个真实的形态，它不会根据谁在观看而改变。它就像银幕上播放的电影；电影并不会因为你戴了3D眼镜或坐在后排而发生变化。
2. “跃迁”发生在任何地方： 当测量发生时（比如朋友观察硬币时），宇宙会立即“跳变”到一个确定的状态。即使朋友身处密封的房间且此时还没有其他人知晓，这种情况也会发生。朋友的观察导致了波函数的坍缩，就像一个真实的事件一样。
3. 知识不同于现实： 这是最重要的部分。作者们在“实际发生了什么”（客观状态）与“我们所知道的”（我们的知识）之间做了严格的区分。实验室里的朋友知道硬币是正面，而外面的维格纳还不知道。但维格纳的“缺乏知识”并不意味着硬币仍在空中旋转，这仅仅意味着维格纳目前是在猜测。他有50%的概率猜对，但硬币其实已经静静地躺在桌子上了。

扩展游戏：两个朋友，两个观察者

当他们研究由其他科学家（弗劳奇格和雷纳，Frauchiger and Renner）提出的更复杂的版本时，这篇论文变得更加有趣了。在这个版本中，有两个实验室，两个朋友（F 和 F'），以及两个观察者（W 和 W'）。这就像是一场双重的捉迷藏游戏，朋友们互相传递秘密纸条。

在旧有的、充满悖论的版本中，数学逻辑表明，如果每个人都遵循量子力学规则，他们最终会达到这样一个点：尽管大家都对设定达成共识，但在结果上却产生了违背逻辑的分歧。这就像一个拼图，每个人的碎片都能完美契合，但每个人看到的画面却是无法成立的。

赖希特和恩茨用他们的新规则运行了这个复杂的场景。他们逐步追踪实验室的“真实状态”和观察者的“知识”。

• 第一步： 第一位朋友掷出一个量子硬币。宇宙跳变到一个结果（正面或反面）。朋友知道了结果。其他观察者还不知道，因此他们基于已知信息持有一个概率分布（即一个猜测）。
• 第二步： 硬币的结果决定了第二个粒子的准备方式。第二位朋友测量这个粒子。再次，宇宙发生了跳变。第二位朋友知道了结果。其他观察者更新了他们的猜测。
• 第三步： 外部观察者（W 和 W'）对整个实验室进行了一次特殊的测量。

这里有一个神奇的技巧：因为作者假设波函数在更早的时候（即朋友进行测量时）就已经坍缩了，所以计算出的结果与那个充满悖论的版本不同。在悖论版本中，外部观察者假设实验室仍处于模糊的叠加态中，这导致了矛盾。但在这个新版本中，实验室已经处于一个确定的状态（即便观察者尚不知情）。

在进行数据计算时，他们发现得到特定“不可能”组合结果的概率是 1/4（或 25%）。而在旧的悖论分析中，该概率被计算为 1/12（约 8.3%）。

为什么这很重要

作者们并不是声称他们已经永久性地解决了宇宙的奥秘。他们承认，我们目前仍不知道波函数究竟是如何以及为何坍缩的。他们目前只是将“坍缩”作为一个规则来使用，作为通往更深层理论的占位符。但通过使用这条规则，他们证明了“维格纳的朋友”悖论中那些可怕的矛盾消失了。

他们认为，宇宙并不需要一个意识观察者去“唤醒”并决定什么是真实的。测量一旦发生，状态就会变得确定，而对于外部观察者来说，唯一改变的是他们对该状态的“知识”。

最棒的部分在于？这不仅仅是一场哲学辩论。因为他们的新规则预测了一个不同的概率（1/4 而不是 1/12），所以这个想法实际上是可测试的。如果未来的实验能够以足够的精度测量这些特定的结果，我们或许就能证明：宇宙是在朋友观察时就坍缩了，还是在等待外部观察者的到来。

所以，下次当你思考“如果森林里有一棵树倒下，而周围没有人，它是否会发出声音”时，请记住这篇论文：那棵树很可能会发出声音（宇宙发生了跳变），但如果你不在那里听，你只能去猜测那个声音是什么。多亏了赖希特和恩茨，我们可能很快就会有一种方法来验证我们的猜测是否正确。