What is the connection between quantum relationality and symmetry-based relationality?

物理学长期以来被分为两个阵营，它们似乎在说着不同的语言。一方是量子力学，即微观世界的规则手册，在那里粒子可以同时存在于多种状态中，且观察行为本身似乎会改变物体的本质。另一方是广义相对论，即引力和宏观世界的理论，在那里空间和时间是可变的，且一个物体的位置只有在与其它事物进行比较时才有意义。几十年来，物理学家注意到这两个理论都高度依赖“关系性”（relationality）的概念——即属性并非宇宙的绝对事实，而是事物之间的关系。在引力世界中，一个物体的位置如果没有参照点（如时钟或地标）就毫无意义。在量子世界中，粒子的状态往往取决于谁在测量它。然而，尽管两者都高度依赖关系，这两套理论却依然顽固地分离着，人们并不清楚它们的“关系性”版本究竟是同一种现象，还是仅仅是词汇上的巧合。

艾米莉·阿德拉姆（Emily Adlam）的一篇新论文提出了一个大胆的统一方案：量子力学的关系本质并非微观世界中一种奇特且独特的怪癖，而实际上是与相对论中发现的完全相同的现象。作者认为，量子态之所以看起来会根据观察者的不同而改变，仅仅是因为它们描述的是本质上具有相对性的属性，就像空间中的方向或位置一样。在这种观点下，量子态并不是对一个粒子绝对现实的描述，而是对其如何相对于特定参考系而存在的描述，就像指南针的指针只有在与周围磁场对比时才有意义一样。如果这一观点成立，它可能会消解量子物理学中最深层的谜团，特别是关于一个由各种可能性构成的世界是如何产生单一、确定现实的这一令人困惑的难题。

要理解这一论点，首先必须理解物理量中两种类型的区别。在物理学中，有些事实是绝对且不可改变的，而另一些则是“部分的”。“部分可观测量”（partial observable）是指可以被测量但只有在与参考系挂钩时才有意义的量。例如，说一辆汽车以每小时六十英里的速度行驶是一个部分可观测量；这只有相对于道路才是成立的。速度本身并不是汽车孤立存在的固定属性。相比之下，“完全可观测量”（complete observable）是一个完整的、自洽的事实，例如汽车在特定时刻与特定树木之间的距离。在相对论中，物理学家早已知晓我们只能测量部分可观测量。我们无法测量绝对的速度或绝对的方向；我们只能测量事物如何相对于我们的测量工具。

阿德拉姆将这一来自相对论的既定事实应用于量子领域。她认为，我们所写下的或测量过的每一个量子态描述的都是一个部分可观测量。当一位物理学家写下一个粒子的自旋量子态时，他并不是在描述自旋在宇宙中指向的一个绝对方向，而是在描述自旋相对于特定轴线的取向，而这个轴线是由测量仪器定义的。该论文指出，著名的“维格纳的朋友”（Wigner's Friend）悖论——一个关于两个观察者对于粒子是坍缩到了单一状态还是仍处于叠加态产生分歧的思想实验——其产生的原因仅仅是因为两名观察者使用了不同的参考轴。一名观察者是在相对于其自身的实验室设备来描述粒子，而另一名观察者则是相对于另一个参考系来描述。作者认为这并不构成矛盾，因为两人仅仅是在报告不同的关系。

该论文通过展示对称变体属性（即当你旋转或移动视角时会发生变化的属性）的量子态必须始终进行相对化处理，从而构建了这一论据。如果你试图在没有参考系的情况下描述一个量子态，这种描述会变成一种混乱、不连贯的混合物，从而丢失关于粒子状态的所有具体信息。然而，一旦你引入一个参考系，比如由磁铁定义的空间中的特定方向，量子态就会凝聚成一个清晰、连贯的形式。作者利用其他研究者开发的框架证明，在两种系统之间的关系是确定的、非叠加的事实，而其中一个系统相对于另一个系统的状态表现为叠加态，这在数学上是自洽的。这意味着“量子叠加”的怪异之处可能不是现实本身的特征，而是我们相对于参考点描述事物时的一种特征。

这一视角为看待“测量问题”提供了一种全新的方式，即解释为什么在一个量子系统似乎处于多种可能性的状态下，我们却能看到一个确定的结果，这是一个长期的难题。在标准量子力学中，从叠加态到单一结果的转变通常被描述为波函数的“坍缩”，这是一个在数学上突兀且在物理上神秘的过程。阿德拉姆认为，这种坍缩并不是一个突然、神奇的事件，而是部分可观测量与参考系之间相互作用的自然结果。当一个量子系统与测量装置发生强相互作用时，该系统不再仅仅是相对属性的集合；它与参考系发生了纠缠，从而打破了量子演化的线性规则。所谓的“坍缩”，仅仅是当“将系统视为独立于参考系”的近似处理失效时的那一刻。

该论文并未声称已经完全解决了测量问题。它既没有提供一个能精确预测坍缩何时发生的全新方程，也没有提供一个能够连接相对量子世界与绝对经典世界的完整物理机制模型。相反，它建议解决方案在于认识到量子力学仅适用于部分可观测量，而我们看到的确定结果则是完全可观测量。作者认为，由于我们只能测量部分可观测量，我们从未真正见过完全可观测量的量子态。量子力学的奇异行为，包括同时处于两个地方的能力，仅适用于那些相对的、对称变体的量。而我们经历的确定、单一的结果，则是当这些相对量与参考系结合时所呈现出的不变的、完全的事实。

通过提出量子关系性与相对论关系性是同一回事，该论文弥合了分隔物理学一个世纪之久的鸿沟。它表明，宇宙并非由绝对的、独立的物体组成，而是由关系组成的。量子态不是粒子灵魂的快照，而是粒子相对于观察者的姿态描述。这种观点并不要求我们放弃客观现实的概念；相反，它将这个世界重新定义为一个由连接构成的网络。论文总结道，虽然还需要更多工作来完整描述这些连接是如何形成与断裂的，但前进的路径在于停止寻找绝对的量子态，转而开始理解我们实际可以测量的那些具有特定关系性的量。通过这样做，该论文为为什么量子世界看起来如此怪异提供了一个冷静且逻辑严密的解释：它之所以怪异，仅仅是因为我们试图将相对的事物描述为绝对的事物。