一个新定理揭示了量子物理学的极限，至少有一个“现实”是错误的
- 在量子力学中什么是观察者？原子能成为观察者吗？病毒可以是观察者吗？人工智能呢？
量子力学的奠基人认为它非常非常怪异。举例来说，阿尔伯特·爱因斯坦生前就坚信，该理论只能是对自然进行更完整描述的踏脚石，这样才能消除量子令人不安的现象。然后在1964年，约翰·斯图尔特·贝尔证明了一个定理，该定理将检验量子理论是否像爱因斯坦所说的那样掩盖了对现实的完整描述。从那以后，实验人员就用贝尔定理来排除这样一种可能性，即在所有明显的量子疯狂之下（随机性和量子纠缠）是一种隐藏的确定性现实，它遵守相对论定律。现在，一个新的定理将贝尔的工作推进了一步。该定理对物理现实做出了一些听起来合理的假设。然后它表明，如果一个特定的实验被进行，根据量子理论的规则所预期的结果将迫使我们拒绝其中的一个假设。查普曼大学量子物理学家马修·雷弗说，这项新工作将注意力集中在对量子力学的一类解释上，直到现在，这些解释都设法摆脱了类似“不可能”的定理的严格验证。广义上说，这些解释认为，量子态反映了我们自己对物理现实的认识，而不是世界上存在的某种事物的确切表征。这种观点的范例是哥本哈根解释（量子理论的教科书版本），它最普遍的理解是，粒子没有明确的属性，直到这些属性被测量。其他哥本哈根式的量子解释甚至更进一步，将量子态描述为每个观察者的主观感受。
贝尔定理
贝尔1964年提出的定理给爱因斯坦和尼尔斯·玻尔（哥本哈根解释的主要支持者之一）开始的辩论带来了数学上的严肃性。爱因斯坦认为在量子理论的基础上存在着一个决定论的世界；玻尔认为量子理论是完整的，量子世界具有不可磨灭的概率性。贝尔定理有两个明确的假设。一是，物理影响是“局部的”（它们的传播速度不能超过光速）；二是，它假设有一个不被量子力学数学建模的隐藏的确定性现实；三是，实验者可以自由选择他们自己的测量设置。
- 约翰·斯图尔特·贝尔在1964年提出了以他的名字命名的定理，但是物理学家需要几十年才能完全理解它的含义。这是1982年他在欧洲粒子物理实验室欧洲核子研究中心讲授他的定理。
根据这些假设，贝尔测试涉及到两方，爱丽丝和鲍勃，他们测量大量的粒子对，一次一对。每一对都是纠缠在一起的，因此它们的性质是量子力学联系在一起的：如果爱丽丝测量她的粒子的状态，它似乎会立即影响鲍勃的粒子的状态，即使两者相隔数英里。贝尔定理提出了一种建立实验的巧妙方法。如果爱丽丝和鲍勃的测量值之间的相关性等于或低于某个值，那么爱因斯坦是对的，即存在一个局部隐藏的现实。如果相关性高于这个值（正如量子理论所预测的那样），那么贝尔的其中一个假设肯定是错误的，一个局部隐藏现实的梦想一定会破灭。物理学家们花了近50年的时间进行越来越严格的贝尔测试。到2015年，这些实验基本上解决了争论。测量的相关性高于贝尔不等式的值，贝尔测试与量子力学的预测是一致的。结果，一个局部隐藏现实的想法被搁置了。
弱假设，强理论
这项新工作借鉴了由贝尔开创的系统，但它也依赖于一个略有不同的实验装置，最初是由物理学家尤金·维格纳设计的。在维格纳的思维实验中，有一个我们称之为维格纳朋友的人在实验室里。这个朋友测量了一个粒子的状态，这个粒子处于两种状态的叠加中，比如0和1。测量将粒子的量子态为0或1，结果由朋友记录。
- 尤金·维格纳获得1963年诺贝尔物理学奖，部分原因是他在量子力学的数学基础上所做的工作。
维格纳本人就在实验室之外。从他的角度来看，实验室和他的朋友（假设他们完全脱离了所有的环境干扰）在量子力学上继续一起进化。毕竟，量子力学并没有对该理论所应用的系统的大小做出任何规定。原则上，它适用于基本粒子、太阳和月球，也适用于人类。维格纳认为，如果量子力学是普遍适用的，那么粒子和维格纳的朋友现在都纠缠在一起，处于量子叠加状态，即使朋友的测量已经瓦解了粒子的叠加状态。维格纳的理论提出的矛盾突出了一些基本的、令人信服的问题，即什么是导致崩溃的测量方法，以及崩溃是否不可逆转。与贝尔定理一样，新的研究者们做出了看似显而易见但却非常严格的假设。第一种说法是实验者可以自由选择他们想要的测量方式。第二种说法是，你不能发送比光速更快的信号。第三种观点认为，测量结果对于所有观察者来说都是绝对的、客观的事实。请注意，这些“局部友好性”的假设比贝尔的假设要弱。作者并没有假定在量子世界的基础上存在某种确定性的现实。因此，如果能做一个实验，如果实验成功，这意味着“我们发现比贝尔定理更深刻的现实，”澳大利亚格里菲斯大学量子动力学中心主任、这项新研究的领导者之一霍华德·怀斯曼说。
- 在格里菲斯大学的量子动力学中心使用的光学设备，在那里进行了概念验证实验。
所以，和贝尔一样，我们可以问，如果我们把量子力学的已知规则应用到这个新的实验中，结果会是什么。如果量子力学的定律是普遍的，这意味着它们适用于非常小的物体和较大的物体，那么实验就违反了不等式。如果未来的实验证实了这一点，那么这三个假设中肯定有一个是错误的，量子理论甚至比贝尔定理的测试所显示的还要古怪。
观察者光谱
新的“局部友好性”定理要求复制维格纳的朋友设置。现在我们有两个实验室。在第一个实验室，爱丽丝在外面，而她的朋友查理在里面。鲍勃在另一个实验室的外面，里面是他的朋友黛比。在这个设置中，我们添加了一对纠缠粒子。一个粒子送给查理，另一个送给黛比。两个观测者进行测量并记录结果。现在轮到爱丽丝和鲍勃了。每个人都要做三种类型的测量。第一种选择很简单，直接问朋友测量的结果是什么。另外两个则异常困难。首先，爱丽丝和鲍勃必须对他们各自的朋友和实验室进行完全的量子控制（事实上，他们扭转了整个系统的量子演化）。它们会撤销朋友的测量结果，抹去朋友的记忆，并将粒子恢复到初始状态（显然，“这里的朋友”不能是人，我们马上就会讲到)。在这一点上，爱丽丝和鲍勃从两种不同的测量方法中随机选择，测量粒子，并记下结果。他们对成千上万对纠缠粒子做这个实验。原理验证实验从每个实验室的一个光子开始。每个朋友都由一个简单的装置来表示，该装置对光子进行测量，这样光子会选择两条路径中的一条，或者同时进入两条路径的叠加状态，这取决于光子的初始量子态。“朋友”可以被认为是一个量子位元，它可以是0（光子走了一条路）或者1（它走了另一条路），或者是两者的叠加。你可以把这两种路径看作观察者的两种记忆状态，从数学上讲，这就像是一种观察。爱丽丝和鲍勃可以简单地检查光子的路径（类似于询问查理和黛比他们观察到了什么）。或者他们可以通过让两条路径相互干扰来抹去朋友的记忆。关于光子所走路径的信息被抹去，光子恢复到它的原始状态。然后爱丽丝和鲍勃可以进行自己的测量。经过大约9万次这样的运行，实验清楚地表明，局部友好性定理的不等式被违反了。这里的漏洞很明显。查理和黛比是量子位，不是人。事实上，这项新研究背后的研究人员并没有说我们现在就需要放弃这三个假设中的任何一个。怀斯曼说：“我们并不是说量子位是一个真正的朋友或一个真正的观测，但它允许我们验证量子力学确实违反了这些不等式，尽管它们比贝尔不等式更难违反”。一般来说，围绕观察者的规模和复杂程度的问题存在相当多的争论。观察者可以是原子吗？可以是病毒吗？变形虫呢？一些物理学家认为，任何能够获取并存储所观察物体信息的系统都是观察者。另一端是那些说只有有意识的人类才算观察者。就这个特殊的实验而言，可能的观察者的范围是非常大的。它已经被用于量子位元了。如果查理和黛比是人类，这是不可能的。该团队设想在遥远的未来做这个实验，届时观察者可能是一个在量子计算机内部的人工通用智能（AGI）。这样一个系统可以进入观察两种不同结果的叠加状态。而且，由于AGI将在量子计算机中运行，这个过程可以逆转，消除观测的记忆，使系统恢复到最初的状态。
在一个量子位元和一台运行人工智能的巨大量子计算机之间有很多地方，这个定理是一个完全严格的定理，但是它留下了一个悬而未决的问题，那就是观察到的事件是什么。这是至关重要的毕竟，物理学家花了大约50年时间才对贝尔不等式进行了彻底的实验测试。也许在量子计算机上运行的AGI已经不远了。为了便于讨论，让我们假设这种技术有一天会出现。当物理学家做实验时，他们会看到两种情况之一。也许不等式不会被违反，这将意味着量子力学不是普遍有效的（有一个范围，超过这个范围，量子理论的规则就不能应用）。这样的结果将允许研究人员精确地绘制出量子世界和经典世界的边界。否则就会违反不等式，正如量子力学所预测的那样。在这种情况下，三个常识假设中的一个需要被抛弃。这就引出了一个问题，哪一个需要被抛弃？
极端相对论
这个定理没有说明哪个假设是错的。然而，大多数物理学家都坚信其中的两个假设。第一种（实验者可以选择进行何种测量）似乎是不可侵犯的。第二种（禁止信息的传播速度超过光速）防止了所有形式的因与果之间的荒谬尴尬。即便如此，波希米亚力学的支持者们已经放弃了第二种假设（波希米亚力学是一种假设存在确定性的、隐藏的、深刻的非局部现实的理论）。这就只剩下第三个假设——测量结果对所有观察者来说都是绝对的、客观的事实。拒绝观测事件的绝对性会使人们对哥本哈根的标准解释产生怀疑，在哥本哈根的解释中，测量结果被认为是所有观察者的客观事实。但是对于那些不存在的定理来说，很难区分标准的哥本哈根解释和它的变体。现在，局部友好性定理提供了一种方法，至少可以将它们分为两类，一类是标准哥本哈根，另一类是QBism（最初源于“量子贝叶斯主义，坚持量子态对每个观察者来说都是主观的）和RQM（认为描述量子世界的变量，比如粒子的位置，只有在一个系统与另一个系统相互作用时才会有实际值）。所有这些努力表明，是时候重新思考我们想从一个理论中得到什么了。这种把量子力学硬塞进经典模型的尝试，根本不是正确的做法。我们应该试着根据量子力学的实际结果来调整我们想从一个理论中得到什么。在这种情况下，采取这样的立场，即一个观察是主观的，并且只对一个给定的观察者有效可能是一个必要的和激进的第一步。
