1961年，匈牙利裔美国物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）提出了一个至今仍让物理学家夜不能寐的思想实验：如果将一个做了量子测量的人——他的”朋友”——也当作量子系统来处理，会发生什么？这个被称为”维格纳的朋友”（Wigner’s Friend）的思想实验，五十多年来一直站在量子力学诠释争论的风口浪尖。而2018年后，它更从纯粹的哲学思辨，跃升为可以实际操作的实验命题，迫使我们直面一个根本性问题：什么才是”客观现实”？
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从薛定谔的猫到维格纳的朋友
维格纳的朋友是薛定谔的猫思想实验的自然延伸。薛定谔在1935年提出那只既死又活的猫，是为了质疑量子叠加态在宏观世界中的含义——日常直觉告诉我们，猫要么活着，要么死了，不可能处于两者叠加的状态[1]。
维格纳将这个悖论推向了更极端的版本。假设一个朋友在一个封闭的实验室里对一个量子系统进行了测量。根据量子力学标准诠释，朋友在测量瞬间就得到了一个确定的结果——叠加态”坍缩”为了确定的本征态。但对于实验室外的维格纳来说，如果他不打开门去观察，他完全可以将整个实验室（包括朋友和她测量的系统）描述为一个巨大的量子叠加态[1]。
维格纳的朋友思想实验（原始版）
在一个封闭实验室中，朋友对一个量子比特进行了测量（零时刻），得到结果”0″或”1″。实验室外，维格纳在稍后时刻（t时刻）用量子力学方式测量整个实验室。标准量子力学给出矛盾：朋友认为自己的测量结果在零时刻就已经确定；维格纳却可以将实验室状态描述为叠加态。这两个描述不能同时为真——除非引入额外的假设。
这意味着什么？同一个量子过程，在朋友看来已经”坍缩”为确定事实；但在维格纳看来，它仍然是未定的叠加态。两者描述的差异不只是认识论上的——即信息多少的不同——而是本体论上的：他们描述的是不同的物理现实[1]。
思想实验：两个现实之间的矛盾
让我们把场景数学化。设被测量的量子比特初态为：
\[|\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle + |1\rangle)\]
翻译成人话：这个公式表示量子比特同时处于”0″和”1″的叠加状态，就像一枚同时是正面又反面的量子硬币。朋友测量后，实验室整体状态变为：
\[|\Psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}}(|0\rangle_F |\text{结果=0}\rangle + |1\rangle_F |\text{结果=1}\rangle)\]
直觉上说：这个公式表示，如果朋友看到”0″，那么整个实验室（包括朋友自己）的状态就携带这个信息；如果朋友看到”1″，则携带相反的信息。但关键在于，这个公式对外部观察者维格纳来说仍然是叠加态——他只知道”朋友和系统一起处于某个叠加”，不知道具体哪个结果。
叠加态与测量问题的核心矛盾
量子力学给了我们两套规则：幺正演化（U）让波函数平滑地扩散、叠加；测量坍缩（R）让叠加态突然变为一个确定结果。维格纳的朋友把这个矛盾放大到了极端——同一个物理过程，谁来”测量”朋友？如果维格纳可以同时使用U规则描述朋友，朋友的测量就不是”真正的测量”。那么，测量究竟在何处发生？
这个矛盾长期停留在哲学讨论层面。但2015-2018年间，多个团队意识到可以将维格纳的朋友场景与非局域性（贝尔定理的核心）结合起来，构造出可实验检验的不等式[1]。
2018年no-go定理：不存在观察者无关的事实
2018年，Časlav Brukner及其合作者提出了一个关键的no-go定理，其核心论证基于一个简洁的不等式[2]：
\[F_A + F_B \leq 1\]
直觉上说：这个不等式表示，在扩展维格纳的朋友场景中，两个相关事实（朋友A的事实和维格纳B的事实）之间存在数学约束。如果实验违反了此不等式——即\(F_A + F_B > 1\)——则意味着不存在同时适用于两个观察者的”客观事实”。
Brukner的定理假设了三个看似合理的条件：量子力学有效（在所有尺度都适用）、局域可操作性（远处的操作不能瞬时影响本地系统）和事实的存在（测量结果代表客观事实）。证明显示这三个条件不可能同时满足[2]。
换言之：如果坚持量子力学在所有尺度都有效（包括人类观察者），就必须放弃”存在观察者无关的客观事实”这一常识假设。或者，放弃局域可操作性——但这会导致与相对论精神相悖的超光速影响[2]。
维格纳的朋友 vs. 贝尔：同源不同命
贝尔定理告诉我们，自然不允许”局域隐变量“理论。维格纳的朋友场景则更激进：它告诉我们，即使允许量子力学在所有尺度成立，我们也不能同时拥有一个由所有观察者共享的”客观世界”。贝尔实验检验的是”非局域性”；维格纳的朋友场景检验的是”客观现实的存在本身”。两者都需要放弃一些深层直觉，但维格纳的朋友让选择更加艰难。
2019年六光子实验：史上首次检验
理论的终点是实验。2019年，由Massimiliano Proietti领导的团队在Science Advances发表了首个实验验证——利用六个光子纠缠态构造了一个含四个观察者的扩展维格纳的朋友场景[1]。
实验装置利用了光子偏振的纠缠特性。四个观察者——两位”朋友”和两位”维格纳”——分别处于两个空间分离的实验室中。通过精心设计的纠缠态，研究者构造了以下情形：两位朋友各自由自己的维格纳描述，但同时两人之间也存在关联[1]。
实验结果：在关联测量中，团队违反了一个类贝尔不等式达五个标准差（5σ）。在粒子物理学标准中，5σ意味着置信度超过99.9999%，足以宣告”发现”而非”迹象”[1]。
这意味着什么？实验结果表明，如果我们坚持局域友谊（Local Friendliness）的假设，就必须接受至少某些”事实”是相对于特定观察者的——不存在一个所有观察者都认同的客观现实[1]。
实验验证的局限：光子 ≠ 人类
重要提醒：现有实验（2019年的光子实验和后续的超导量子比特实验）使用的是微型量子系统模拟”朋友”，而非真正的宏观人类观察者。Brukner等人的no-go定理的一个关键假设是，量子力学在包括人类在内的所有尺度都成立——但这一假设本身仍有争议。实验违反不等式，并不直接证明”人类观察者的测量也导致叠加态”，只是让这个可能性更难回避。
Frauchiger-Renner论证：量子力学无法自洽描述自身
2018年发表在Nature Communications上的一篇论文，将维格纳的朋友推向了更深的悖论。Daniela Frauchiger和Renato Renner的论证[3]试图证明：
任何单世界（single-world）量子力学诠释，在适用于包含自身在内的所有系统时，都必然导致不一致的预测。
“单世界”是指只承认一个宇宙、一次测量结果的诠释（如哥本哈根诠释）。Frauchiger-Renner构造了一个包含两个朋友和两个维格纳的扩展场景，通过逻辑推理得出两个互相矛盾的陈述——而这两个陈述在量子力学框架下似乎都应该成立[3]。
然而，2019年Lazarovici和Huber的分析表明，如果对物理情境的描述是完整的——即充分考虑实验设置的所有细节——矛盾就会消失[3]。Bub和Pitowski等学者也提出了类似的缓解方案[15]。
矛盾真的消解了吗？
Frauchiger-Renner论证引发了持续数年的学术争论。支持者认为它揭示了量子力学深层的认识论张力；批评者（如Lazarovici）认为论证依赖于对”代理”和”陈述”概念的微妙混淆。值得注意的是，Ring等人在2025年的工作中提出了一个更系统的建模方法，表明量子理论之所以能规避no-go定理，是因为这些定理错误地假定了量子代理的行为方式[10]。
局域友谊不等式：比贝尔更弱的约束
2020年，Bong等人发表了Nature Physics论文，将维格纳的朋友场景与贝尔定理更深地联系起来。他们定义了局域友谊（Local Friendliness, LF）这一概念——比贝尔不等式更弱的约束条件[17]。
简单理解：贝尔不等式要求任何”隐变量”理论要么放弃局域性，要么放弃实在性。局域友谊不等式则更弱——即使接受量子力学的非局域性（不放弃局域性），仍然存在某些矛盾。它所要求放弃的是“观察者无关的事实”这一假设[4]。
2022年，Haddara等人的工作将这一论证推进到”可能性”（possibilistic）层面——只关注某些结果是否可能出现，而非具体概率，从而在更弱的假设下得到no-go结果[17]。
Baumann等人2023年的分析则系统梳理了扩展维格纳的朋友场景中的核心张力：幺正演化描述（维格纳视角）与坍缩描述（朋友视角）之间的矛盾[4]。他们指出，悖论和LF不等式违反的出现，都要求满足特定数量的朋友和观察者配置条件。
量子力学的多元宇宙：各流派如何应答
面对维格纳的朋友困境，不同的量子力学诠释给出了截然不同的答案：
哥本哈根诠释认为，当朋友做测量时，坍缩就发生了——对她而言事实是确定的。维格纳在打开实验室门之前不知道结果，但并不意味着叠加态还在。对维格纳而言，测量的是他自己的无知，而非系统的叠加态。这个回答简单但代价是：坍缩何时发生，取决于”谁”在做测量。
QBism（量子贝叶斯主义）提供了最独特的视角。DeBrota等人认为，量子态、幺正演化、测量算符都是使用量子力学这个工具的代理人的个人判断，而非系统的客观属性[14]。测量结果是代理人的个人体验，不是可以分配给系统的客观事实。维格纳的朋友 paradox 在QBism中不是矛盾，而是对”量子力学是关于代理人与世界关系，而非关于世界本身的理论”这一洞见的优雅确认[14]。
关系量子力学（RQM）认为，所有物理系统的属性都是相对于其他系统的。Rovelli提出的这一框架中，”朋友测量到0″这个事实是相对于维格纳而言的，而非某种绝对事实。Cavalcanti等人在2023年的工作中表明，RQM实际上可以与扩展维格纳的朋友实验结果一致——所谓”相对事实不存在”的论证建立在对RQM的误解之上[5]。
多世界诠释：唯一没有悖论的避风港？
Everett的多世界诠释（Many Worlds Interpretation）认为，所有量子测量结果都真实发生了——在不断分支的宇宙中，朋友看到”0″和看到”1″两个版本都存在，只是分别位于不同的分支中。维格纳和朋友之间没有矛盾，因为两人的描述对应的是不同宇宙分支中的状态。从这个角度看，扩展维格纳的朋友实验测量的”违背”实际上是不同分支间的一致性条件，而非对客观现实的违反。
超决定论/逆因果律则提供了另一种出路。Hance等人2022年的分析表明，所有再现量子力学的局域ψ-系综解释（即承认波函数描述的是真实实体）都必然违反统计独立性[6]——这通常被称为超决定论或逆因果律。这一选项虽然逻辑上自洽，但代价是放弃”自由选择”假设——实验者在选择测量设置时，其选择可能并非真正自由的，而是被更早的因子决定的。
当前前沿：相对论化与超越量子基础
2023年以来，研究者们开始将维格纳的朋友场景置于相对论框架中探讨。Allam等人的工作[11]指出，在引入相对论效应后，封闭实验室作为量子系统处理的难度急剧增加——时间和因果顺序变得模糊，而幺正描述与坍缩描述之间的张力也随之加剧。
Jones等人在2024年的综述[12]则指出，维格纳的朋友 paradox 不应仅限于量子力学诠释的讨论。在量子信息（量子密钥分发、量子计算的解释）、量子引力（黑洞信息悖论的深层联系）和人工智能哲学（人工通用智能是否能有”主观体验”）等领域，这一 paradox 都有重要意义。Walleghem进一步将维格纳的朋友场景与黑洞物理中的互补原理相类比，指出两者都涉及幺正性与信息守恒的根本张力[11]。
量子引力中的”维格纳的朋友”
在黑洞物理学中，视界面似乎破坏了幺正性——落入黑洞的信息似乎永远消失了。Walleghem的2025年工作指出，这和维格纳的朋友 paradox 本质上说的是同一件事：当某个区域的物理过程对外部观察者”隐藏”时，外部观察者如何描述该区域内的测量？如果黑洞相当于一个巨大的”封闭实验室”，那么Hawking辐射与黑洞内部的信息关系，就可能涉及类似于维格纳的朋友的量子悖论。
Sokolovski等人的系列工作则从量子概率的数学基础出发，认为维格纳的朋友 paradox 的根源在于全概率定律在量子理论中不普遍成立[8]。通过对POVM测量条件下条件概率的扩展，他们找到了全概率定律成立和失效的充分条件，从而为理解维格纳的朋友提供了严格的数学框架[8]。
Baumann等人在2024年的工作中[13]则深入分析了朋友对自己测量的记忆如何在维格纳的场景中发挥作用——如果朋友不记得自己的测量结果，那么维格纳对整体系统的描述会变得更加复杂。这些分析揭示了经典信息与量子信息在测量过程中的微妙边界。
🔭 万象点评
维格纳的朋友是一个极具欺骗性的思想实验——它看似只是在问”量子力学对观察者怎么处理”，实则触及了现代物理学最深的裂痕：是接受一个没有绝对客观现实的宇宙，还是放弃量子力学在所有尺度的普适性，甚至放弃自由意志的假设？2019年的六光子实验已将这一哲学辩论转化为实验数据，但数据的解读权依然掌握在不同诠释手中。值得强调的是，无论哪个流派，都无法在不付出某种形而上学代价的情况下完全解释所有实验事实——这本身就说明了量子力学深层结构的革命性。维格纳若在今日，或许会欣慰于他的思想实验终于可以动手检验；但他也一定会承认，答案依然在迷雾之中。
📚 参考文献
- Proietti M et al. Experimental test of local observer independence. Science Advances (2019). DOI:10.1126/sciadv.aaw9832
- Brukner Č. A No-Go Theorem for Observer-Independent Facts. Entropy (2018). arXiv:1510.03455
- Lazarovici D, Dustin, Huber M. How Quantum Mechanics can consistently describe the use of itself. Scientific Reports (2019). arXiv:1809.08070
- Baumann V, Wolf R, Zeiner A. Classical Information and Collapse in Wigner’s Friend Setups. Entropy (2023). arXiv:2308.08260
- Cavalcanti E, Kaur E, Liu Z. On the consistency of relative facts. European Journal for Philosophy of Science (2023). DOI:10.1007/s13194-023-00551-8
- Hance J, Hossenlop S. The wave function as a true ensemble. Proceedings of the Royal Society A (2022). DOI:10.1098/rspa.2021.0705
- Sokolovski D, Belinchón J A. Wigner’s Friend Scenarios and the Internal Consistency of Standard Quantum Mechanics. Entropy (2021). DOI:10.3390/e23091186
- Yang J, Zhang L, Wu M. Law of Total Probability in Quantum Theory and Its Application in Wigner’s Friend Scenario. Entropy (2022). DOI:10.3390/e24070903
- Sokolovski D, Akhmatskaya E. Quantum Measurements with, and Yet without an Observer. Entropy (2020). DOI:10.3390/e22101185
- Ring D, Knuteson B, Anwar S. A Consistent Approach to Modeling Quantum Observers. Entropy (2025). DOI:10.3390/e27030302
- Allam J, Majidy S, Jofriet S, Heunen C. Making sense of relativistic Wigner friend scenarios: a problem for unitary accounts of quantum measurements?. arXiv (2023). arXiv:2310.04167
- Jones C L, Heunen C, Caspers M. On the significance of Wigner’s Friend in contexts beyond quantum foundations. arXiv (2024). arXiv:2402.08727
- Baumann V, Wolf R, Zeiner A. Wigner’s friend’s memory and the no-signaling principle. Quantum (2024). arXiv:2305.15497
- DeBrota J B, Fuchs C A, Stacey B C. Respecting One’s Fellow: QBism’s Analysis of Wigner’s Friend. Foundations of Physics (2020). arXiv:2008.03572
- Baumann V, Zeiner A. Wigner’s friend as a rational agent. arXiv (2019). arXiv:1901.11274
- Mackintosh R S. Wigner’s friend in context. arXiv (2019). arXiv:1903.00392
- Haddara M, Popescu S, Bimbil E. A possibilistic no-go theorem on the Wigner’s friend paradox. New Journal of Physics (2022). arXiv:2205.12223