摘要：最近，来自布鲁塞尔自由大学和维也纳量子光学与量子信息研究所的研究人员提出了一种新框架，用于从量子参考系的角度描述物理学。这一突破性研究揭示了一个关键概念——“额外粒子”，并强调了其在量子理论中不可忽视的重要性。

信息来源：https://phys.org/news/2025-09-framework-physics-perspective-quantum.html

最近，来自布鲁塞尔自由大学和维也纳量子光学与量子信息研究所的研究人员提出了一种新框架，用于从量子参考系的角度描述物理学。这一突破性研究揭示了一个关键概念——“额外粒子”，并强调了其在量子理论中不可忽视的重要性。

在物理实验中，任何测量结果通常都依赖于参考系。比如，时间的定义在很大程度上依赖于时钟，而位置则依赖于具体的位置关系。然而，经典参考系大多被视为确定的实体，只有在特定的背景下才能加以理解。随着量子物理的进展，研究人员开始认识到，每个系统的本质都是量子的，意味着它们可以存在于多种叠加态。

量子参考系的新挑战

图片来源：布鲁塞尔自由大学

研究者们致力于探悉当我们从量子参考系的角度观察物理世界时，所看到的景象究竟是什么，以及如何在不同的视角之间建立一致的变换规则。然而，这一努力面临的主要困难在于，量子参考系的变换结果对于远程系统的存在依赖性，使得与物理法则所崇尚的局部性相悖。换言之，量子状态的变化与其周围环境的联系日趋复杂。

为了解决这一难题，来自维也纳量子光学与量子信息研究所的Esteban Castro-Ruiz和布鲁塞尔自由大学的Ognyan Oreshkov采用标准量子力学的工具，发展出了一种数学上一致且有效的方法，以便在不同量子参考系的视角之间进行转换。这一新框架尤其强调了参考系本身在描述物理现象过程中的角色。

额外粒子的发现

单方设置。图片来源：通信物理学 （2025）。DOI：10.1038/s42005-025-02036-x

研究人员的关键发现在于，量子参考系的透视应包含其所有子系统，而不仅仅是我们传统所认为的描述系统。具体而言，他们引入了“额外粒子”的概念，这一子系统提供了与参考系本身关系属性的信息。

当参考系处于经典状态时，额外粒子似乎未能携带任何信息，可以被忽略。然而一旦参考系转换为量子态，额外粒子的存在便显得尤为重要，特别是在确保不同视角之间转换的可逆性方面。根据研究，科学家们能够通过测量额外粒子的属性，来判断一个参考系是经典状态还是量子叠加。

“我们所寻求的并非新实验结果，而是通过综合现有证据，提出这一额外粒子的概念，”卡斯特罗-鲁伊斯解释道。他强调，额外粒子的角色以及其在量子参考系中的重要性，为理解量子理论的多样性提供了新视角。

研究的广泛影响

这一新框架的构建不仅加深了我们对于量子参考系重要性的理解，还有可能为接下来的研究提供重要指导，例如在测量理论和引力等领域的应用。Oreshkov表示，“我们的框架能够在不存在外部框架的情况下，更加准确地推导出物理现象。”

研究团队展望未来，希望进一步探索如何将这一框架实际应用于解决物理学中未解的难题。随着量子物理学的不断发展，研究人员相信这一新的视角能够阐明量子理论与广义相对论之间的交叉点，乃至在揭示不确定因果顺序现象中发挥关键作用。

随着量子参考系概念的不断深化，科学界对于物理学的理解也在逐步拓宽。埃斯特班·卡斯特罗-鲁伊斯和奥格尼扬·奥雷什科夫的最新研究成功揭示了“额外粒子”在这一过程中不可或缺的角色，为物理学的未来探索铺平了道路。

这一理论上的创新让我们看到了物理学研究的新方向，也为复杂的量子现象开辟了更多的理解空间。未来的研究将继续追随这一思路，挑战我们对宇宙本质的认知。

来源：人工智能学家