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量子理论是怪诞的吗

2018-12-06 09:45:07

Owen Maroney担心,物理学家将大半个世纪都花在了欺骗行当上。

身为英国牛津大学物理学家的Maroney解释说,自从他们在20世纪初发明量子理论后,就一直在讨论它有多么奇怪,比如它如何使得粒子和原子同时在很多个方向移动,或者同时顺时针和逆时针旋转。不过,Maroney认为,讨论终究不是证据。“如果我们告诉公众量子理论是怪诞的,就最好证明这是真的。否则,我们不是在研究科学,只是在黑板上解释一些好玩的胡乱涂鸦而已。”

正是这种情怀让Maroney和其他人开发出一系列新的试验揭示波函数的本质,而这种神秘实体是量子怪诞性的核心所在。在论文中,波函数只是一个简单的数学对象。物理学家用希腊字母Ψ表示,并且利用它描述粒子的量子行为。依靠试验,波函数使研究人员得以计算出在任何一个特定位置观测到电子的几率,或者电子自旋朝上或朝下的可能性有多大。然而,数学无法阐明波函数真正是什么。它是一种实体的东西?或者只是一个计算工具?

用来寻找答案的测试极其微细,并且尚未产生明确的答案。不过,研究人员对于答案将近持乐观态度。如果真的是这样,他们最终将能回答那些存在了几十年的问题。一个粒子能否真的同时存在于很多地方?宇宙是否正在继续把自己变成平行世界,而每个世界都拥有一个不同版本的我们?是否有客观实体的东西存在?

“这些是每个人在某种情况下都曾问过的问题。”澳大利亚昆士兰大学物理学家Alessandro Fedrizzi说,到底什么才是真正的事实?

无知是福

20世纪20年代,“量子论的哥本哈根诠释”主要由物理学家Niels Bohr 和Werner Heisenberg提出。其认为波函数只不过是预言观测结果的一种工具,并且警告物理学家不要关心背后的现实是什么样子。“你无法责怪大多数物理学家遵从这种‘闭嘴,乖乖计算’的风气,因为它在核物理学、原子物理学、固态物理学和粒子物理学领域都带来了巨大的发展。”比利时鲁汶天主教大学统计物理学家Jean Bricmont说,“因此,人们会说,让我们不要担心大的问题。”

不过,一些物理学家还是在担心。到了20世纪30年代,阿尔伯特·爱因斯坦驳斥了“哥本哈根诠释”,并不仅仅因为它使两个粒子的波函数纠缠不清,产生了对于一个粒子的测量结果能瞬时决定另一个状态的情形,即使这些粒子被很远的距离分开。爱因斯坦并没有接受这种“幽灵般的超距作用”,反而更偏向于相信粒子的波函数是不完整的。他建议说,或许粒子拥有某种能决定测量结果但量子理论没有捕捉到的“隐变量”。

从那以后,试验表明,这种“幽灵般的超距作用”是真实的,其排除了爱因斯坦所提议的隐变量的特定版本。不过,这并未阻止其他物理学家提出自己的诠释。这些诠释分为两个广泛的阵营。那些赞同爱因斯坦的人认为,波函数代表了人类的无知。还有些人将波函数视为实体。

为理解两者之间的区别,请看1935年奥地利物理学家Erwin Schrodinger在一封写给爱因斯坦的信中所描述的思维实验。试着想象一只猫被关在钢制盒子中,而这个盒子还含有一种放射性物质的样品,后者有50%的几率在一个小时内释放出一种衰变产物。同时,盒子里设有一个装置,如果它检测到这种衰变,将毒死这只猫。Schrodinger写道,由于放射性衰变是一种量子事件,因此按照量子理论规则,在一个小时结束后,盒子内部的波函数必须是活着的猫和死去的猫的等量混合。

不过,这正是争论被卡住的地方。在量子理论的众多诠释中哪个是正确的,如果有的话?这是一个用试验方法很难回答的问题,因为不同模型之间的差异非常细微。

2011年,情况发生了改变。一种关于量子测量的定理得以发表,而它似乎排除了“波函数是无知”的模型。不过,仔细研究发现,上述定理最终为“波函数是无知”模型留出了足够的回旋空间。然而,它激发了物理学家认真思考通过真正测试波函数真实性解决争论的方法。Maroney已设计出一项在原理上行得通的试验。他和其他人很快找到了使其在实践中可行的方法。去年,Fedrizzi、昆士兰大学物理学家Andrew White和其他人开展了此项试验。

孤立无援

一种类似的模棱两可出现在量子系统中。例如,实验室中的单一测量结果并不总是能辨别出光子是如何被极化的。“在实际生活中,很容易区分西面和西面稍偏南。但在量子系统中,并没有这么简单。”White说。根据标准的“哥本哈根诠释”,质疑什么是极化没有任何意义,因为这个问题没有答案。或者说,至少得等到另一个测量结果能精确地决定那个答案。不过,根据“波函数是无知”模型,这个问题非常有意义,只是因为试验没有获得足够信息来回答它。

这正是Fedrizzi团队所测试的事情。他们在一束光子中测量了极化和其他特征,并且发现了无法被“无知模型”解释的一定程度的重叠。研究结果支持另一种观点,即如果客观实体存在,那么波函数也是真实的。

不过,结论仍然不是牢不可破的,因为探测器获得的只是测试中使用的约五分之一的光子。研究团队不得不假定,丢失的光子正表现出相同的方式。这是一个很大的假设,而研究组目前正努力消除取样间隔,以产生明确的结果。与此同时,Maroney在牛津大学的团队正在同新南威尔士大学的一个小组合作,利用比光子更容易追踪的离子开展类似测试。

平行世界

一种“波函数是实体”的模型已经很出名,并且被科幻小说作家深爱:上世纪50年代由当时还是普林斯顿大学研究生的Hugh Everett提出的“多个世界诠释”。在多个世界的画面中,波函数主宰着实体的演化。其影响是如此深远,以至于无论何时量子测量完成,宇宙都会分裂为平行的“副本”。换句话说,打开关有猫的盒子,两个平行世界将扩展出来,一个有一只活的猫,一个含有一具尸体。

其实,很难将Everett的“多个世界诠释”同标准量子理论区分开来,因为两者都作出了完全相同的预测。不过,去年,来自格里菲斯大学的Howard Wiseman和他的同事提出一种可测试的“多元宇宙模型”。他们的框架不含有波函数:粒子遵循着经典原则,比如牛顿的运动定律。量子实验中看见的怪诞效应之所以会产生,是因为平行宇宙中的离子及其克隆之间存在排斥力。“它们之间的这种排斥力建立了在所有平行世界中传播的涟漪。”Wiseman介绍说。

通过利用计算机模拟多达41个相互作用的世界,他们发现这种模型大致能复制一些量子效应,包括双缝实验中粒子的轨迹。随着世界数量的增加,相互干预模式同标准量子理论预测的模式越来越接近。Wiseman表示,由于该理论依靠宇宙数量预测不同结果,因此应该有可能设计出核验其多元宇宙模型是否正确的方法。

由于Wiseman的模型不需要波函数,因此它将保持着可行性,即使未来的试验排除了“无知模型”。同时幸存的还有诸如“哥本哈根诠释”等那些认为没有客观实体存在的模型。

不过,White说,到那时,这将是最终的挑战。尽管还没有人知道如何实现它,“真正令人激动的是设计出检验事实上是否有任何客观实体存在的测试”。

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