量子物理學(xué)引發(fā)奇談怪論:薛定諤的貓     漫畫家筆下的“薛定諤的貓”，貓真的會處于“既是活的，又是死的”狀態(tài)嗎？ 量子論被公認(rèn)為是科學(xué)史上最成功的、被實驗結(jié)果符合最好的理論，但另一方面，它卻和人類日常生活的經(jīng)驗如此格格不入。 如今，很多實驗物理學(xué)家還在驗證這一理論在80年前所做的基本假設(shè)。物理學(xué)家們依然還在為這個理論頭疼不已。著名物理學(xué)家費曼就曾說：“我敢肯定，現(xiàn)在沒有一個人能夠懂得量子力學(xué)?！北M管已經(jīng)走過百年歷史，它還有無數(shù)的謎尚待解開。 微觀與宏觀，水火不兼容 物理學(xué)家常常會說“傳統(tǒng)物理學(xué)認(rèn)為如何如何，量子物理學(xué)則認(rèn)為如何如何”或者“客觀現(xiàn)實中如何如何，但量子世界裏卻如何如何”這樣的“鬼話”。量子物理學(xué)家告訴我們，物質(zhì)在被測量之前是不確定的?！安淮_定性”是量子世界的基本法則?！坝^測”是在不確定的量子世界和確定的現(xiàn)實之間轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。那麼，神秘的量子世界和日常的現(xiàn)實世界到底能否兼容呢？在經(jīng)典極限情況下，通過合理的近似，量子理論可以自動過渡到經(jīng)典世界的物理理論。但如何描述這兩個世界的交界面，成了量子論過不去的一個坎。直到現(xiàn)在，理論物理學(xué)家仍然未能將兩者恰當(dāng)?shù)芈?lián)係起來。 “哥本哈根學(xué)派”認(rèn)為，物質(zhì)在被觀測之前，是處于一種不確定的疊加態(tài)的。為了反駁這種觀點，證實量子力學(xué)在宏觀層面是不完整的，德國物理學(xué)家薛定諤設(shè)計出物理學(xué)史上最著名的動物：薛定諤的貓。 這是一個思想實驗：不透明的箱子裏裝著一只貓，箱子中另外還有一個原子衰變裝置，原子會隨機發(fā)生衰變，一旦衰變發(fā)生，就會激發(fā)一係列連鎖反應(yīng)，最終打破箱子裏的毒氣罐而毒死貓，反之貓則活。在打開箱子觀測那一瞬間之前，原子的衰變和貓的死活都處于一種疊加態(tài)，只有當(dāng)打開箱子的一剎那，貓的死活才確定下來。所以，在打開箱子之前，貓既是死的，又是活的。問題是，現(xiàn)實中的貓怎麼可能是“既死又活”的呢？我們的常識中，貓要麼是死的，要麼是活的。量子論無法解釋現(xiàn)實世界，這成了量子論無數(shù)個困惑之謎中最神秘的一點。 “薛定諤的貓”出現(xiàn)之後，物理和哲學(xué)界就客觀世界和人的意識的決定因素產(chǎn)生了一場大討論：如果人的觀測能決定貓的生死，那是否人的意識也會決定客觀世界的走向呢？ 同一個世界，很多個宇宙？ “雖然我支持在無數(shù)個宇宙中存在著無數(shù)個Sheldon的‘平行宇宙理論’，我還是像你保證，沒有任何一個宇宙中的我會和你跳舞。”《生活大爆炸》中，“宅男”Sheldon這麼回復(fù)美女Penny的邀舞請求。 為了解決與現(xiàn)實世界兼容的問題，無數(shù)物理學(xué)家嘗試了各種理論，最著名的恐怕就是上世紀(jì)50年代興起的“平行宇宙”(多世界理論)。 支持這個理論的科學(xué)家認(rèn)為，“薛定諤的貓”實驗中，箱子在被打開觀測之前，與其說貓?zhí)幱谝环N既死又活的狀態(tài)，不如說這只貓同時處于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中貓是活的，有的“宇宙”中貓是死的。聽起來是不是很奇怪？但這個理論的確成功避開了很多問題，將微觀和宏觀世界聯(lián)係在了一起。 然而，即使到現(xiàn)在，這個理論依然如此前衛(wèi)，令人無法理解。最近20年間，它才開始受到人們的關(guān)注，並成為量子力學(xué)的熱門理論。霍金甚至將這一理論用到解釋時空旅行中：因為平行宇宙的存在，時間線產(chǎn)生了分叉，出現(xiàn)了多重“歷史”，人們因此可能可以進行時空旅行。這一解釋也解決了此前人們在時空旅行中關(guān)于“殺死過去的我”的悖論。 現(xiàn)在，“多世界理論”演化出的“時空穿梭”已經(jīng)成為很多科幻作品中的主題。但這個理論完全是嚴(yán)格遵循數(shù)學(xué)方程演化得來的結(jié)果，其前提認(rèn)為所有“宇宙”都包容在同一個“時空”中，而這個“時空”是多維度的，霍金所提出的進行“時空旅行”的“蟲洞”目前只存在于理論層面，還沒有任何物理證據(jù)證明其真實存在。 量子糾纏，挑戰(zhàn)光速 “量子糾纏”現(xiàn)象是說，一個粒子衰變成兩個粒子，朝相反的兩個方向飛去，同時會發(fā)生向左或向右的自旋。如果其中一個粒子發(fā)生“左旋”，則另一個必定發(fā)生“右旋”。兩者保持總體守恒。也就是說，兩個處于“糾纏態(tài)”的粒子，無論相隔多遠，同時測量時都會“感知”對方的狀態(tài)。那麼，這兩個粒子如何實現(xiàn)瞬間的溝通，這種感知是否是超光速的，這是否違背了相對論呢？ 在量子力學(xué)中，微觀物質(zhì)很可能的確展現(xiàn)出和日常生活中的常識相悖的情況?！霸谖锢硎澜缰?，某些定義的速度是可以超越真空光速的，但是到目前為止，還沒有一個可以讓人信服的實驗結(jié)果支持‘物理信號可以超越真空光速’這一論斷。”中科院量子信息重點實驗室副主任周正威強調(diào)。 在現(xiàn)實世界中，不可能在人和石頭之間建立某種感應(yīng)，不經(jīng)接觸就令石頭發(fā)生改變。但瞬間感應(yīng)可能發(fā)生在量子世界中。愛因斯坦不滿地將“量子糾纏”稱為“遙遠的鬼魅行為”。 20世紀(jì)下半葉至今的各類實驗中，不斷有人證實各種超光速現(xiàn)象的出現(xiàn)。1982年，巴黎大學(xué)的物理學(xué)家證實，亞原子粒子在向相反方向發(fā)射後，在運動時依然可以彼此互通信息。2008年，日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家再次進行類似實驗。這次，兩個相互感應(yīng)的粒子距離超過17千米。奧地利科學(xué)家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在兩個相距144千米的島嶼之間觀測到光子的量子糾纏現(xiàn)象。 盡管如此，依然沒人能讓物理信號超越光速。 量子論不是“絕對真理” 量子論是20世紀(jì)出現(xiàn)的最成功的理論，它和相對論成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石，但這兩個基石之間卻互不包容，又都不完整。相對論很好地解釋了時空扭曲等問題，改變了人類的時空觀；量子論的各種假設(shè)雖然不斷被實驗所證實，它或許也能幫助人類理解宇宙為何憑空而生，但卻始終沒法解釋量子世界和宏觀世界的交界面上所發(fā)生的一切。 為了將量子論和相對論結(jié)合起來，理論界出現(xiàn)了如“量子引力”、“超弦”等更加復(fù)雜難懂的理論?？梢钥隙ǎ绻麑沓霈F(xiàn)一個能替代量子論的理論，它必定能首先解釋，為什麼現(xiàn)有的各種實驗?zāi)軌蛉绱朔狭孔永碚摗? 費曼曾說，“我們要記住，或許有一天量子理論會被證明是失敗的，因為它和我們?nèi)粘５纳罱?jīng)驗、哲學(xué)是如此地不同。” 而理論物理學(xué)家曾謹(jǐn)言也在《物理》雜志所發(fā)表的《量子物理學(xué)百年回顧》一文中表達了他的看法：“迄今所有實驗都肯定了量子力學(xué)的正確性，但這只表明：它在人類迄今實踐所及的領(lǐng)域是正確的。量子力學(xué)並非絕對真理。量子力學(xué)並沒有，也不可能關(guān)閉人們進一步認(rèn)識自然界的道路。量子力學(xué)與廣義相對論之間的矛盾並未解決。” |
聯(lián)系客服
