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量子物理学引发奇谈怪论:薛定谔的猫

2010-03-07
量子物理学,薛定谔的猫,平行宇宙
量子物理学引发奇谈怪论:薛定谔的猫(组图)
2010年03月07日新京报
在量子世界当中,会出现“量子纠缠”、“平行宇宙”等神奇的状态。它们对当代的文学、哲学产生了重要影响。新京报制图/郭宇
“量子纠缠”示意图。当转动一个粒子,则与它处于纠缠状态的那个,也会相应转动。
著名剧集《星际迷航》中的“时空穿梭”过程,可以用“平行宇宙”理论来解释。
漫画家笔下的“薛定谔的猫”,猫真的会处于“既是活的,又是死的”状态吗?
  量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论,但另一方面,它却和人类日常生活的经验如此格格不入。
  如今,很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说:“我敢肯定,现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史,它还有无数的谜尚待解开。
  1

  微观与宏观,水火不兼容

  物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何,量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何,但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们,物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么,神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢?在经典极限情况下,通过合理的近似,量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面,成了量子论过不去的一个坎。直到现在,理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。

  “哥本哈根学派”认为,物质在被观测之前,是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点,证实量子力学在宏观层面是不完整的,德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物:薛定谔的猫。

  这是一个思想实验:不透明的箱子里装着一只猫,箱子中另外还有一个原子衰变装置,原子会随机发生衰变,一旦衰变发生,就会激发一系列连锁反应,最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫,反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前,原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态,只有当打开箱子的一刹那,猫的死活才确定下来。所以,在打开箱子之前,猫既是死的,又是活的。问题是,现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢?我们的常识中,猫要么是死的,要么是活的。量子论无法解释现实世界,这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。

  “薛定谔的猫”出现之后,物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论:如果人的观测能决定猫的生死,那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢?

  2

  同一个世界,很多个宇宙?

  “虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’,我还是像你保证,没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中,“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。

  为了解决与现实世界兼容的问题,无数物理学家尝试了各种理论,最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。

  支持这个理论的科学家认为,“薛定谔的猫”实验中,箱子在被打开观测之前,与其说猫处于一种既死又活的状态,不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的,有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪?但这个理论的确成功避开了很多问题,将微观和宏观世界联系在了一起。

  然而,即使到现在,这个理论依然如此前卫,令人无法理解。最近20年间,它才开始受到人们的关注,并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中:因为平行宇宙的存在,时间线产生了分叉,出现了多重“历史”,人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。

  现在,“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果,其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中,而这个“时空”是多维度的,霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面,还没有任何物理证据证明其真实存在。

  3

  量子纠缠,挑战光速

  “量子纠缠”现象是说,一个粒子衰变成两个粒子,朝相反的两个方向飞去,同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”,则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说,两个处于“纠缠态”的粒子,无论相隔多远,同时测量时都会“感知”对方的状态。那么,这两个粒子如何实现瞬间的沟通,这种感知是否是超光速的,这是否违背了相对论呢?

  在量子力学中,微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中,某些定义的速度是可以超越真空光速的,但是到目前为止,还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。

  在现实世界中,不可能在人和石头之间建立某种感应,不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。

  20世纪下半叶至今的各类实验中,不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年,巴黎大学的物理学家证实,亚原子粒子在向相反方向发射后,在运动时依然可以彼此互通信息。2008年,日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次,两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。

  尽管如此,依然没人能让物理信号超越光速。

  4

  量子论不是

  “绝对真理”

  量子论是20世纪出现的最成功的理论,它和相对论成为现代物理学的两大基石,但这两个基石之间却互不包容,又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题,改变了人类的时空观;量子论的各种假设虽然不断被实验所证实,它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生,但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。

  为了将量子论和相对论结合起来,理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定,如果将来出现一个能替代量子论的理论,它必定能首先解释,为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。

  费曼曾说,“我们要记住,或许有一天量子理论会被证明是失败的,因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”

  而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法:“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性,但这只表明:它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有,也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”

  新知专题采写/本报记者 金煜

  本专题感谢:

  曾谨言(北京大学理论物理学家、

  《量子力学导论》作者)

  周正威(中科院量子信息重点实验室副主任)

  周善贵(中科院理论物理研究所研究员)

  曹天元(科学作家)

  清华大学理论计算机研究中心
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