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一篇文章让你知晓量子力学的来龙去脉(下)

一篇文章让你知晓量子力学的来龙去脉(下)

作者: 谢健生 | 来源:发表于2017-05-22 18:35 被阅读104次

爱因斯坦和波尔是整个量子力学中最为重要的两个人,他们都给这一新理论注入了有机能量。他们都对这场轰轰烈烈的革命给予肯定,毕竟事实就摆在眼前,量子力学的成功是有目共睹的。但在量子力学如日中天时,这两个革命者之间却发生了旷日持久的争执,一时瑜亮,也成为科学史上的佳话。

这一切由双缝实验说起。

双缝实验

在单色光源前放置一块有着一定距离的双缝的薄板,薄板另一边放置一块荧光屏。那么只要三块板之间的距离适中,那么荧光屏上就会显示出明暗相间的条纹,这就是光的干涉;如果将光源换成机关枪发射子弹,则不会出现干涉情况;而若是用电子枪,则干涉条纹再度出现。无论是光子、电子,还是中子、质子,我们都能够得到类似的干涉。这些粒子在经典中是粒子,而在这里却表现为波。而且这种波并不是粒子之间的相互作用而导致的,实验发现当入射的粒子是一个一个通过双缝时,也会出现干涉现象。

这种波粒二象性不可避免地带来争论,粒子是怎么通过双缝的?当你在每个缝都设置粒子探测器以探知每个粒子是通过哪个缝时,你能得知粒子路径,在屏幕上也得到唯一的荧光;当你要观察干涉现象时,那么粒子是同时分开地进入双缝,通过与自身的相消或者相长最后形成干涉!

面对这个问题,哥本哈根学派认为,你的观察创造了与其相关的历史,观察产生被观察属性。远看成岭侧成峰,取决于看问题的角度以及探测方式方法。选择观察干涉现象,则电子是以分开的波函数进行的,即走双路径;如果选择观察电子路径,则电子是以浓缩的粒子单一路径行进的。这样的解释,太违背我们的观念了,历史怎么可能由目前的行为而决定呢?这太不可思议了。爱因斯坦深受决定论和实在论影响,他说,“我想即使我不看它,月亮也还是在那儿。”物理世界是一个确定的状态,客观实在独立于人的意识,而且随时间有条不紊地行进,一切都满足严格的因果关系。他那句“上帝不掷骰子”,正表示对这种概率决定论的不满意。但波尔马上反驳:别叫上帝该做什么!

薛定谔方程的意义由波恩的概率解释给予,但薛定谔和爱因斯坦站在同一阵营,他反对这样的解释。概率解释说,在观察之前,波函数是延展的,各种可能性同时存在,而直到发生观察,波函数才坍缩,即唯一确定。但薛定谔认为世界是完全确定的。著名的薛定谔的猫就是来反驳嘲讽这种概率解释的。故事是这样的:在一个盒子中有一只猫,一个毒气瓶和放射性物质,一旦物质衰变则会打开毒气瓶杀死这只猫。猫的死活与物质是否衰变有关,而物质原子衰变受波函数影响,而波函数满足叠加原理,故在打开盒子观察之前,原子处于衰变和不衰变的叠加态中,那么猫也处于死和活的叠加态中,那么问题来了,猫究竟是死还是活?难道只有我看它一眼的时候,才能决定猫是死是活吗?这不也太荒谬了!

薛定谔的既死又活的猫

但哥本哈根并不想讨论这个问题,它只强调结果,未做的不予置评。科学不可能揭示超出观察的真实世界。量子力学所确定的概率性决定论,不同于以往的主观因素的不确定性,而是本质上的概率。严格来讲,我们之前所认识到的概率,只是由于主观上对信息的不把握,比如抛一枚硬币正面向上的概率是1/2,是统计性的,但如果我们对硬币抛出的初始状态以及各种影响因素都掌握的话,我们是完全能够消除其不确定性的,在未落地之前就得知哪面向上。但量子力学则不同,我们对于这种把握无能为力,无法控制,唯一能确定的只是它的概率。这两者的差别在于,前者是主观的,其概率随观察者所掌握的信息而各有不同,而后者是客观的,对任何观察者一视同仁,你唯一知道的只是薛定谔方程所得到的概率。而你要了解其真实的存在,你需要做的就是去观察它最终的状态。

在后来,爱因斯坦和两位同事根据量子力学的基本原理提出了最为著名的EPR悖论,即量子纠缠。认为量子纠缠超越了相对论所限定的光速,能彻底反驳量子论。思想实验是这样的:设想有一个量子系统由两个自旋为1/2的粒子构成,每个粒子的自旋要么向上要么向下,总自旋为零。现在将两个粒子放置在相隔遥远的两个地方,两个粒子的自旋处于不确定的状态,自旋向上或向下处于叠加状态。那么测量了其中某一粒子的自旋,一旦知道其自旋向上(向下),那么另外一个粒子的自旋必然向上(向下),这个过程无需时间,即刻发生,这明显违背了相对论的光速限制,而且这种效果是到底什么物理力作用的?爱因斯坦认为,如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的,那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量,即完备性判据。当我们不对体系进行任何干扰,却能确定地预言某个物理量的值时,必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量,即实在性判据。他把量子纠缠称之为“幽灵般的超距作用”,感觉已经大获全胜了,量子力学是不完备的,需要修正。而波尔认为这种纠缠是普遍的,并且是确切存在的,物理世界不是定域性的,它们之间有着“影响”。而且,波尔提出,科学的目标不是要解释大自然,而只是描述我们可以说的大自然。这里就必不可免的要与观察者的意识相关联,这暴露出了量子力学最大的危机,魏格纳说,“永远无法用一种完全自洽的却又跟意识五官的方式构建起量子力学的定律。”虽然量子力学与相对论所得到的结论都与观察者有关,但相对论没有扯上意识,它完全符合客观实在性的要求。

在EPR这个问题上,爱因斯坦和波尔都是支持这一事实的,但他们在哲学上有分歧,有着不同的解释。但量子力学实在是太好用了,无论爱因斯坦如何反驳,它都深受实用主义者的热爱,以至于在哲学上的争论无人关注,“闭嘴,会计算就是了!”这句话成了量子力学领域专家们的口头禅!

直到后来约翰·贝尔提出了著名的贝尔不等式,成了EPR的定音之锤。贝尔根据经典概率,假设我们的世界具有不由其观察而产生的物理上的真实属性(实在性),同时假设物体可以相互分离(可分性),使得在一个物体上发生的事情不能同时影响到其它物体,证明了相互关联的可观察量满足一种约束条件。这就是贝尔不等式。自然界若遵循这个不等式,那么爱因斯坦胜出,世界是局域性的,量子力学不完备,需要隐变量来完善。但最后事与愿违,1982年阿斯派克特通过孪生光子的偏振实验(不再详述),证明了贝尔不等式被违背,EPR成了佯谬。但爱因斯坦和波尔早已仙逝,不知他们如果还在世,会不会有新的见解?

费曼曾感叹说:“我想我可以肯定的说,没有人能理解量子力学。”没有人知道大自然真实的面貌,它是如此变幻莫测,琢磨不透,人类真的是太渺小了啊!但我想,正是人类的渺小,我们胸中拥有无穷的探知欲,人类终究会获知,大自然究竟是如何运作,以及这样运作的原理!

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