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量子物理學:到底什么是真的?
量子物理學:到底什么是真的?
中科院物理所     阅读简体中文版


一項試驗表明,油滴能被槽液中產生的波推動。這促使物理學家重新思考類似事情使粒子表現得像波一樣的觀點。圖片來源:Dan Harris/MIT

   Owen Maroney担心,物理學家將大半個世紀都花在了欺騙行當上。

身為英國牛津大學物理學家的Maroney解釋說,自從他們在20世紀初發明量子理論后,就一直在討論它有多么奇怪,比如它如何使得粒子和原子同時在很多個方向移動,或者同時順時針和逆時針旋轉。不過,Maroney認為,討論終究不是證據。“如果我們告訴公眾量子理論是怪誕的,就最好證明這是真的。否則,我們不是在研究科學,只是在黑板上解釋一些好玩的胡亂涂鴉而已。”

   正是這種情懷讓Maroney和其他人開發出一系列新的試驗揭示波函數的本質,而這種神秘實體是量子怪誕性的核心所在。在論文中,波函數只是一個簡單的數學對象。物理學家用希臘字母Ψ表示,并且利用它描述粒子的量子行為。依靠試驗,波函數使研究人員得以計算出在任何一個特定位置觀測到電子的幾率,或者電子自旋朝上或朝下的可能性有多大。然而,數學無法闡明波函數真正是什么。它是一種實體的東西?或者只是一個計算工具?

   用來尋找答案的測試極其微細,并且尚未產生明確的答案。不過,研究人員對于答案將近持樂觀態度。如果真的是這樣,他們最終將能回答那些存在了幾十年的問題。一個粒子能否真的同時存在于很多地方?宇宙是否正在繼續把自己變成平行世界,而每個世界都擁有一個不同版本的我們?是否有客觀實體的東西存在?

   “這些是每個人在某種情況下都曾問過的問題。”澳大利亞昆士蘭大學物理學家Alessandro Fedrizzi說,到底什么才是真正的事實?


無知是福


   20世紀20年代,“量子論的哥本哈根詮釋”主要由物理學家Niels Bohr 和Werner Heisenberg提出。其認為波函數只不過是預言觀測結果的一種工具,并且警告物理學家不要關心背后的現實是什么樣子。“你無法責怪大多數物理學家遵從這種‘閉嘴,乖乖計算’的風氣,因為它在核物理學、原子物理學、固態物理學和粒子物理學領域都帶來了巨大的發展。”比利時魯汶天主教大學統計物理學家Jean Bricmont說,“因此,人們會說,讓我們不要担心大的問題。”

   不過,一些物理學家還是在担心。到了20世紀30年代,阿爾伯特·愛因斯坦駁斥了“哥本哈根詮釋”,并不僅僅因為它使兩個粒子的波函數糾纏不清,產生了對于一個粒子的測量結果能瞬時決定另一個狀態的情形,即使這些粒子被很遠的距離分開。愛因斯坦并沒有接受這種“幽靈般的超距作用”,反而更偏向于相信粒子的波函數是不完整的。他建議說,或許粒子擁有某種能決定測量結果但量子理論沒有捕捉到的“隱變量”。

   從那以后,試驗表明,這種“幽靈般的超距作用”是真實的,其排除了愛因斯坦所提議的隱變量的特定版本。不過,這并未阻止其他物理學家提出自己的詮釋。這些詮釋分為兩個廣泛的陣營。那些贊同愛因斯坦的人認為,波函數代表了人類的無知。還有些人將波函數視為實體。

為理解兩者之間的區別,請看1935年奧地利物理學家Erwin Schrodinger在一封寫給愛因斯坦的信中所描述的思維實驗。試著想象一只貓被關在鋼制盒子中,而這個盒子還含有一種放射性物質的樣品,后者有50%的幾率在一個小時內釋放出一種衰變產物。同時,盒子里設有一個裝置,如果它檢測到這種衰變,將毒死這只貓。Schrodinger寫道,由于放射性衰變是一種量子事件,因此按照量子理論規則,在一個小時結束后,盒子內部的波函數必須是活著的貓和死去的貓的等量混合。

   不過,這正是爭論被卡住的地方。在量子理論的眾多詮釋中哪個是正確的,如果有的話?這是一個用試驗方法很難回答的問題,因為不同模型之間的差異非常細微。

   2011年,情況發生了改變。一種關于量子測量的定理得以發表,而它似乎排除了“波函數是無知”的模型。不過,仔細研究發現,上述定理最終為“波函數是無知”模型留出了足夠的回旋空間。然而,它激發了物理學家認真思考通過真正測試波函數真實性解決爭論的方法。Maroney已設計出一項在原理上行得通的試驗。他和其他人很快找到了使其在實踐中可行的方法。去年,Fedrizzi、昆士蘭大學物理學家Andrew White和其他人開展了此項試驗。


孤立無援


   一種類似的模棱兩可出現在量子系統中。例如,實驗室中的單一測量結果并不總是能辨別出光子是如何被極化的。“在實際生活中,很容易區分西面和西面稍偏南。但在量子系統中,并沒有這么簡單。”White說。根據標準的“哥本哈根詮釋”,質疑什么是極化沒有任何意義,因為這個問題沒有答案。或者說,至少得等到另一個測量結果能精確地決定那個答案。不過,根據“波函數是無知”模型,這個問題非常有意義,只是因為試驗沒有獲得足夠信息來回答它。

   這正是Fedrizzi團隊所測試的事情。他們在一束光子中測量了極化和其他特征,并且發現了無法被“無知模型”解釋的一定程度的重疊。研究結果支持另一種觀點,即如果客觀實體存在,那么波函數也是真實的。

   不過,結論仍然不是牢不可破的,因為探測器獲得的只是測試中使用的約五分之一的光子。研究團隊不得不假定,丟失的光子正表現出相同的方式。這是一個很大的假設,而研究組目前正努力消除取樣間隔,以產生明確的結果。與此同時,Maroney在牛津大學的團隊正在同新南威爾士大學的一個小組合作,利用比光子更容易追蹤的離子開展類似測試。


平行世界


   一種“波函數是實體”的模型已經很出名,并且被科幻小說作家深愛:上世紀50年代由當時還是普林斯頓大學研究生的Hugh Everett提出的“多個世界詮釋”。在多個世界的畫面中,波函數主宰著實體的演化。其影響是如此深遠,以至于無論何時量子測量完成,宇宙都會分裂為平行的“副本”。換句話說,打開關有貓的盒子,兩個平行世界將擴展出來,一個有一只活的貓,一個含有一具尸體。

   其實,很難將Everett的“多個世界詮釋”同標準量子理論區分開來,因為兩者都作出了完全相同的預測。不過,去年,來自格里菲斯大學的Howard Wiseman和他的同事提出一種可測試的“多元宇宙模型”。他們的框架不含有波函數:粒子遵循著經典原則,比如牛頓的運動定律。量子實驗中看見的怪誕效應之所以會產生,是因為平行宇宙中的離子及其克隆之間存在排斥力。“它們之間的這種排斥力建立了在所有平行世界中傳播的漣漪。”Wiseman介紹說。

   通過利用計算機模擬多達41個相互作用的世界,他們發現這種模型大致能復制一些量子效應,包括雙縫實驗中粒子的軌跡。隨著世界數量的增加,相互干預模式同標準量子理論預測的模式越來越接近。Wiseman表示,由于該理論依靠宇宙數量預測不同結果,因此應該有可能設計出核驗其多元宇宙模型是否正確的方法。

   由于Wiseman的模型不需要波函數,因此它將保持著可行性,即使未來的試驗排除了“無知模型”。同時幸存的還有諸如“哥本哈根詮釋”等那些認為沒有客觀實體存在的模型。

   不過,White說,到那時,這將是最終的挑戰。盡管還沒有人知道如何實現它,“真正令人激動的是設計出檢驗事實上是否有任何客觀實體存在的測試”。(宗華)


來源:《中國科學報》

2015-08-23 08:53

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