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量子物理的巅峰对决

量子物理的巅峰对决

在物理学上,有一场争论从上个世纪20年代一直延续至今。这是物理学史上持续时间最久、思想交锋最激烈的一场争论,几乎把所有大牌人物,诸如爱因斯坦、玻尔、薛定谔、惠勒等都卷了进去。连“一贯正确”的爱因斯坦,这一次都落了下风。

争论所涉及的问题自然非同小可。小而言之,可以动摇科学的根基,大而言之,影响到我们看待世界的方式。因为这是一场关于“实在”的争论。要而言之,就是我们该“如何看待实在”。

哲学上的“实在”之争

“如何看待实在”这话哲学味有点重,换句话表达,其实就是“如何看待世界”或“如何看待事物”。

你或许会说,这有什么好问的?唯物主义不是说,世界是不以人的意志为转移的客观存在吗?

没错。但我们知道,哲学上还有别的观点。譬如,我国明代的大哲学家王阳明主张,一切皆由心生,心外无物。据说,有一次他与朋友郊游,朋友指着花树问:“你说心外无物。但此花树在山中自开自落,与我的心有何干?”王阳明回答:“你未看此花时,此花与你的心同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来,由此便知此花不在你的心外。”你可能会把这种回答视为狡辩,但仔细想想,恐怕也难以驳倒。

此外,介于唯物、唯心之间,还有以康德哲学为代表的另一种观点。康德说,首先,在我们身外,是存在着那么一个不以人的意志为转移的世界,但他又说,这个世界自身到底是什么样的,是我们永远无从知道的。为什么呢?因为我们要获得对它的认识,就不得不通过观察;但在观察时,由于人类感官以及意识不由自主的参与,已经对外来信息进行了加工;加工后在我们头脑中形成的世界,跟纯然客观的那个世界已不大一样。

这种说法也有道理。譬如,你在墙上画一条直线,然后在中间擦去一小段,露个缺口。当你从远处看时,会以为这是一条连续的直线。神经生物学告诉我们,人类观察外物时,喜欢获得一个清晰的轮廓;一旦轮廓线有中断,意识就会自作主张通过想象来填补。但这样得来的轮廓,显然已跟原样不大一样。

所以你看,事情远没有教科书上说的那么简单。“如何看待实在”“到底有没有纯客观的实在”,这类问题在哲学上争议了几千年,至今也没争出个名堂。

威力无比又充满争议的量子力学

但是科学的根基当然是建立在唯物基础上的。科学不仅承认在我们之外存在着一个客观的世界;而且还承认,事物运动存在着客观规律;而科学的任务就是把自然规律揭示出来。试想,倘若“物由心生”,每个人看到的世界都各不相同;倘若牛顿三大定律只对牛顿眼里的世界成立;科学还有理由存在么?

但是,如此明白的道理到了量子的时代,似乎一下子成了问题。

诞生于一个多世纪以前的量子力学,是关于原子、光子等微观粒子的一门学科。一百多年来,它取得了辉煌的成就。没有它,就不会有今天被广泛使用的电脑、手机等设备;它还解释了“天空为什么是蓝的?”“星星是如何发光的?”这类自古以来悬而未决的问题;实验已一再证实了它所预言的许多奇怪结论,譬如超导、超流、希格斯粒子等;在某些情况下,理论预言甚至跟实验结果相符到小数点后面十几位。

但奇怪的是,就是这么一门了不起的理论,自诞生之日起,它的含义到底是什么,就费人索解。因为这涉及到一个重大的问题—如何看待实在?

争议的核心—波函数

目前,对量子力学的解释至少流行着十几个版本。每一版本对实在的看法都不一样。争论的核心是一个叫“波函数”的东西。它是物理世界中某个实实在在的东西吗?抑或,它仅只是一个为预测结果而人为发明出来的抽象的数学工具?

让我们来解释一下,什么叫实实在在的东西,什么叫抽象的数学工具。你在中学物理课上,大概已学过诸如力、能量、电场、磁场等概念。虽然肉眼不可见,但你总不能否认,它们是实实在在的吧。但有些东西就不一样了。譬如,炒股的人爱津津乐道某只股票的曲线。但世界上当然不存在“股票曲线”这玩意儿,存在的只是一只只具体的股票和它们在不同时间的价格。至于股票曲线,那是人们为了方便起见,发明出来用于描述股票价格涨落的。换句话说,它只是一个抽象的数学工具。

那么,争论涉及的波函数又是什么呢?

在经典物理学中,用一组波动方程来描述电磁波的运动。我们把方程中出现的随空间、时间变化的电场或磁场,笼统地称作波函数。在这种情况下,很显然,波函数就是电场或磁场本身,是一种实实在在的东西。

在量子世界,由于粒子具有波粒二象性,物理学家借鉴经典物理学,也用一个叫波函数的量来描述微观粒子的运动。但是,当他们试图把波函数解释成像电场、磁场那样实实在在的物理量时,却遇到了巨大的困难。最后,他们不得不接受德国物理学波恩提出的一种解释:量子世界里的波,不是通常意义上的波,而是一种概率波,波函数用来描述粒子出现在空间某一点附近的概率,自身并不指任何可观测的物理量。原则上,只要知道了波函数,其他一切可观测的物理量,如位置、能量、动量等,都可以从它推导出来。但由于量子的不确定性原理,这些量不具有经典力学的确定值,波函数所能告诉我们的,只是一个概率的分布,比如粒子在某个位置附近出现的概率是多少,等等。

这个解释后来上升为量子力学的标准解释,秉持这种观点的是以丹麦物理学家玻尔为代表的哥本哈根学派。

既然波函数本身是不可观测的,按理说,它就不应该是一个实实在在的东西,而只是一种计算工具。(物理学史上,与此类似的一个例子是原子的概念。尽管科学家早在18世纪就已经提出了原子论,但由于原子实在太小,人们在很长时间内都没直接观察到它,于是一些人曾提出,原子或许并不是一种实际存在的东西,而只是一个有用的数学概念。直到20世纪人们直接观测到原子之后,这种质疑声才停止。)然而吊诡的是,在标准解释中,波函数还具有其他一些匪夷所思的特征。这些特征似乎又表明,它是一种实际存在的东西。

匪夷所思的波函数

第一个奇怪的特征是,一个粒子的波函数是各种可能状态的叠加。换句话说,粒子处于一种“叠加态”。

什么是“叠加态”?

举个例子。根据我们的日常经验,一个物体某一时刻总处于某个确定的状态。比如我说,狗狗现在“在”客厅里,或是说,狗狗现在“不在”客厅里。要么在,要么不在,两种情况必居其一。然而,在微观的量子世界里,情况却有所不同。例如,电子可以同时位于两个不同的地点:A和B。也就是说,电子既在A,又不在A。电子的状态是“在A”和“不在A(在B)”两种状态按一定概率的叠加。微观粒子的这种混合状态,叫做“叠加态”。处于叠加态的粒子,状态是不确定的,波函数只能告诉你,处于A状态的概率是多少,处于B状态的概率是多少,而不能确切地告诉你,粒子此刻到底处于A还是处于B。

但是,我们在观测的时候,在同一时刻不是在A,就是在B捕捉到这个粒子,总不能在同一时刻既在A处,又在B处捕捉到它吧?这个矛盾怎么解决呢?

这就涉及到波函数的第二个特性,即坍缩。标准解释说,当我们对粒子的状态进行“观测”时,粒子的叠加态就不复存在,而是“坍缩”到“在A”,或是“不在A”两个状态的其中之一。但是,微观与宏观之不同在于观测之前。在宏观世界里,狗狗在不在客厅,观测之前即已成事实,并不以你“看”还是“不看”为转移。而微观粒子在测量前处于什么状态,是不确定的,直到测量它的那一刻,波函数发生坍缩,各种可能性变成了一种可能性,它才以一个确定的状态呈现出来。

尽管坍缩的机制是什么,至今依然还没搞清楚,但毋庸置疑,只有实实在在的东西才会坍缩,一个抽象的数学工具总不能坍缩吧。所以这样一来,波函数似乎又是某种实际存在的东西。

值得一提的是,波恩最初是把波函数当作一个数学工具的,但后来改变了看法。所以,至今在量子力学的标准解释里,波函数被认为是像能量、场一样的真实存在。

爱因斯坦PK玻尔

但对于这样一种存在该如何理解呢?

传统的科学虽然承认存在着一个客观的实在,但还认为,我们只要足够细心,总可以不干扰观测对象本身,观测者自身的影响可以忽略不计。但我们已经看到了,在量子世界里,不仅观测者对于观测对象的干扰不可避免(根据不确定性原理,你要测量粒子的位置,就不可避免要干扰它的动量;反之亦然),而且观测者处于至高无上的地位,因为正是观测决定着观测结果(观测结果是波函数坍缩所致,而波函数坍缩又源于观测)!

玻尔认为,要理解波函数的这些古怪特征,我们必须学会以全新的眼光看待实在,至少要敢于承认,在微观物理世界,纯然客观的实在是不存在的,观测对象和观测者总是“捆绑”在一起的。瞧,这里已经有点康德哲学的味儿了。

对于玻尔等人的这种主张,爱因斯坦十分反感,认为它动摇了科学的根基。一个月夜,爱因斯坦一边散步,一边问一位同事:“你真的相信,当你没看月亮的时候,月亮不在那里吗?”

但下面这个双缝干涉实验似乎证明玻尔的观点是对的。

用一把精确控制的电子枪,让电子一个一个地射向两条平行的狭缝。从经典观点来看,一个电子不可分,并且电子之间不会互相干涉。但是,实验结果却表明,电子束在后面的屏幕上产生了明暗相间的干涉条纹。由于干涉是波的一种特性,所以在这个例子中,电子以波的形式存在。

这个结果已经够奇怪了吧,但更诡异的事情还在后头。

为了探索干涉是如何发生的,物理学家在两个狭缝口放上两个粒子探测器,企图测量每个电子到底走了哪条缝,如何形成了干涉条纹?然而,意想不到的事情发生了:一旦想要用任何方法观察电子到底是通过了哪条狭缝,干涉条纹便立即消失了!这时,电子又以粒子的形式存在了。

瞧,观测似乎决定了电子的存在形式!观测决定了实验结果!玻尔赢了!

薛定谔PK玻尔

但玻尔等人的解释毕竟太神秘,太不可思议了;再者,你要是问,既然宏观物体都是由粒子组成的,为什么在日常生活中看不到量子效应?玻尔等人恐怕也解答不了。

凡此种种不满意之处,让一些物理学家更青睐另一种看法:波函数并不是一种真实存在的东西,它仅仅是像股票曲线对于股票一样的数学工具,用以反映特定结果发生的概率。这样可以消除量子力学的悖论。为了理解这一点,让我们来看一个例子:薛定谔的猫。

薛定谔也是量子力学的奠基人之一。他提出的这个著名思想实验,组成部件包括:钢箱、猫、放射性元素、粒子探测器、锤子和一瓶氰化物。猫被置于钢箱内,盖子关严,没有人能看到里面发生了什么。因为衰变是一种随机行为,在任意时刻,放射性元素可能衰变,也可能不衰变。如果它衰变,就发射出高能粒子。探测器检测到粒子后,会启动开关,让锤子砸下,打碎小瓶。瓶里的有毒气体将把猫杀死。如果放射性元素没有衰变,猫就会活下去。

如果按标准解释,放射性粒子在未测量时,同时处于既衰变又未衰变的叠加态;只有在测量时,它才会变身为某个确定的状态—要么衰变了,要么未衰变。那么,这对猫意味着什么呢?难道说,在人们打开箱子之前,猫处于既死又活的状态?

薛定谔通过这个思想实验狠狠嘲笑了玻尔等人的观点。他认为,要消除这个悖谬,唯一的办法是,承认波函数不可能是一种真实的存在,它仅仅是用于描述不同事件发生概率的一个数学工具。放射性粒子要么衰变了,要么未衰变,不可能同时既衰变又未衰变;猫也一样,要么活着,要么死了,不可能同时既是活的又是死的。猫的状态在人们打开盖子观察之前就决定了。当盖子打开时,唯一发生变化的是我们关于猫的命运的认识。

的确,薛定谔的解释很有说服力。但问题又来了:前面那个双缝干涉实验中,如果波函数并非真实存在,那些明暗相间的干涉条纹该如何解释呢?

“冲浪”的粒子理论

对于薛定谔等人否认波函数真实存在的主张,不仅玻尔不认同,爱因斯坦也不能接受。在承认“波函数是一种真实的存在”这一点上,爱因斯坦跟玻尔倒是一致的。

但除此之外,爱因斯坦和玻尔就没有共同语言了。他不仅反对玻尔的“观察决定结果”的观点,也反对“叠加态”的观点。针对“叠加态”,他说过一句很有名的话:“上帝不会掷骰子”。玻尔的回答是:“爱因斯坦,别去指挥上帝应该怎么做!”几十年后,霍金的说法是:“上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”

爱因斯坦至死都相信,宇宙中没有什么是不确定的,而量子力学声称的不确定,只表明它本身是有缺陷的,它在描述“实在”时,肯定还缺了点什么;假如有一天建立起一个更全面的关于“实在”的理论,量子世界里那些捉摸不定的性质,就能得到满意的解释。

延续爱因斯坦的这一思路,历史上一些人做了有益的探索。1927年,法国物理学家路易斯·德布罗意提出一种叫“导航波”的解释。他说,波和粒子同样是真实的,每个粒子就像冲浪的人一样,“骑”在自己的波上,波的传播引导着粒子的运动。但粒子和波的运动,都严格遵照经典物理学的规律。

为了理解这一理论,我们先来看一个实验:用一个培养皿盛上一小碟硅油,然后用牙签滴入一粒小水滴。由于水不溶于硅油,当水滴落到硅油表面时,就产生一种波。波传播到培养皿的四壁,又被反射回来。这样来回反射,反射波彼此叠加,在培养皿中形成稳定的波动。在下一次弹跳时,水滴与波相互作用,譬如说水滴刚好落在波峰的右侧,那么它就会被波往右方推。只要水滴的弹跳与波的振动保持协调,让它始终落在涌起的波峰右侧,那么水滴就会被波一直推着往右方运动。水滴产生波,波又引导水滴的运动,这就是一个导航波的例子。

旧理论的 “复活”

导航波理论可以解释包括双缝干涉在内的很多量子现象,而且不会跟经典物理学的观念冲突。遗憾的是,与标准解释相比,它不会给我们提供更多的认识(如果它是比量子力学更全面的理论,它理应能提供我们更多新的认识),所以自诞生之日起,它就处于非主流地位。但近些年又引起了重视。

譬如,最近美国物理学家瓦伦蒂尼声称,他找到一个验证导航波理论正确与否的机会。他说,导航波理论预测的某些效应,可能会在宇宙微波背景辐射上留下印记。

微波背景辐射源于大爆炸之后不久,如今它在空间的分布是非常均匀的。然而,详细的观测发现,它也有轻微的变化。标准的量子理论可以解释几乎所有这些微小变化,但在2015年,普朗克卫星发回来的数据显示,在背景辐射中还存在着一些标准量子理论解释不了的微小异常。瓦伦蒂尼认为,这些异常或许正是他一直在寻找的,因为虽然标准量子理论预测,随机的量子涨落在早期宇宙中会留下印记,因而会在背景辐射中留下一些微小的变化,但导航波理论预言,涨落具有较少的随机性(换句话说,不会杂乱无章得太厉害),因此留下的印记会跟标准量子理论的预言稍有不同。既然某些微小的异常是标准量子理论解释不了,那或许可用导航波理论来解释。

最疯狂的解释

对量子力学的所有解释中,最疯狂的要数由美国物理学休·埃弗雷特提出的“平行宇宙理论”。这个理论如今几乎家喻户晓。

该理论跟标准解释一样,也承认波函数是真实存在的。区别在于:标准解释说,在观测时波函数发生了坍缩;平行宇宙理论则否认了神秘的波函数坍缩,但又引入一个同样神秘的观点,认为任意时刻每发生一个事件,大至天体爆炸,小至电子跃迁,世界就以一种不为人知的方式分裂,事件的每一种可能性都会在自己的世界里真实地发生。由此,宇宙每时每刻都在以惊人的速度繁殖。只是它们彼此不相通,我们观察不到别的宇宙中发生的事情而已。

这种以一种神秘代替另一种神秘的做法有什么用处呢?

还是以薛定谔的猫为例。标准解释说,未做观察前,这只猫处于既生又死的状态;在打开盖子观察时,它才选定了一种确定的状态。正是这个说法让人无法接受。

平行宇宙理论则说,没错,未观察前,是可以说猫处于既生又死的状态,但死猫和活猫并不处于同一个宇宙。因为放射性粒子衰变时,包括观察者在内的整个宇宙都一分为二了:在一个宇宙,放射性粒子衰变,猫被毒死;在另一个宇宙,放射性粒子未衰变,猫活着。我们打开盖子观察,并没有“逼迫”波函数坍缩,只是确认了自己处于哪个宇宙:如果你发现猫死了,就可以说“嗯,看来我是处于猫死的宇宙”;但另有一个“我”却处于猫活的宇宙。这样就巧妙地避开了猫既生又死的悖论。

目前平行宇宙理论有不少拥趸,但它的软肋是既不能证实,又不能证伪,游走在科学和科幻之间。

最近一些年的进展

四年前,三位英国物理学家发表了一篇文章。他们用了一个复杂的数学论证证明,任何不把波函数当作真实对象来看待的量子力学解释,都会与量子力学本身冲突。既然量子力学的正确性是不可动摇的,那么错误的当然只能是与之冲突的一方。所以,如果这一论证是正确的,那么像“平行宇宙理论”这样将波函数视为物理实在的解释,似乎就更加合理了。

最近几年,还有一种叫量子贝叶斯理论的解释,在物理学家中大受欢迎。这种解释杂糅了玻尔和薛定谔两派的观点。一方面,它赞同薛定谔的说法,认为波函数只是一个数学工具,并不对应着物理实在;另一方面,它又赞同玻尔的观点,认为没有纯客观的实在,观察者和观察对象总是不可避免相互影响的。由于涉及的理论过于深奥,对于细节就不加以赘述了。这里只想告诉大家一点:这个理论甚至取消波函数,企图用概率论来重新构建量子力学,而且已经取得初步的成功。

本文源自大科技<科学之谜> 2017年第11期杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997

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