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量子理论实际上告诉我们什么是现实?物理学家一直在研究

对于推翻了伟大的艾萨克牛顿关于光的本质的想法的演示,它非常简单。英国物理学家托马斯·杨在1803年11月对伦敦皇家学会的成员们说,“无论阳光照到什么地方”,它都可以“非常容易地重复”,描述现在被称为双实验的实验。他提出了一个优雅、自然而然的实验,以显示光的波形性质,并驳斥了牛顿关于光是由小体或粒子构成的理论。

但是,20世纪初量子物理学的诞生清楚地表明,光是由微小的、不可分割的能量单位或量子组成的,我们称之为光子。托马斯·杨的实验,当用单个光子或甚至单个物质粒子(如电子和中子)完成时,是一个令人费解的难题,它提出了关于现实的本质的基本问题。有些人甚至用它来论证量子世界是受人类意识的影使我们的头脑在宇宙的本体论中占有一席之地。但是,这个简单的实验真的证明了这一点吗?

在现代量子形式中,杨的实验包括将光或物质的单个粒子在两个狭缝或开口处照射,这些狭缝或开口被切割成一个不透明的屏障。在屏障的另一边是一个屏幕(例如,光子情况下的照相板),记录粒子的到达。常识告诉我们,光子应该经过狭缝,然后堆积在每个狭缝后面。

相反的,他们走到了屏幕的某些部分,而避开其他部分,创造出交替的光带和暗带。这些所谓的干涉条纹,就是当两组波重叠时所产生的干涉条纹。当一波的波峰与另一波的波峰排成一行时,你会得到相长干涉,当波峰与波谷一致时,你会得到相消干涉。

但在任何时候只有一个光子穿过仪器。就像每个光子同时穿过两个狭缝干涉自身一样。这不具有经典意义。

然而,从数学上讲,穿过这两个狭缝的并不是物理粒子或物理波,而是一种叫做波函数的东西-一个抽象的数学函数,代表光子的状态(在这种情况下是它的位置)。波函数的行为就像波。它撞上两条裂缝,新的波从另一边的裂缝中发射出来,传播开来,最终相互干扰。组合波函数可用于计算人们可能找到光子的概率。

光子在两波作用产生相长干涉的地方被发现的可能性很高,而在相消干涉的区域不太可能被发现。测量在这种情况下波函数与照相板的相互作用,被称为波函数塌缩。它从测量前的扩散到在测量时光子出现的地方达到峰值。

波函数的这种明显的测量引起的塌缩是量子力学中许多概念困难的根源。在崩溃之前,没有办法确定光子会在哪里着陆。它可以出现在任何一个概率为非零的地方。没有办法绘制光子从光源到探测器的轨迹图。

沃纳·海森堡等人将数学解释为在观察之前不存在现实。他写道:“一个客观真实的世界,其最小的部分客观地存在,与石头或树木相同的意义上,与我们是否观察到它们无关,这种想法是不可能的。”约翰·惠勒也使用了双缝实验的一种变体,认为“没有一个基本的量子现象是一种现象,除非它是一种记录的现象。”

但是,关于什么是“测量”,量子理论是完全不清楚的。它只是假设测量装置必须是经典的,而没有界定经典物理和量子物理之间的界限,从而为那些认为人类意识需要被唤醒以导致塌缩的人敞开大门。去年5月,亨利·斯塔普和他的同事们在论坛上争论说,双缝实验及其现代变种提供了证据,证明“有意识的观察者可能是理解量子领域不可或缺的”,并且超个人思想是物质世界的基础。

但这些实验并不构成这种说法的实证证据。在单光子双缝实验中,我们所能做的就是验证数学上的概率预测。如果概率是在通过双缝发射数以万计相同光子的过程中得到证实的话,该理论声称每个光子的波函数都塌缩,这要归功于一个叫做测量的不确定过程。仅此而已。

另外,还有其他解释双缝实验的方法。以德布罗利-博姆理论为例,认为现实既是波又是粒子。光子总是以一个确定的位置朝双缝方向运动,并穿过一个或另一个狭缝,因此每个光子都有一个轨迹。它驾驶着一个导频波,经过两个狭缝,干涉,然后引导光子到一个有相长干涉的位置。

1979年,伦敦伯克贝克学院的克里斯·杜德尼及其同事模拟了该理论对粒子通过双缝轨迹的预测。在过去的十年里,实验者已经证实了这种轨迹的存在,尽管使用了一种叫做弱测量的有争议的技术。尽管存在争议,但实验表明,德布罗利-博姆理论仍然作为量子世界行为的一种解释而存在。

最重要的是,这一理论不需要观察或测量,也不需要非物质意识。

所谓的塌缩理论也是如此,它认为波函数是随机塌缩的:量子系统中粒子的数量越多,崩溃的可能性就越大。观察者只是发现了结果。奥地利维也纳大学的马库斯·阿恩特的团队一直在通过双缝发射越来越大的分子来验证这些理论。塌缩理论预言,当物质的粒子变得比某一阈值更大时,它们就不能停留在同时穿过两个狭缝的量子叠加中,这将破坏干涉图样。阿恩特的研究小组通过双缝发射了一个拥有800多个原子的分子,他们仍然看到了干扰。对阈值的搜索仍在继续。

罗杰·彭罗斯有他自己的塌陷理论,在这个理论中,物体的质量越大,由于引力的不稳定性,它就会越快地塌缩到某一种状态。再说一遍,这是一个独立于观察者的理论。不需要意识。加州大学圣巴巴拉分校的德克·鲍迈斯特正在测试彭罗斯对双缝实验的看法。

从概念上讲,这个想法不仅仅是把一个光子放入同时经过两个狭缝的叠加,而且也把其中一个狭缝放在同时存在于两个位置的叠加中。彭罗斯认为,当光子飞行时,偏移的狭缝要么保持在叠加状态,要么塌缩,从而导致不同类型的干涉图样。塌陷将取决于裂缝的质量。鲍迈斯特在这个实验上已经工作了十年,可能很快就能证实或反驳彭罗斯的说法。

至少,这些实验表明,我们还不能对现实的本质提出任何主张,即使这些主张在数学上或哲学上都有很好的动机。考虑到神经科学家和心灵哲学家对意识本质的不同看法,认为意识塌缩波函数往好里说是不成熟的,往坏里说是误导和错误的。

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