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2022物理诺奖颠覆了相对论?

2022年诺贝尔物理学奖已经揭晓,三位量子力学领域的物理学家获奖。

三位物理学家通过实验证明了贝尔不等式成立。这是对量子纠缠理论的肯定,同时也宣告爱因斯坦的“隐形变量”理论错误。

然而,很多自媒体的作者并没有正确理解此次诺奖的成果,给出了一些误导性、甚至是错误的解读。比较常见的错误解读有两大类。

1、本届物理诺奖证明爱因斯坦《相对论》中光速是宇宙极限速度的假设被推翻,宇宙中存在超越光速传播的速度。由此可以证明爱因斯坦错了

2、量子纠缠理论带来了哲学革命,推翻了因果律。量子力学史上的双缝干涉实验证实了意识决定物质世界,我们所看到的世界由理念决定

显然,以上错误解读都是因为不了解量子力学导致,接下来我逐一解释。

先说第一个错误,量子纠缠证明爱因斯坦的“光速是宇宙第一速度”的假设错了吗不是

解释这个问题之前,先普及一下量子力学的基础概念。

高中教育阶段的物理学讲过构成物质的基本粒子是原子,但原子不是最小微粒,原子内还有质子、中子、电子三种更小的微粒。那么这三种微粒是最小粒子吗?

也不是。迄今为止发现的最小粒子有10种,分为三大类,一类是费米子、一类是玻色子、还有一类是是希格斯粒子

这些最小粒子在微观世界中不停地自旋,物理学家们通过一个统计学方程波函数来描述最小粒子的自旋状态。

如果粒子的自旋状态是整数(0、1,-1,2,-2...),那这种粒子就是玻色子。典型的玻色子光子胶子光子是实现光传播的微粒,胶子是实现强相互作用的微粒。

如果粒子的自旋状态是半整数(1/2,-1/2,3/2,-3/2...),那这种粒子就是费米子。典型的费米子夸克、电子夸克构成质子、中子电子是原子内的基本粒子。

介绍完粒子的自旋状态,接下来介绍量子纠缠

微观世界的粒子会衰变成两个粒子,衰变后的粒子向两个相反方向飞去。一个自旋为0玻色子,衰变为两个自旋为半整数费米子。根据动量守恒定律,这两个衰变后的粒子自旋总动量也应该为0。如果衰变后其中一个费米子自旋为1/2,那另一个衰变的费米子自旋就是(-1/2)。

可见这两个粒子之间的状态具有相关性,这就是量子纠缠

量子纠缠只代表粒子间的相关性和相互作用、信息传播无关

如果将衰变后的两个粒子分隔超远的距离,比如一个粒子被密封后由宇航员带到月球上,另一个粒子留在地球上。在宇航员打开密封箱之前,他所携带粒子的自旋状态有50%概率为1/250%概率为(-1/2)。当宇航员在月球上打开密封箱那一刻,观测到粒子的自旋为1/2,那么地球上的那个粒子自旋就一定是(-1/2)。反之如果打开密封箱那一刻,观测到粒子的自旋为(-1/2),那么地球上的那个粒子自旋就一定1/2。

爱因斯坦对量子纠缠现象产生了困惑。他认为量子力学存在缺陷,于是他和波多尔斯基、罗森共同提出了EPR佯谬

爱因斯坦提出了定域性存在性两个哲学假定:

1、粒子的测量结果与(客观)测量过程无关(存在性);

2、粒子的属性不由外界距离而改变,只能由低于光速传播的相互作用而改变(定域性)。

根据爱因斯坦的假定,必然存在某个隐形变量决定量子纠缠状态。在爱因斯坦假定的基础上,英国物理学家斯图尔特-贝尔推导出一个著名的数学不等式:贝尔不等式

如果贝尔不等式成立,则证明爱因斯坦隐形变量理论成立。反之,如果贝尔不等式不成立,则证明隐形变量理论不成立

本届诺贝尔物理学奖的三位得主,分别设计了不同实验,证明了贝尔不等式不成立,由此彻底推翻了隐形变量假说。

科学是一个不断证伪的过程,证明一个猜想或假说不成立也是科学的巨大进步,因此诺贝尔物理学奖被授予三位科学家,可谓实至名归。

显然,本届诺奖的成果仅证明了一个假说不成立,绝对没有打破《相对论》极限光速传播的假设,而且也不能证明两个相隔遥远的粒子之间存在相互作用。至今还没有为量子纠缠提出完备的理论解释,所以解决爱因斯坦的困惑还有很长的一段路要走。

在这里简单分享一位量子力学大咖薛定谔关于量子纠缠的猜想。

薛定谔认为量子纠缠存在的原因是存在一个平行空间。受限于科技水平,现阶段还无法探测、或者证实高维度空间存在。如果存在三维以上的平行空间,那么在发生纠缠的两个粒子之间,或许能通过这个平行空间完成信息传播相互作用,从而呈现给我们三维空间内量子纠缠粒子的确定性

薛定谔的猜想还没被证实,但对于量子纠缠的科学探索永远不会停止。可以肯定的是,《相对论》至今为止完全正确

所有的科学进步都是从质疑开始,哪怕爱因斯坦这样的权威,他的定域性哲学假定也必须接受质疑,而且已经被证伪

同理爱因斯坦提出的存在性哲学假定:粒子的客观测量结果与测量过程无关。是不是也该被质疑?

这就引出了第二个要批判的观点,双缝干涉实验是否能证实意识决定物质世界,即我们所看到的世界由理念决定?

我们进入历史上著名的双缝干涉实验。

将光束照射入两条狭缝,光会在远端的探测屏上显示出干涉图样,光束被展开。如果狭缝越狭窄,则展开角度越大。这就是双缝导致干涉的实验证据。

但是,如果使用探测器来探测经过狭缝的光子,则原本的干涉图样会消失不见。一旦撤走探测器,干涉图样又会重现于探测屏,这种因为观察而导致物理现象消失的情况就是著名的观察者效应

双缝干涉实验的观察者效应,直观上似乎证明观测、测量改变了粒子状态,推翻了爱因斯坦的存在性假设,这也成为哲学革命结论的证据。看似人的观测行为,影响了物质世界的存在性,所以意识是第一性的,人类所看到的世界由意识决定

是这样吗?不是

因为微观世界的观测行为不是完全被动的客观行为,而是改变客观世界的主动行为。在探测器放入实验环境那一刻,粒子世界的环境已经发生了改变。

我们之前说过,光子是迄今发现的最小的一种玻色子。探测器观测是一个成像的过程,这个过程需要探测器发射出光子,遇到被观测对象后反射,在探测设备上留下阴影而形成图像。整个成像过程需要探测器发出的光子主动参与,这导致测量器发出的光子与被观测光束的光子之间产生了干扰,以至于实验光束的光子根本无法到达探测屏,所以就出现了观察者效应

其实类似问题在宏观世界也会遇到。用一个卡尺测量一个物体的长度,卡钳一定会刮蹭掉这个物体表面的一些原子,那么被测量物体的长度就会受到测量的微小影响,只不过这个影响超出了卡尺的可感知范围,我们忽略不计而已。

然而,量子世界则完全不同,我们测量的对象是这个世界上最小的微粒,而测量仪器的最小精度不比被测量粒子更小,甚至比它还大,那么测量必然主动改变粒子状态

所以,微观世界没有客观测量过程,爱因斯坦的存在性假说没有被证伪,观察者效应无法证明意识决定物质

爱因斯坦晚年接受了量子世界宏观世界的不同。由于《相对论》的研究方法论以确定性为基础,所以爱因斯坦认为上帝不掷筛子。但是一系列的实验证明微观世界的不确定性,所以爱因斯坦在其著作《相对论》中有过这样一个哲学总结:

微观世界的物理现象本质是统计学问题,宏观世界的物理现象本质是几何学问题。

的确,量子力学中描述粒子的所有函数都是统计学表达式。相对论中关于场作用力的描述都归结为几何学定理,比如光在超大天体附近弯曲是因为天体周围的空间发生了弯曲。

其实,爱因斯坦对这个世界的总结与柏拉图的哲学思想遥相呼应。柏拉图在《迈帝欧篇》中用几何学解释世界,而爱因斯坦也是用数学解释世界,是柏拉图哲学思想的延伸。

我认可笛卡尔唯心主义的“我思故我在”,但我也认可笛卡尔和大卫休谟的怀疑论。而所有怀疑的基础是基于理性思考、客观性,迄今为止,量子纠缠还局限在科学与数学能解释的范畴内,远没有达到颠覆哲学认识的程度。

最后,希望能破除已有认知,大胆质疑和假设,小心求证,捍卫真理。

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