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量子物理史话 为了那个神圣的目标而继续奋战

选自:量子史话   出版社:   作者:castor_v_pollux

 

 量子物理史话

 

好了各位,到此为止,我们在量子世界的旅途已经接近尾声。我们已经浏览了绝大多数重要的风景点,探索了大部分先人走过的道路。但是,正如我们已经强烈地感受到的那样,对于每一条道路来说,虽然一路上都是峰回路转,奇境叠出,但越到后来却都变得那样地崎岖不平,难以前进。虽说“入之愈深,其进愈难,而其见愈奇”,但精神和体力上的巨大疲惫到底打击了我们的信心,阻止了我们在任何一条道上顽强地冲向终点。

 

当一次又一次地从不同的道路上徒劳而返之后,我们突然发现,自己已经处在一个巨大的迷宫中央。在我们的身边,曲折的道路如同蛛网一般地辐射开来,每一条都通向一个幽深的不可捉摸的未来。我已经带领大家去探讨了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史等6条道路,但要告诉各位的是,仍然还有非常多的偏僻的小道,我们并没有提及。比如有人认为当进行了一次“观测”之后,宇宙没有分裂,只有我们大脑的状态(或者说“精神”)分裂了!这称为“多精神解释”(many-minds intepretation),它名副其实地算得上一种精神分裂症!还有人认为,在量子层面上我们必须放弃通常的逻辑(布尔逻辑),而改用一种“量子逻辑”来陈述!另一些人不那么激烈,他们觉得不必放弃通常的逻辑,但是通常的“概率”概念则必须修改,我们必须引入“复”的概率,也就是说概率并不是通常的01,而是必须描述为复数!华盛顿大学的物理学家克拉默(John G Cramer)建立了一种非定域的“交易模型”(The transactional model),而他在牛津的同行彭罗斯则认为波函数的缩减和引力有关。彭罗斯宣称只要空间的曲率大于一个引力子的尺度,量子线性叠加规则就将失效,这里面还牵涉到量子引力的复杂情况诸如物质在跌入黑洞时如何损失了信息……等等,诸如此类。即便是我们已经描述过的那些解释,我们的史话所做的也只是挂一漏万,只能给各位提供一点最基本的概念。事实上,每一种解释都已经衍生出无数个变种,它们打着各自的旗号,都在不遗余力地向世人推销自己,这已经把我们搞得头晕脑胀,不知所措了。现在,我们就像是被困在克里特岛迷宫中的那位忒修斯(Theseus),还在茫然而不停地摸索,苦苦等待着阿里阿德涅(Ariadne)——我们那位可爱的女郎——把那个指引方向,命运攸关的线团扔到我们手中。

 

1997年,在马里兰大学巴尔的摩郡分校(UMBC)召开了一次关于量子力学的研讨会。有人在与会者中间做了一次问卷调查,统计究竟他们相信哪一种关于量子论的解释。结果是这样的:哥本哈根解释13票,多宇宙8票,玻姆的隐变量4票,退相干历史4票,自发定域理论(GRW)1票,还有18票都是说还没有想好,或者是相信上述之外的某种解释。到了1999年,在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上,又作了一次类似的调查,这次哥本哈根4票,修订过的运动学理论(它们对薛定谔方程进行修正,比如GRW)4票,玻姆2票,而多世界(MWI)和多历史(DH)加起来(它们都属于那种认为“没有坍缩存在”的理论)得到了令人惊奇的30票。但更加令人惊奇的是,竟然有50票之多承认自己尚无法作出抉择。在宇宙学家和量子引力专家中,MWI受欢迎的程度要高一些,据统计有58%的人认为多世界是正确的理论,而只有18%明确地认为它不正确。但其实许多人对于各种“解释”究竟说了什么是搞不太清楚的,比如人们往往弄不明白多世界和多历史到底差别在哪里,或许,它们本来就没有明确的分界线。就算是相信哥本哈根的人,他们互相之间也会发生严重的分歧,甚至关于它到底是不是一个决定论的解释也会造成争吵。量子论仍然处在一个战国纷争的时代,玻尔,海森堡,爱因斯坦,薛定谔……他们的背影虽然已经离我们远去,但他们当年曾战斗过的片战场上仍然硝烟弥漫,他们不同的信念仍然支撑着新一代的物理学家,激励着人们为了那个神圣的目标而继续奋战。

 

想想也真是讽刺,量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一,到今天为止它的基本数学形式已经被创立了将近整整80年。它在每一个领域内都取得了巨大的成功,以致和相对论一起成为了支撑物理学的两大支柱。80年!任何一种事物如果经历了这样一段漫长时间的考验后仍然屹立不倒,这已经足够把它变成不朽的经典。岁月将把它磨砺成一个完美的成熟的体系,留给人们的只剩下深深的崇敬和无限的唏嘘,慨叹自己为何不能生于乱世,提三尺剑立不世功名,参予到这个伟大工作中去。但量子论是如此地与众不同,即使在它被创立了80年之后,它仍然没有被最后完成!人们仍在为了它而争吵不休,为如何“解释”它而闹得焦头烂额,这在物理史上可是前所未有的事情!想想牛顿力学,想想相对论,从来没有人为了如何“解释”它们而操心过,对比之下,这更加凸现出量子论那独一无二的神秘气质。

 

人们的确有理由感到奇怪,为什么在如此漫长的岁月过去之后,我们不但没有对量子论了解得更清楚,反而越来越感觉到它的奇特和不可思议。最杰出的量子论专家们各执一词,人人都声称只有他的理解才是正确的,而别人都错了。量子谜题已经成为物理学中一个最神秘和不可捉摸的部位,Zeilinger有一次说:“我做实验的唯一目的,就是给别的物理学家看看,量子论究竟有多奇怪。”到目前为止,我们手里已经攥下了超过一打的所谓“解释”,而且它的数目仍然有望不断地增加。很明显,在这些花样繁多的提议中间,除了一种以外,绝大多数都是错误的。甚至很可能,到目前为止所有的解释都是错误的,但这却并没有妨碍物理学家们把它们创造出来!我们只能说,物理学家的想象力和创造力是非凡的,但这也引起了我

们深深的忧虑:到底在多大程度上,物理理论如同人们所骄傲地宣称的那样,是对于大自然的深刻“发现”,而不属于物理学家们杰出的智力“发明”?

 

但从另外一方面看,我们对于量子论本身的确是没有什么好挑剔的。它的成功是如此巨大,以致于我们除了咋舌之外,根本就来不及对它的奇特之处有过多的评头论足。从它被创立之初,它就挟着雷霆万钧的力量横扫整个物理学,把每个角落都塑造得焕然一新。或许就像狄更斯说的那样,这是最坏的时代,但也是最好的时代。

 

量子论的基本形式只是一个大的框架,它描述了单个粒子如何运动。但要描述在高能情况下,多粒子之间的相互作用时,我们就必定要涉及到场的作用,这就需

 

要如同当年普朗克把能量成功地量子化一样,把麦克斯韦的电磁场也进行大刀阔斧的量子化——建立量子场论(quantum field theory)。这个过程是一个同样令人激动的宏伟故事,如果铺展开来叙述,势必又是一篇规模庞大的史话,因此我们只是在这里极简单地作一些描述。这一工作由狄拉克开始,经由约尔当、海森堡、泡利和维格纳的发展,很快人们就认识到:原来所有粒子都是弥漫在空间中的某种场,这些场有着不同的能量形态,而当能量最低时,这就是我们通常说的“真空”。因此真空其实只不过是粒子的一种不同形态(基态)而已,任何粒子都可以从中被创造出来,也可以互相湮灭。狄拉克的方程预言了所谓的“反物质”的存在,任何受过足够科普熏陶的读者对此都应该耳熟能详:比如一个正常的氢原子由带正电的质子和带负电的电子组成,但在一个“反氢原子”中,质子却带着负电,而电子带着正

电!当一个原子和一个“反原子”相遇,它们就轰隆一声放出大量的能量辐射,然后双方同时消失得无影无踪,其关系就符合20世纪最有名的那个物理方程:Emc^2

 

最早的“反电子”由加州理工的安德森(Carl Anderson)1932年在研究宇宙射线的时候发现。它的意义是如此重要,以致于仅仅过了4年,诺贝尔奖评委会就罕见地授予他这一科学界的最高荣誉。

 

但是,虽然关于辐射场的量子化理论在某些问题上是成功的,但麻烦很快就到来了。1947年,在《物理评论》上刊登了有关兰姆移位和电子磁矩的实验结果,这和现有的理论发生了微小的偏差,于是人们决定利用微扰办法来重新计算准确的值。但是,算来算去,人们惊奇地发现,当他们想尽可能地追求准确,而加入所有的微扰项之后,最后的结果却适得其反,它总是发散为无穷大!

 

这可真是让人沮丧的结果,理论算出了无穷大,总归是一件荒谬的事情。为了消除这个无穷大,无数的物理学家们进行了艰苦卓绝,不屈不挠的斗争。这个阴影是如此难以驱散,如附骨之蛆一般地叫人头痛,以至于在一段时间里把物理学变成了一个让人无比厌憎的学科。最后的解决方案是日本物理学家朝永振一郎、美国人施温格(Julian S Schwiger)和戴森(Freeman Dyson),还有那位传奇的费因曼所分别独立完成的,被称为“重正化”(renormalization)方法,具体的技术细节我们就不用理会了。虽然认为重正化牵强而不令人信服的科学家大有人在,但是采用这种手段把无穷大从理论中赶走之后,剩下的结果其准确程度令人吃惊得瞠目结舌:

处理电子的量子电动力学(QED)在经过重正化的修正之后,在电子磁距的计算中竟然一直与实验值符合到小数点之后第11位!亘古以来都没有哪个理论能够做到这样教人咋舌的事情。

 

实际上,量子电动力学常常被称作人类有史以来“最为精确的物理理论”,如果不是实验值经过反复测算,这样高精度的数据实在是让人怀疑是不是存心伪造的。但巨大的胜利使得一切怀疑都最终迎刃而解,QED也最终作为量子场论一个最为悠久和成功的分支而为人们熟知。虽然最近彭罗斯声称说,由于对赫尔斯-泰勒脉冲星系统的观测已经积累起了如此确凿的关于引力波存在的证明,这实际上使得广义相对论的精确度已经和实验吻合到10的负14次方,因此超越了QED(赫尔斯和泰勒获得了1993年诺贝尔物理奖)。但无论如何,量子场论的成功是无人可以否认的。朝永振一郎,施温格和费因曼也分享了1965年的诺贝尔物理奖。

 

抛开量子场论的胜利不谈,量子论在物理界的几乎每一个角落都激起激动人心的浪花,引发一连串美丽的涟漪。它深入固体物理之中,使我们对于固体机械和热性质的认识产生了翻天覆地的变化,更打开了通向凝聚态物理这一崭新世界的大门。在它的指引下,我们才真正认识了电流的传导,使得对于半导体的研究成为可能,而最终带领我们走向微电子学的建立。它驾临分子物理领域,成功地解释了化学键和轨道杂化,从而开创了量子化学学科。如今我们关于化学的几乎一切知识,都建立在这个基础之上。而材料科学在插上了量子论的双翼之后,才真正展翅飞翔起来,开始深刻地影响社会的方方面面。在量子论的指引之下,我们认识了超导和超流,我们掌握了激光技术,我们造出了晶体管和集成电路,为一整个新时代的来临真正做好了准备。量子论让我们得以一探原子内部那最为精细的奥秘,我们不但更

加深刻地理解了电子和原子核之间的作用和关系,还进一步拆开原子核,领略到了大自然那更为令人惊叹的神奇。在浩瀚的星空之中,我们必须借助量子论才能把握恒星的命运会何去何从:当它们的燃料耗尽之后,它们会不可避免地向内坍缩,这时支撑起它们最后骨架的就是源自泡利不相容原理的一种简并压力。当电子简并压力足够抵挡坍缩时,恒星就演化为白矮星。要是电子被征服,而要靠中子出来抵抗时,恒星就变为中子星。最后,如果一切防线都被突破,那么它就不可避免地坍缩成一个黑洞。但即使黑洞也不是完全“黑”的,如果充分考虑量子不确定因素的影响,黑洞其实也会产生辐射而逐渐消失,这就是以其鼎鼎大名的发现者史蒂芬?霍金而命名的“霍金蒸发”过程。

 

 

当物质落入黑洞的时候,它所包含的信息被完全吞噬了。因为按照定义,没什么能再从黑洞中逃出来,所以这些信息其实是永久地丧失了。这样一来,我们的决定论再一次遭到毁灭性的打击:现在,即使是预测概率的薛定谔波函数本身,我们都无法确定地预测!因为宇宙波函数需要掌握所有物质的信息,而这些信息却不断地被黑洞所吞没。霍金对此说了一句同样有名的话:“上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!”这个看不见的地方就是黑洞奇点。不过由于蒸发过程的发现,黑洞是否在蒸发后又把这些信息重新“吐”出来呢?在这点上人们依旧争论不休,它关系到我们的宇宙和骰子之间那深刻的内在关系。

 

最后,很有可能,我们对于宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生了什么?是否存在奇点?在奇点处物理定律是否失效?因为在宇宙极早期,引力场是如此之强,以致量子效应不能忽略,我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费因曼的路径积分手段之后,哈特尔(就是提出DH的那个)和霍金提出了著名的“无边界假设”:宇宙的起点并没有一个明确的边界,时间并不是一条从一点开始的射线,相反,它是复数的!时间就像我们地球的表面,并没有一个地方可以称之为“起点”。为了更好地理解这些问题,我们迫切地需要全新的量子宇宙学,需要量子论和相对论进一步强强联手,在史话的后面我们还会讲到这个事情。

 

量子论的出现彻底改变了世界的面貌,它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说,如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识,DNA的双螺旋结构也就不会被发现,分子生物学也就无法建立,也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说,没有量子力学,也就没有欧洲粒子物理中心(CERN),而没有CERN,也就没有互联网的www服务,更没有划时代的网络革命,各位也就很可能看不到我们的史话,呵呵。

 

如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件,那么可以毫不夸张地说,这既不是两次世界大战,也不是共产主义运动的兴衰,也不是联合国的成立,或者女权运动,殖民主义的没落,人类探索太空……等等。它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活的每一个角落,它的影响无处不在,触手可得。许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现相对论和量子论究竟谁更“伟大”,从一个普遍的意义上来说这样的比较是毫无意义的,所谓“伟大”往往不具有可比性,正如人们无聊地争论李白还是杜甫,莫扎特还是贝多芬,汉朝还是罗马,贝利还是马拉多纳,Beatles还是滚石,阿甘还是肖申克……但仅仅从实用性的角度而言,我们可以毫不犹豫地下结论说:是的,量子论比相对论更加“有用”。

 

也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论,但它的进步意义依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代,怀念那些因果关系一丝不苟,宇宙的本质简单易懂的日子,但这也已经更多地是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说:“曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫做老南方。在这个美丽的世界里,绅士们最后一次风度翩翩地行礼,骑士们最后一次和漂亮的女伴们同行,人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书本中去寻找的旧梦,一个随风飘逝的文明。”虽然有这样的伤感,但人们依然还是会歌颂北方扬基们最后的胜利,因为我们从他们那里得到更大的力量,更多的热情,还有对于未来更执着的信心。

 

 

 

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