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奇妙的量子世界

2012-09-01

奇妙的量子世界

综合《上帝与新物理学》和《原子中的幽灵》这两本书,围绕量子问题涉及了“杨氏双缝实验”,“惠勒延迟实验”,“海森堡测不准原理”,“哥本哈根解释”,“爱因斯坦——波多尔斯基——罗孙(EPR)实验”,“贝尔定理”,“阿尔派克特实验”,“冯-诺依曼回归推理”,“薛定谔猫佯谬”,“平行宇宙假设”,让我慢慢讲来。

双缝实验

杨氏双缝实验,光线通过双缝会形成干涉条纹,这个“干涉图是不可能从两个只有单缝存在所记录的图像的迭加中得到的。”因此“每个光子或电子必定以某种方式,独个地计及到开着双孔还是单孔。”“将粒子看成这样一种东西,有时是方便的,即它通过无限多条路径,其中每一条都对它的行为起作用,”《原》

物理学家想到“在两孔的前方各放一个探测器,以便预先肯定一个具体的电子向哪一个孔运动,这样一来,那位物理学家,在不让电子‘知道’从而不改变其运动的情况下,不能突然把另一个孔关闭吗?”可是由于海森伯不确定性原理,“为要使各个电子的位置测量精确到足以识别它所正接近的孔的程度,电子的运动受到如此之大的扰动,致使干扰图倔强地消失了!”《原》

玻尔提出了一个“可能的解决方法。可以把光子通过狭缝A的情况看成是一可能的世界,把光子通过狭缝B的情况看成是另一个可能的世界。不知为什么,这两个世界即世界A与世界B一同出现了,迭加起来了。玻尔断言,我们不能说我们的经验世界就是A或就是B,而应当说我们的经验世界纯粹是这两个可能世界的混合物。而且,这种混合的实在并不是两种可能性的简单相加,而是二者难以捉摸的结合:每一个世界都干涉另一个世界,形成了那有名的条纹。”

爱因斯坦拒绝承认混合的实在,提出一个屏幕可以自由移动的双缝实验继续与玻尔争论。“玻尔对爱因斯坦提出的实验思路进行了决定性的反驳。他说:爱因斯坦这是在游戏的中间改变了游戏规则。”“这里是两个不同的实验。他们不是矛盾的,而是并存的。爱因斯坦提出的实验思路并没有对原先实验中光子的路径问题进行任何说明,而原先的实验确实显示了那混合的世界。”《上》

延迟实验

约翰-惠勒(John Wheeler)的延迟实验类似于原始的杨氏实验,他通过一个半镀银镜A将光线分成了两束,而后在两束光线的交汇点再加入一个半镀银镜B。如果B不加入,那么两束光线末端的探测器就会各得到50%的光。如果B加入,那由于干涉的作用,一个探测器可以得到100%的光,而另一个得到0%的光。“关键点是第二块半镀镜B插入还是不插入,这个决定可以推迟作出,直到一个给定的光子几乎达到交汇点。换句话说,光子将经由一条线路还是经由两条路线穿过该光学系统,是仅在穿越发生之后才予确定的。”《原》“惠勒说,实在的确切性质,要等到一个有意识的观察者参与之后才能确定。如此说来,可以让精神对实在进行逆时间的创造——即便是人类存在之前的实在,也可以由精神创造出来。”约翰-惠勒画了一幅象征性的图画,“图画表示宇宙是一个自观察的系统。”“表明了可以让今天的一个观察者来部分地产生遥远的过去的实在。图画中的尾部可用以表示宇宙的早期,而后来的意识对宇宙的早期进行的观察使宇宙的早期升格为具体的实在。同时,意识本身也是依存于它所形成的实在的。”《上》

海森堡测不准原理

海森堡测不准原理的意思是:“你不能知道一个原子,或一个电子,或一个什么东西在什么位置上,同时又知道它在如何运动。你不仅不可能知道,而且,具有确定的位置和运动的原子这一概念本身就是无意义的。”“假如原子没有位置,或没有有意义的运动,我们还有什么理由说它是个东西呢?”《上》

哥本哈根解释

“玻尔认为,原子的模糊世界只是在受观察时才变成具体的实在。没有观察时,原子就是一个幽灵。只是当你看它时,它才变成物质。你可以决定要看什么,想看它的位置,你就能在某一位置上看到一个原子。想看它的运动,你就可以看到以某一速度运动的原子。但你不能两者同时看到。观察所造成的实在是与观察者以及观察者所选用的测量方法分不开的。”《上》玻尔提出了哥本哈根解释:“询问一个电子‘实际’是什么的问题,是没有意义的。或者至少,当您提这个问题时,物理学家不可能给予回答。他宣称:物理学不告诉我们世界是什么,而是告诉我们关于世界我们能够谈论什么,特别是,如果一个物理学家就一个量子系统作一次实验,只要实验装置的全部细节为已知,那么,物理学家便可以就他可能观察的东西做出一个有意义的预言,从而便能以明白的语言转告他的伙伴们。”《原》玻尔进而提出了互补原理:“例如,在波——粒二象性中,量子物体的波动性和粒子性构成其行为的互补方面。他坚持:我们决不会遇到这两种不同行为在其中相互冲突的实验。”《原》“玻尔思想的一个渊深的推断就是:关于宏观和微观、整体和部分之间的关系的传统观念,被根本地改变了。他宣称:在你弄懂一个电子正在干什么之前,你必须指明全部实验条件。比方说,你要测量什么?你的仪器是怎样组装的?所以,微观世界的量子实在无法摆脱地跟宏观世界的组织缠绕在一起。换句话说,离开了同整体的关系,部分是没有意义的。”《原》“玻尔哲学的核心是这样假设的,即不确定性和模糊性是量子世界所固有的,而不仅是我们对于它的不完全感知的结果。”《原》

EPR实验

“假如你觉得玻尔的话令人摸不着头脑,矛盾,令人难以接受,那么爱因斯坦跟你是一个观点。不管我们观察与否,世界不也确实是照样存在着吗?一切事物的发生,都有其原因,而不是因为被观察才发生的,难道不是这样吗?不错,我们的观察可能揭示出原子的实在,但怎能说我们的观察创造了原子的实在?的确,原子以及原子构成成分的行为方式似乎可能是既模糊,又不准确的,但这只是由于我们拙于探测这些精巧的东西。”《上》“为什么我们不能将量子模糊性归因于更深层级的隐变量呢?隐变量理论使我们能够将量子粒子的混沌的,表观不确定的不羁行为描绘成是下层级上完全决定论的力所驱动的。”《原》“爱因斯坦深信,事情必定如上所述。”他构建了EPR思想实验来检验这种想法。“此实验要我们考虑通过同时窥视一个粒子的位置和动量,以蒙骗海森伯不确定性原理。采用的计谋是使用一个同谋粒子,以实行一次取代所感兴趣粒子的测量。“玻尔认为:“在EPR实验中,一个相距很远但关联着的同谋粒子,构成量子系统的一个不可分割的部分。虽然没有直接信号在A与B之间穿过,按照玻尔的看法,这并不意味着当你讨论A的环境时,可以忽略对B实行的测量。所以,虽然没有实际的物理力在A与B之间传送,他们仍俨如同谋一般在其行动中进行合作。”《原》

贝尔定理

约翰-贝尔研究了二粒子量子系统,证明“如果按照爱因斯坦的看法,假定两块碎片在被观察之前实际上就已经以相当的确定状态存在,那么分离的系统之间的协作程度不能超过某个一定的极大值。量子论则预言,这个所谓的极大值是可以超出的。”

阿斯派克特实验

阿斯派克特、达利巴德与罗哲等人进行的实验——“对于由钙原子单次跃迁中同时发射的反向运动的光子对进行偏振测量。”——来检验贝尔不等式,结果“玻尔赢了,爱因斯坦输了。”

说明

“波尔——爱因斯坦之争,不仅仅是细节之争。它涉及量子论这一科学的最成功的理论的整个概念结构。其核心是这样一个问题:原子是一个东西,还是一种抽象想象的构想,只是用来解释广泛的观察结果?”《上》

“人们对世界的常识性看法,即把客体看做是与我们的观察无关的‘在那里’确实存在的东西,这种看法在量子论面前完全站不住脚了。”《上》

“量子论打碎了人们的常识所珍视的关于实在性质的概念。它使得主体和客体、原因与结果之间的界限模糊了,将强烈的整体论引入我们的世界观。”《上》

大卫-玻姆在《整体性与暗含的秩序》中写到:“量子论所要求的关键性的描述变化就是,放弃分析的想法,不再把世界分析成相对自主的部分,分别存在但同时又相互作用。相反,现在最受强调的是不可分的整体性,在整体的世界中,观察工具与被观察的东西不是分开的。”“一句话,世界不是相互分离却相互联系的东西的集结,而是一个关系的网络。玻姆这样就回应了沃纳-海森堡的话:‘习惯上把世界分成主体与客体,内心世界与外部世界,肉体与灵魂,这种分法已不恰当了。”《上》

物理学家J-惠勒打了一个比喻,是20个问题游戏的一种翻版:房间里的人事先约定一个词,而后让新进来的人通过提20个问题,原有的人回答是或非,来把这个词得出来。但他玩游戏的时候,屋里的人“原先并未约定一个词,他们一致同意不统一约定一个词,每一个人能尽其所爱回答问题——但有一个要求,即:他心中必须有一个可与他自己的回答,以及所有已经作出的回答相适合的词,”“当我进屋时,我认为屋内有一个确定的词,实际上这个词是通过我所提的问题一步一步演化出来的。”“如果我提出过不同的问题,或依不同的次序提同样的问题,就会以不同的词告终,正如实验者关于电子行为会有不同描述而告终一样。”“在游戏中无词便是词,除非通过选择一系列的问与答,将该词变为现实。在实际的量子世界里,任何一种基本量子现象只有在其被记录下来之后,才是一种现象。”《原》

冯-诺依曼回归推理

“玻尔观点的核心是:一般地只在作了一次特定测量(或观察)之后,我们才能有意义地谈论单个量子系统的物理属性。显然,这赋予测量作用以一种严正而特殊的物理地位。”《原》“按照量子力学规则,一个量子系统可按两种十分不同的方式在时间中演化。”“假设系统的状态由几个相迭加的不同波图所组成。”“现在假设实施某种测量,效果就是戏剧性的了。突然间除了仅留下与‘答案’相对应的单一波图之外,所有其余构成波全部消失,干涉效应停止,继后波图全然改变了。波的这种似测量演化是不可逆的,我们不可能取消它,并恢复原来复杂的波图。”“显然,在一次测量所出现的骤然变化,与量子系统耦合一个与之相互作用的仪器有关,他不再是孤立的了。”“数学家冯-诺依曼证明了:对于一个模型系统来说,这种耦合确实具有前述效应。”《原》

“冯-诺依曼作出结论:测量装置,仅当它本身也受到一次测量,从而激起‘下定它的决心’(技术上叫做波函数缩编到某一具体的本征态上)时,才可能被认为实际上完成了一次不可逆的测量作用。但我们现在堕入了无限的回归,因为这第二个测量装置本身又要求另一装置将它‘缩编’成为一个具体实在的状态。”《原》“量子的‘测量问题’实际上是精神——肉体或软件——硬件问题的变体。”“假如从头至尾全是在硬件层面上描述测量行为,就出现了悖论。”“冯-诺依曼机器链总是有一台最后的机器必得处于一种非实在的状态之中。”《上》

薛定谔猫佯谬

“一只猫关在一钢盒内,盒中有下述极残忍的装置(必须保证此装置不受猫的直接干扰):在盖革计数器中有一小块辐射物质,他非常小,或许在一小时内只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变,计数管便放电并通过一个继电器释放一锤,击碎一个小的氢氰酸瓶。如果人们使这整个系统自在一小时,那么人们就会说,如果在此期间没有原子衰变,这猫就是活的。第一次原子衰变必定会毒杀了猫。”“按照量子力学规则,盒内整个系统处于两种状态的迭加之中,一态中有活猫,另一态中有死猫。但是一个又活又死的猫,是什么意思呢?据推测,猫自己知道它是活还是死。然而,按照冯-诺依曼的回归推理,我们不得不作出结论:不幸的动物继续处于一种悬而未决的死活状态之中,直到某人窥视盒内看个究竟为止。此时,它要么变得生气勃勃,要么变为即刻死亡。”《原》

“猫佯谬摧毁了我们本可以有的如下希望,即:量子幽灵以某种方式局限于原子的阴影似的微观世界之中,在原子领域中实在的佯谬性质是与日常生活和经验是不相关的。如果量子力学作为所有物质的一种正确描述被接受,这种希望显然是会落空的。如果遵循量子理论的逻辑到达其最终结论,则大部分的物理宇宙,似乎要消失于阴影似的幻想之中。”《原》

平行宇宙假设

布赖斯-德韦特提出了大胆的多宇宙假设:“在每一个恒星、每一个星系中,以及在宇宙的每一个遥远的角落里,所发生的每一种量子跃迁,都在把地球上我们这个定域世界分裂成无数个自身的拷贝……这里是报复性的精神分裂症。”《原》这个假设赢得了“廉价的宇宙,昂贵的假设”的评价。

最后我再引一句玻尔的话:“假如一个人不为量子论感到困惑,那他就是没有明白量子论。”

 

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来自:张德文  > 自然科学
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