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光的争论(波粒二象性)
早期研究光的人啊,可以分为两个阵营,最先流行起来的是波动派。17世纪末的时候,惠更斯最先认为光就是波,也就是光的波动,说光的干涉现象就是最直观的证明,两束光交叉就会产生干涉条纹。当时他的坚定支持者有欧拉、普朗克和胡克等。
那么另一派就是以牛顿为首的粒子派,他认为光既然都是直线传播,并且遇到障碍物还会反射,这和经典力学没有区别,就认为光一定是粒子,然后呢,他就提出了光的微粒说。牛顿在当时的物理学界那就是信仰啊,他说什么别人就信什么。以牛顿为首的粒子说就开始流行起来了。
后来物理学界出现一个横跨物理学,生物学,医学的什么都知道的通才,这个家伙毕业于医学院,结果没事参与到了物理学里,他做了一个实验无意间发现,光照过两条缝隙的时候会产生非常明显的干涉现象,这可是亲眼所见,如果光是粒子,按照道理的话,穿过两条缝隙,那肯定会形成两束光班啊。这就是著名的双缝干涉实验。这个实验也导致了波动派取代粒子派成为了主流。让波动说取得了阶段性胜利。
一直到1905年爱因斯坦横空出世,那个时候的爱因斯坦还是个专利局小职员,但是他一口气写了六篇论文。三篇关于分子论,两篇狭义相对论,还有一篇光量子假说。六篇都是里程碑一样的论文。前面五篇,尤其是两篇相对论。牛逼到整个物理界没人敢说他是对的还是错的,就是觉得很牛逼,到了真正意义的不明觉厉的地步。都觉得看不太懂。但是都觉得很牛逼的地步。牛逼的相对论可以推导出无数的结论,之前的大多数科学家都是在总结性质的科学理论,就是基于大量的实验,然后总结出各种理论,但是爱因斯坦都是基于自己的思想实验,在这六篇文章里,他发现自己的狭义相对论并不能解释引力和非惯性系,所以就开动了自己大脑做了一个思想实验,并把相对论拓展到解释引力的本质和非惯性系。提出了牛逼的广义相对论,就是神级人物,神到了没人敢给相对论颁奖。只知道牛逼不知道对错的牛逼。
最后诺贝尔奖,只能把奖颁给了他相对比较平庸的一篇论文。就是光量子学,这个相对平庸也只是对爱因斯坦自己而言,但是对物理学届也是非常震撼的。这篇就是1905年3月德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的论文,他认为对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示
微观客体波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。这一科学理论最终把争论了一个多世纪的光到底是波还是粒子给做了统一,说他们既是波又是粒子。
然后我们回到双缝实验,双缝实验最早只是证明了光具备波的特性,但是这个实验不断做下去,他的神秘和无法理解就显示出来了。双缝干涉实验的原理啊,其实很简单,就是利用光源照射两个平行的狭缝,然后观察后面的屏幕上出现了光点。按道理来说的话,这个实验只会有两种可能性,第一种就是光是粒子,那么背后的屏幕上就会出现两条杠,这个很好理解,光子被发射出去,要么从左边缝隙过,要么从右边缝隙过,发射足够多的光子之后,背后的屏幕一定会出现两条杠。
第二种,光是波,那么屏幕上就会出现干涉条纹,这个也很好理解,你可以把。播,想象成水波波纹在经过两条缝隙的时候会形成两个新的波纹,然后两个波纹交织在一起,最终打到屏幕上就会形成有亮部和暗部的斑马纹,相交的部分更亮一些,不相交的部分啊就暗一些。那么我们具体来看一下这个双缝干涉实验,刚开始啊,光源是连发模式,对着双缝啊就是一顿突突,一段时间之后,屏幕上出现了非常明显的斑马纹,无可厚非,波动派胜利。很明显就是波啊。
但是粒子派不服啊,他们说光子明明是一颗颗粒子,出去的你怎么可以连发呢?那么光源就启动了单发模式啊,保证一次就发射一个光子,然后对着双方又是一阵突突啊,刚开始屏幕上是一个个的小点儿,但是慢慢的屏幕上又成了斑马纹啦,还是波动派预想的干涉条纹,波动派再次胜利。
实验结果出来了,两个学派都有点懵逼,按理说啊,单个光子要么穿过左边缝,要么穿过右边的缝,不可能会形成干涉呀,屏幕上会出现两条杠,难道光子在出发之前分裂成了两个吗?抱着这个疑问继续做实验,这次在双缝后面架上了摄像机,到底看看这个光子穿过了哪条缝,结果每次光子只会穿过一条缝,和想象的一样光是粒子,但是,但是神奇的事情就在这里发生了,因为这个时候双缝背后的屏幕上不再形成干涉条纹了。靠,整个物理学界就更懵逼了,本来已经懵逼的他们,现在更是雪上加霜的懵逼。
量子力学的神秘彻底展现出来了,实验室里,当架了摄像机的时候,你屏幕上没有干涉条纹,表现出粒子的状态,但是不加摄像机的时候,光就表现出了波的性质,出现了干涉条纹。这个问题于是就开始了量子力学上的经典撕逼开始了,你无法理解,想不通很正常,因为爱因斯坦也想不通,牛顿因为已经死了不然估计也无法理解。难道光子知道你在观测他?他是怎么知道的呢?
这个时候,量子力学出来一些大神级的人物,主要是波尔,海森堡等人啊,一同提出了哥本哈根诠释来解释量子力学。这里可以顺便提下,波尔是丹麦国家足球运动员,参加了不少国家比赛,很难说,物理和足球,哪个才是他的主业,他在1922年获得了诺贝尔奖时候,丹麦的媒体写的是我国足球运动员获得诺贝尔物理学奖。所以,为什么把他们的理论说成是哥本哈根学派,主要是因为这个学派的扛把子就是丹麦人。
他在1927年麦哥本哈根召集了一群人共同提出的了哥本哈根诠释,再之后发展为著名的不确定性原理。他们所提的诠释尝试要对一些量子力学所带来的复杂问题提出回答,比如波粒二象性以及测量问题。此后,量子理论中的概率特性便不再是猜想,而是作为一条定律而存在了。给了量子系统的量子行为一个精简又易懂的解释。总的来说,量子力学本质就是不确定,不可测量,你不能用宏观的概念去阐述它。粒子的某些性质同时只能确定展现一个,不能同时展现出两种行为,就比如说波或者粒子,并不是波和粒子。有没有感觉说的很对呢?哥本哈根学派就坚持认为,量子力学的研究啊,你就不能用经典物理学来解释,这本来就是两个不同的世界,即使宏观世界看上去是绝对论,但到了量子世界他就是不确定的。
但爱因斯坦不这么想,她就坚持认为。客观世界就是客观世界,只要是客观世界,就一定遵循决定论,没有什么是不能确定的,你觉得不确定是因为你还没找到确定的办法。所以,和波尔的争论啊经常发生,而那句上帝不会掷骰子呢,就是跟玻尔争论的时候说出来的。波尔呢,只能回怼一句,请你不要擅自决定上帝想要做什么。而著名的薛定谔的猫呢,也是薛老师拿出来恶心哥本哈根学派的。薛定谔是爱因斯坦的粉丝,所以他提出了这个思想实验,并不是真的做了这个实验,他用这个实验本质是来讽刺量子力学的不可理喻,但是却成了量子力学最好的现象阐述,因为量子力学本来就是不可理喻的理论。
薛定谔的猫呢,是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器中,雷的衰变存在几率,如果镭发生衰变就会出。触发机关,打碎装有氢化物的瓶子,猫就会死,如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫呢,就是所谓的薛定谔的猫。
虽然解释起来其实挺牵强的,因为量子力学的意思是量子微观领域不适合经典物理学的各种理论,猫这种宏观层面的动物,本来就不在量子力学阐述的范畴之内,但是通过把微观世界的不能理解的东西放到了宏观层面,就特别容易让人理解量子力学这种不可理解的地方,所以这只猫成立物理世界里的四大神兽之一。
然后就可以回到爱因斯坦跟波尔的撕逼之战了,他们两个的撕逼挺有意思的,前面提到了爱因斯坦提出了光量子假说,这个假说的提出就必须提到量子力学真正意义上的第一个奠基人,普朗克,跟波尔是足球运动员不一样,普朗克是个音乐爱好者,后来为了物理放弃了音乐,潜心物理研究,在牛顿之后,物理学被认为是非常完备的,牛顿的经典力学可以解释世界上所有的现象,几乎是万能的,没有什么是不能解释的,如果有,一定是解释的方法不对,而不是物理学本身出了什么问题。在当时,物理学就有一个让人陷入困惑的问题:黑体辐射。所谓黑体,是指这样一种物质,在任何温度下,它都能将入射的任何波长的电磁波全部吸收,没有一点反射和透射,绝对黑体在自然界中是不存在的,只是一个理想的物理模型,以此作为热辐射研究的标准物体。
然而,在那个时代,人们对黑体辐射的研究却得出了两个不同的公式。这两个公式分别来自德国的物理学家维恩和英国的物理学家瑞利和金斯。维恩的公式只有在短波(高频)、温度较低时才与实验结果相符,但在长波区域完全不适用。相反,瑞利-金斯公式却只在长波、高温时才与实验相吻合,在短波区并不适用。这个公式在短波区(即紫外光区)时显示辐射能力随着频率的增大而单调递增,最后趋于无限大。这和实验数据差了十万八千里,所以这个荒谬的结论也被称为“紫外灾难”。
一个现象,对应两个公式?在经典力学时代,这完全是个不可思议的悖论!因为自17世纪牛顿力学建立以来,自然过程连续性的观念就在物理学中深深扎根,一向认为能量是连续的,而普朗克父亲的老师说过,“自然界无跳跃”。“紫外灾难”更意味着整个经典物理学的“灾难”。
普朗克是热力学的权威,所以他对黑体辐射的研究并没有像前人那样从频率和温度入手,而是从自己擅长的熵和能量作为突破口。然而经过一次次实验,得出的结果仍和维恩他们的公式一样并不得法。出于无奈,他不得不着眼于之前他并不认同的玻尔兹曼方法,而他也隐约地意识到,传统物理学的基础还是太狭窄了,需要从根本上改造和扩充了。普朗克注意到,如果认为原子不是连续地而是断续地放出和吸收能量,或者说,把“粒子”的性质赋予光的吸收和放射,那么他便可以用“内插法”把维恩公式和瑞利-金斯公式正确的一部分综合起来,使辐射公式完整。
1900年10月19日,普朗克在德国物理学会会议上,以《论维恩光谱方程的完善》为题,提出了他重新构造出来的新辐射公式。这个公式在任何情况下都与实验值无差异。在同年的12月14日(历史上也把这天认为是量子的诞生日),他发表了《论正常光谱中的能量分布》论文。文中给出了循着玻尔兹曼的思路推导出的黑体辐射公式。也就是著名的普朗克公式E=hv,这里的H,为一个常量,也叫普朗克常数,是一个物理常数,用以描述量子大小。在量子力学中占有重要的角色。
马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现,只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的,而是一份一份地进行的,计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子,每一份能量子等于hν,ν为辐射电磁波的频率,h为一常量,叫为普朗克常数。但是在之前的物理学的基本常数中,有些是通过实验观测发现的,如真空中的光速c 、基本电荷e、磁常数(真空中的磁导率)μ0 、电常数(真空电容率)ε0等。也有一些是在建立相关定律、定理时被引入或间接导出的,如牛顿引力常数G、阿伏伽德罗常数NA 、玻耳兹曼常数kB等。而普朗克常数h则是完全凭着普朗克的创造性智慧发现的。所有,在刚面试的时候,物理学界的争议是很大的。
争议更大的是他的核心观点,推翻了经典力学的逻辑基础,他提出物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量,但是,怎么会这样呢?物体能量的变化怎么会是非连续的呢?根据我们熟悉的经典理论,任何过程的能量变化都是连续的,而且光从光源中也是连续地、不间断地发射出来的。没有人愿意接受一个解释不通的假设,尤其是严肃的科学家。因此,即使普朗克为了说明物体热辐射的规律被迫假设能量量子的存在,但他内心却无法容忍这样一个近乎荒谬的假设。他需要理解它!就象人们理解牛顿力学那样。于是,在能量量子化假设提出之后的十余年里,普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解释辐射能量的不连续性,但最终归于失败。这十多年他一直在尝试修改自己的量子理论,想让它对经典物理造成的伤害降到最低,现实显然没能如愿,他越努力,得到答案就越趋向于大自然的运转不是连续的而是跳跃的,他就像一个被逼出来的革命家,被经典物理逼得走投无路,但是却又不忍心将其毁于一旦。
就像一个虔诚的基督徒找到了证明上帝不存在的证据,心理上的冲击不是那么容易平复的。甚至在他的这个理论提出日被认定成为了量子物理学的诞生的标志日,而且在1918年获得了诺尔贝奖的十几年后的1931 年,普朗克还是无法接受这个理论,在给好友伍德(Willias Wood)的信中,还表达了自己的发现量子的不情愿历程。普朗克还曾经说过一句关于科学真理的真理,它可以叙述为“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明,而是通过这些反对者们最终死去,熟悉它的新一代成长起来。”这一断言被称为普朗克科学定律,并广为流传。
讲完普朗克,回到爱因斯坦的1905年,在普朗克自己都很困惑迷茫并且反对自己的时候,爱因斯坦第一个意识到普朗克关于量子的发现将要改写整个物理学的物理学家,他在普朗克的基础上,提出了光量子假说,显然,狠起来连自己都反对的普朗克,也反对爱因斯坦的光量子假说,但是普朗克对爱因斯坦1905年发表的其他论文都给予了重要的支持,是极少数很快发现爱因斯坦狭义相对论重要性的人之一,由于普朗克的影响力,相对论很快在德国内得到认可,爱因斯坦开创性的崛起了。爱因斯坦对于量子力学的贡献,一方面是因为提出了波粒二象性,最早提出了量子是波也是粒子,当然这个逻辑可能反过来也成立,量子不是波也不是粒子。然后最大的贡献就是对于量子力学不断的提出质疑,坚定而有力的质疑,逼迫他的对手,就是波尔为代表的哥本哈根学派不断的去回应这个质疑,然后最终量子力学最终不断的前进。可以说量子力学就是在爱因斯坦跟哥本哈根学派的撕逼中才真正意义上成长起来和突破起来的。
事实上哥本哈根学派的几个扛鼎人物都是爱因斯坦直接受益者,譬如量子力学的测不准理论,是由海森堡于1927年提出,这个理论是说,在量子力学中,一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置,同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。可以把这些不确定性限制在最小的范围内,但不能等于零。这就是海森堡对不确定性最初的思考。而这个思考是因为爱因斯坦1926年的一次谈话启发了他。
爱因斯坦和海森堡讨论可不可以考虑电子轨道时,曾质问过海森堡:“难道说你是认真相信只有可观察量才应当进入物理理论吗?”对此海森堡答复说:“你处理相对论不正是这样的吗?你曾强调过绝对时间是不许可的,仅仅是因为绝对时间是不能被观察的。”爱因斯坦承认这一点,但是又说:“一个人把实际观察到的东西记在心里,会有启发性帮助的……在原则上试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的。实际上恰恰相反,是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。” 这个其实已经是哲学层面的东西了,爱因斯坦是个理论先行,实验后行的典型,甚至实验都不去做,只去做思想实验,也就是纯理论推导,而不是动手实验。也在这个基础上,海森堡提出了测不准理论。
他在1927年的论文一开头就说:“如果谁想要阐明'一个物体的位置’(例如一个电子的位置)这个短语的意义,那么他就要描述一个能够测量'电子位置’的实验,否则这个短语就根本没有意义。”海森堡在谈到诸如位置与动量,或能量与时间这样一些正则共轭量的不确定关系时,说:“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因。”虽然这个结论是在爱因斯坦启发下提出来的,但是爱因斯坦却很直接的反对这个不可测理论,爱因斯坦始终坚持的经典哲学思想和因果观念:一个完备的物理理论应该具有确定性、实在性和局域性。
爱因斯坦认为,量子论中的海森伯原理违背了确定性。根据海森伯的测不准原理,一对共轭变量(比如:动量和位置,能量和时间)是不能同时准确测量的:当准确测定一个粒子在此刻的速度时,就无法测准其在此刻的位置;如果要想准确测定位置,就不可能准确地测量速度。爱因斯坦对此说:“上帝不是掷骰子!”
这儿所谓的“上帝掷骰子”,不同于人掷骰子。在当今的科学技术领域中,统计学和概率学是常用的数学工具。人们应用统计方法来预测气候的变化,股市的走向,物种的繁衍,人心的向背。几乎在各门学科中,都离不开“概率”这个词。然而,我们在这些情况下应用概率的规律,是由于我们掌握的信息不够,或者是没有必要知道那么多。
比如说,当人向上丢出一枚硬币,再用手接住时,硬币的朝向似乎是随机的,可能朝上,可能朝下。但这种随机性是因为硬币运动不易控制,从而使我们不了解硬币从手中飞出去时的详细信息。如果我们对硬币飞出时的受力情况知道得一清二楚,就完全可以预知它掉下来时的方向,因为硬币实际上遵从的是完全确定的宏观力学规律。而量子论不同于此,量子论中的随机性是本质的。换句话说:人掷骰子,是外表的必然;上帝掷骰子,是本质的必然。
所谓实在性,则类似于我们熟知的唯物主义,认为物质世界的存在不依赖于观察手段。月亮实实在在地挂在天上,不管我们看它还是不看它。局域性的意思则是说,在互相远离的两个地点,不可能有瞬时的超距作用,任何速度都不可能超越光速。
所以,在实在性上,波尔跟爱因斯坦发生了分歧,1927年玻尔作了《量子公设和原子理论的新进展》的演讲,提出著名的互补原理。他指出,在物理理论中,平常大家总是认为可以不必干涉所研究的对象,就可以观测该对象,就是爱因斯坦的实在性理论,但是波尔却提出,从量子理论看来不可能,因为对原子体系的任何观测,都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变,因此不可能有单一的定义,平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说是互相排斥的不同性质,在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。就是你不观测的时候,他们是相互矛盾的在一起的。只有你观测的时候,结果才是确定的。
波尔是哥本哈根诠释的代表人物,但是这个家伙,最早一直是光量子假说的最坚定的反对者之一,直到1925年他才接受光量子这个观点。1927年就立马接受量子力学,反过来就成立了量子力学的扛鼎人物,这种创造性的成就却基于一个被他长期反对的观点,这在科学史中极其少见。他从1927年开始跟爱因斯坦,就持续撕逼,双方撕逼一直到死,也没能说服对方。两个人的几次交锋都是在索尔维会议上。这里可以提下索尔维,这个家伙是一名实业家,因发明了一种制碱法而致富。据说他财大气粗后自信心倍增,提出了一种与物理实验和理论都扯不上关系的有关引力和物质的荒谬理论。然后就开始举办各种学术会议,宣扬他的理论,尽管物理学家们对他的理论不屑一顾,但对他所举办的学术会议却是趋之若鹜。因此,当年那几届索尔维会议就变成了量子论的大型研讨会,也就是玻爱之争的重要战场。
1927年这届会议基本上把人类历史上最牛逼的物理学家给一网打尽了,具体就不讲了,看封面图片就知道了,又多伟大和璀璨了,这是量子论一次异常成功的大会,玻尔掌门的哥本哈根派和它对量子论的解释大获全胜。爱因斯坦这次并没有太多对量子学派的质疑,到了1930年这届的时候,他提出了著名的思想实验——“光子盒”。实验的装置是一个一侧有一个小洞的盒子,洞口有一块挡板,里面放了一只能控制挡板开关的机械钟。小盒里装有一定数量的辐射物质。这只钟能在某一时刻将小洞打开,放出一个光子来。这样,它跑出的时间就可精确地测量出来了。同时,小盒悬挂在弹簧秤上,小盒所减少的质量,也即光子的质量便可测得,然后利用质能关系E=mc2便可得到能量的损失。这样,时间和能量都同时测准了,由此可以说明测不准关系是不成立的,玻尔一派的观点是不对的。
描述完了他的光子盒实验后的第二天,玻尔居然“以其人之道,还治其人之身”,找到了一段最精彩的说辞,用爱因斯坦自己的广义相对论理论,戏剧性地指出了爱因斯坦这一思想实验的缺陷。光子跑出后,挂在弹簧秤上的小盒质量变轻即会上移,根据广义相对论,如果时钟沿重力方向发生位移,它的快慢会发生变化,这样的话,那个小盒里机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之,用这种装置,如果要测定光子的能量,就不能够精确控制光子逸出的时刻。因此,玻尔居然用广义相对论理论中的红移公式,推出了能量和时间遵循的测不准关系!
无论如何,尽管爱因斯坦当时被回击得目瞪口呆,却仍然没有被说服。不过,他自此之后,不得不有所退让,承认了玻尔对量子力学的解释不存在逻辑上的缺陷。“量子论也许是自洽的”,他说,“但却至少是不完备的”。因为他认为,一个完备的物理理论应该具有确定性、实在性和局域性!玻尔虽然机敏地用广义相对论的理论回击了爱因斯坦“光子盒”模型的挑战,自己心中却仍然不是十分踏实,自觉辩论中有些投机取巧的嫌疑!从经典的广义相对论出发,是应该不可能得到量子力学测不准原理的,这其中许多疑问仍然有待澄清。直到1962年去世。据说,他的工作室黑板上还一直留着当年爱因斯坦那个光子盒的图。
1935年的时候,爱因斯坦更加深入地思考量子理论涉及的哲学问题。他找了两个合作者,构成了一个被物理学家们称为不是十分恰当的组合。Boris Podolsky 和Nathan Rosen是爱因斯坦在普林斯顿高等研究院的助手。1935 年3 月,Physics Review杂志上发表了他们和爱因斯坦共同署名的EPR 论文。文章中描述了一个佯谬,之后,人们就以署名的三位物理学家名字的第一个字母命名,称为“EPR佯谬”。量子力学里最伟大的一个发现,量子纠缠,就是这个爱因斯坦在这里提出来的,而不是量子学派提出来的,可见爱因斯坦帮助量子学派极大的完善了理论边界,他在这个ERP论文里。构想了一个思想实验,意为在现实中无法做,或难以做到,而使用想象力进行的实验。
在这个思想实验里,他提出一个零自旋粒子衰变成两个粒子之后,会出现貌似佯谬般的现象:当对其中一个粒子做测量,另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果,尽管尚未发现任何传递信息的机制,尽管两个粒子相隔甚远,远到无穷远的时候,那么是如何实现这种情况呢?因为信息是不可能超过光速传递的。
他的小迷弟,薛定谔阅读完毕EPR论文之后,有很多心得感想,他用德文写了一封信给爱因斯坦,在这封信里,他最先使用了术语Verschränkung(他自己将之翻译为“纠缠”),来解释这种现象,爱因斯坦称之为外“鬼魅般的超距作用”(spooky action at a distance),他用这个现象来反驳哥本哈根的量子力学解释还是不够完备的。
不久之后,薛定谔发表了一篇重要论文,对于“量子纠缠”这术语给予定义,并且研究探索相关概念。他提到这概念的重要性,他表明,量子纠缠不只是量子力学的某个很有意思的性质,而是量子力学的特征性质;量子纠缠在量子力学与经典思路之间做了一个完全切割,因为如果量子纠缠这种状态存在,违反在相对论中对于信息传递所设定的速度极限。这个就是等于说量子力学的理论跟传统物理学做了彻底的隔离。
这里可以在阐述下什么是量子纠缠,首先我们需要了解,什么是量子叠加态?根据我们的日常经验,一个物体在某一时刻总会处于某个固定的状态。比如我说,女儿现在“在客厅”里,或是说,女儿现在“在房间”里。要么在客厅,要么在房间,这两种状态,必居其一。这种说法再清楚不过了。然而,在微观的量子世界中,情况却有所不同。微观粒子可以处于一种所谓叠加态的状态,这种叠加状态是不确定的。例如,电子有“上”、“下”两种自旋本征态,犹如女孩可以“在”和“不在”房间。但不同之处是,女孩只能“在”或“不在”,电子却可以同时是“上”和“下”。也就是说,电子既是“上”,又是“ 下”。电子的自旋状态是“上”和“下”按一定几率的叠加。物理学家们把电子的这种混合状态,叫做叠加态。
女儿“既在客厅,又在房间”,这种日常生活中听起来逻辑混乱的说法,却是量子力学中粒子所遵循的根本之道,不是很奇怪吗?聪明的读者会说:“女儿此刻'在客厅’或'在房间’,同时打开客厅和房间的门,看一眼就清楚了。电子自旋是上,或是下,测量一下不就知道了吗?” 说得没错,但奇怪的是,当我们对电子的状态进行测量时,电子的叠加态不复存在,它的自旋坍缩到“上”,或是“下”,两个本征状态的其中之一。听起来好像和我们日常生活经验差不多嘛!但是,请等一等!我们说的微观行为与宏观行为之不同,是在于观测之前。即使父母不去看,女儿在客厅或房间,已成事实,并不以“看”或“不看”而转移。而微观电子就不一样了:在观察之前的状态,并无定论,是“既是……,又是……”的叠加状态,直到我们去测量它,叠加状态才坍缩成一个确定的状态(本征态)。这是微观世界中量子叠加态的奇妙特点。
叠加态这个概念贯穿在许多思想实验中,从薛定谔的猫,到双缝实验中似乎同时通过两条缝的单个电子,不都是这个匪夷所思的“叠加态”在作怪吗?不过,叠加态是针对一个粒子而言的。如果把叠加态的概念用于两个以上粒子的系统,就更产生出来一些怪之又怪的现象,那些古怪行为的专利,就该归功于既叠加又纠缠的“量子纠缠态”。简单的阐述就是如果两个相互关联,那么两个粒子就是纠缠状态,这种情形下,两个粒子的叠加态“互相纠缠”在一起,使得测量结果互相影响,即使是当两个粒子分开到很远很远的距离之时,这种似乎能瞬间互相影响的“纠缠”照样存在。
爱因斯坦等三人在他们提出的思想实验中,描述了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子(A和B)的情况,两个小粒子分别向相反的两个方向飞出去。两个粒子A和B 朝相反方向飞奔,它们相距越来越远,越来越远……。根据守恒定律,无论相距多远,它们应该永远是关联的。按照量子学派的理论就是只要你还没去观察,那么他们各自就永远处于某种叠加态,但是如果这个时候你对其中一个进行观测,这个粒子,立马就坍塌成一个确定的状态,这个时候问题就来了:既然你观测到了其中一个,那么因为守恒的缘故,另外一个一定就是反方向状态,但是,此时他们之间已经相隔非常遥远,比如说几万光年吧,按照量子力学的理论,另外一个为什么能立刻变成反方向的状态呢?除非A粒子和B粒子之间有某种方式及时地“互通消息”?即使假设它们能够互相感知,那也似乎是一种超距瞬时的信号!而这超距作用又是现有的物理知识不容许的。于是,这就构成了佯谬。因此,EPR的作者们洋洋得意地得出结论:玻尔等人对量子论的几率解释是站不住脚的。
这个就成了双方论战最大的核心点,玻尔的反击是跳开了爱因斯坦的理论,因为爱因斯坦总是认为有一个离开观测手段而存在的实在世界。这个世界图像是和玻尔代表的哥本哈根派的“观测手段影响结果”的观点完全不一致的。玻尔认为,微观的实在世界,只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前,谈及每个粒子的自旋是上是下没有任何意义。另一方面,因为两个粒子形成了一个互相纠缠的整体,只有波函数描述的整体才有意义,不能将其视为相隔甚远的两个分体。既然只是协调相关的一体,它们之间无需传递什么信息!就可以自动实现,也就是他认为粒子无论相隔多远,他们都不是独立的个体,他们之间不需要信息传递,就可以自动实现,粒子特么的就是这样的,不需要解释的,这个就是他们的定律。
所以,回到最后,这两个人其实根本成了哲学之争,爱因斯坦认为世界上必然是客观规律支配的,不可测,不确定是不可能存在的,如果存在,一定是你不够牛逼,还没有发现原因,随着科技进步,总有一天会被确定的,而哥本哈根诠释认为,量子世界跟你传统宏观世界不一样,这个世界就是不确定的,就是随机的,就是不可测的。就是既是矛盾又是同时存在的,你不看我的时候,我就是不确定的,你看我的时候,我才是确定的。双方的分歧并不在于观测到的结果,而在于如何解释这个结果。
就是咋说,简单理解,你看双缝实验他是个客观存在,这个是不用否认的,就是你观测的时候,他就是粒子,你不观测的时候他就是波,这个是客观存在,你观测和不观测,他就是两个结果,双方在如何解释上产生分歧,爱因斯坦认为一定有原因,只是你还不知道,波尔认为没有原因,他就是这样。这个就是他的特性,所以,爱因斯坦并不是反对量子力学,相反他还是承认量子力学的很多现象,他只是认为量子力学的解释还不够完备,他想更多的知道量子力学这些特性上的背后原因到底是什么?一直在寻找这个背后的原因,他提出的量子力学不够完备的核心也是说,哥本哈根学派没有解答这种完备性。
因为量子纠缠是一个思想实验,在当时的条件下,验证这个实验是不现实的,所以只能理论争吵,很难实验验证对错,而且60年代的时候,爱因斯坦已去世多年,波尔也在1962年跟随而去。因此,当年的物理界并没有很多人关心这个论战,而且当时量子力学到了什么地步呢?就是我虽然不知道为什么会这样,但是他就是这样,已经在实践上取得了很大的应用和成功,已经懒得去论证为什么这样的地步了,大多数物理学家已经深感量子力学的正确性,所以他们忙碌于量子力学精确的计算,也将此理论用于解决诸如能带理论等应用方面的种种问题。
至于爱因斯坦和波尔的“局域不局域”之类的哲学疑难,多数人想的是:量子现象与经典规律的确大相庭径,犹如天上地下,世纪之争可以画上句号了,爱因斯坦的上帝和波尔的上帝各司其职,不必打架,大家和平共处,自得其乐,也没有必要再用实验验证了。况且,纠缠态的实验也太困难,在实验室里要维持每一对粒子的纠缠态,谈何容易!实验室中得到的量子纠缠态是非常脆弱的,当原子被冷却到接近绝对零度的环境下时,得到的纠缠态也只能维持千分之几秒的数量级而已,实验难度还是很大的。
这个时候贝尔提出了个不等式,提供了用实验在量子不确定性和爱因斯坦的定域实在性之间做出判决的机会。它把量子力学中纠缠着哲学思辩的争论演化成了可以运作的检验,这是具体的;它不仅对量子力学的完备性和量子实体的不可分离性起到了“见证”的作用,这次诺贝尔奖给与阿斯佩、克劳泽和蔡林格就是因为他们通过了实验证明了,贝尔不等式可以被违反,从而否定了爱因斯坦隐变量的存在。证明了量子世界的确是跟传统经典力学世界不是一个体系的,如果说,爱因斯坦拓宽了牛顿的经典力学范畴的话,那么量子力学就是直接开辟了一个新的世界,完全截然不同跟传统世界不一致的领域。1990年,贝尔曾被提名角逐诺奖,很多人认为他理应获奖。因为他的不等式在实验室里多次被证明了,完全可以获得诺贝尔奖,可惜,他于同一年突发脑溢血去世,享年62岁。由于诺奖按惯例只颁发给在世者,贝尔遗憾地失去了获奖机会,且生前并不知晓自己获得了提名。
总的来说,量子力学目前只是阐述了特性,至于为什么会是这个特性,其实是没有阐述的,世界上有很多问题没办法深入下去,爱因斯坦很想知道世界为什么是这样的,而波尔他们的逻辑是,世界就是这样的,你别问了,你接受就是了。牛顿,爱因斯坦,他们对世界的认知里,觉得世界是确定的,有因果的,发生了结果一定是因为有个原因在里面,一个物体动了,一定是因为有个力给他,什么事情有结果一定有原因,原因可能是很多很多很多的,人的主观意志也是原因的一种,譬如霍金说,一个非常相信命运的人,也会在过马路的时候左右看一看,以免被车撞到,这个话的意思,到底是你信还是不信命呢。如果你信命,那既然是注定的,那看不看又有什么意义呢。如果你要看一看才过马路,那你干什么还信命呢。这个就是大多数人的悖论。
贝尔不等式的提出者跟薛定谔一样,都是爱因斯坦的迷弟,他提出不等式是想验证爱因斯坦的牛逼和伟大,结果不等式最后证明了爱因斯坦在隐变量上的猜测是不正确的,这个结果让他无法接受的,他最后变成了一个终极决定论者。什么是终极决定论,就是否定人的自由意志,认为这个世界啊,这个宇宙的所有规律都是决定好的,每一步都是绝对精确的,客观世界下的运动啊,都是安排好的,我们做的每一步啊,也都是提前确定好的,甚至人的自由意志也不是自由的,也都是确定好了的,不会被改变。我们人类走到今天,其实在宇宙大爆炸那一天就被决定了,所有的时期都如同程序一样被写好了。这个就是贝尔最后给出的结论。贝尔本来的贡献也是把量子力学从哲学那里给拉了出来,让他能够为物理实验所验证,之后却用毕生的精力又把量子力学给推回到了哲学世界。爱因斯坦决定论其实和他的差别还是很大的,爱因斯坦认为啊,所有的事情都会被人的认知,举止、决定和行为所影响,一件事情的发生啊,必然有所有的因素汇集而成。人的自由意志其实是决定论的一个关键所在,但也只是世界会不会发生的一个因素罢了。但到了贝尔这里啊,没有办法啦,只能用终极决定论来解释了。
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