爱因斯坦憋了100年的大招:量子力学被推翻?

严伯钧 原创 | 2019-06-24 12:46 | 收藏 | 投票 编辑推荐
关键字:量子力学 爱因斯坦 

  耶鲁大学的科学家们做了一个实验,可以说解决了长久以来困扰着物理学家们的一个大问题。这个问题甚至曾经让爱因斯坦头疼不已,一些媒体也抢先给出了抢眼报导,都在声称“量子力学被推翻了”……

  真的是这么回事吗?

  先说我的看法:量子力学并没有被推翻,现有的量子力学理论,至少在计算上,依然是好用、正确的,但是经过这次实验,我们认识到,现有的量子力学至少还不够完善。可以预见的是,接下来理论物理学家们又有事干了,而且是有很多事干了。希望以后读理论物理的学弟学妹们在申请博士生的时候能拿到更多offer。

  01 量子力学最吊诡的性质 

  相信你一定听说过“薛定谔的猫”,这只猫是物理学界的“四大神兽”之一,另外三只是“芝诺的乌龟”、“拉普拉斯怪”和“麦克斯韦妖”。这三只神兽有什么神奇之处以后再说。

  “薛定谔的猫”其实是薛定谔用来diss量子力学的扯淡之处的思维实验。这个扯淡之处就是,量子力学最吊诡的性质,就是一个量子系统可以同时处在不同的状态。“薛定谔的猫”是一只被放在盒子里的“半死半活”的猫,记住是“半死半活”,不是“半死不活”。只要你不去看这只猫,它就是“半死半活”的,它即是活的又是死的,但是只要你打开盒子看它,这只猫就要么是死,要么是活。

  奥地利理论物理学家,埃尔温·薛定谔

  (Erwin Schrödinger, 1887 - 1961)

  薛定谔用所谓的“波函数”来描述量子系统的状态:不打开盒子的时候,猫的状态是一个“半死半活”的波函数,打开盒子以后,猫的状态是“活着的”波函数或者“死了的”波函数。

  02 爱因斯坦大战玻尔

  结合刚才“薛定谔的猫”的例子,量子力学给出了一个暗示:物质的状态跟观察者有关。你不看猫,猫是一个状态,看了之后猫则是另外一个状态,如此一来,似乎唯物主义就崩塌了,因为结果跟观察者有关,唯心主义似乎在量子力学领域获得了极大验证。

  那么问题来了,观察者的行为,是如何影响量子系统的呢?一个量子系统,测量前和测量后处在不同状态,又是什么决定了状态的转变?不要忘了,你看了猫以后,猫的状态并不是一定的,它有可能是死的,有可能是活的,用薛定谔波函数的表达就是,你做了观测以后,观测前的波函数就“坍缩”成了观测后的“波函数”。

  观测的行为会影响系统的状态还好理解,但关键是,观测以后的结果并不唯一,有可能是活猫,有可能是死猫。是什么决定了猫是活是死?这中间有什么必然性和因果关系吗?

  围绕这个问题,以玻尔为代表的哥本哈根学派,和爱因斯坦产生了严重分歧。

  玻尔和海森堡(师徒俩)认为:

  观测前的状态变到观测后的状态,完全是随机的、瞬时的、不可预测的。

  换言之,一只“半死半活”的猫变成“或死或活”的猫,这里面完全没有中间状态,整个过程是瞬间发生的,或者说,根本不存在“过程”,且结果完全是随机的,根本无法预测猫到底是死是活。

  那爱因斯坦就不乐意了,于是他说出了那句最著名的,diss量子力学随机性的话:

  God does not play Dice with the Universe.

  上帝不会掷骰子。

  爱因斯坦的意思是,凡事必有因果,观测导致波函数坍缩,这个过程一定是“连续”的,应该有个中间态,我们现在的实验条件无法观测,但是并不代表这个中间态不存在,且不应不可预测。

  举个例子:

  这就好比一根雪糕,突然变小了。玻尔和海森堡的观点是,这根雪糕就是瞬间、凭空变小了,没有人吃它,也没有融化,就是变小了。

  爱因斯坦觉得这种观点简直就是强盗逻辑,雪糕变小了一定是融化了或者有人吃了,肯定有这么一个中间过程,一定有个原因,只是现在的实验条件不够精确,无法看到雪糕变小的过程。

  这场斗争其实没有明确的结果,但是那么多年过去了,学界主流的观点是偏向玻尔、海森堡这派的,量子力学这种“无理”的暴力性质,变成学界默认的一个量子性质。

  最直接的证据就是,“平行宇宙理论”是很多物理学家所相信的。因为平行宇宙理论便是由量子力学这种“无理”的“真随机”特性推论出来的,且所谓的第五维度,就是量子力学的“可能性”维度。

  03 耶鲁大学的实验验证了什么?

  这次耶鲁大学科学家做的实验,如果最终被证明是正确的,那么可以认为,爱因斯坦和薛定谔的这一派获得了胜利。因为这次的实验,观测到了量子系统发生转变的“中间过程”,且做到了一定程度的可预测性。

  这个实验的具体做法相对比较复杂,我这里只作简单概述:实验团队利用超导,做了一个“假的”原子能级系统,以下简称“系统”。

  这个系统有三个能级,这三个能级是相互独立的。三个能级分别叫基态|G>、第一激发态|D>和第二激发态|B>。实验的目标,是去观测第一激发态|D>是否被原子占据。也就是说,第一激发态|D>的波函数是“满”和“空”这两个状态的叠加,类比刚才“薛定谔的猫”的例子,第一激发态|D>是既“满”又“空”的。这个实验的目的是去观测第一激发态|D>在“满”和“空”的状态之间是如何变化的。

  但是记住,我们不能直接观测第一激发态|D>,因为只要观测了,就会得到一个确定的“满”或者“空”的结果,这就会导致第一激发态|D>的波函数坍缩,从而失去实验意义。也就是说,我们既不能直接观测第一激发态|D>,又要知道里面发生了什么。

  这个实验巧妙的地方,是利用了所谓的“第二激发态”|B>。第一激发态|D>具体是“满”是“空”,会通过它和基态|G>之间的“量子跃迁”(Quantum Jump),间接地影响第二激发态|B>的状态,所以实验要做的,是去观测第二激发态|B>,便能间接地知道第一激发态到底是“满”还是“空”。

  实验的结果表明,第一激发态|D>在“满”和“空”之间的切换,是有“中间态”的,且是连续的,并且这个转变发生之前,会发出预警,这使得科学家们可以提前操作,预防这个转变的发生。也就是说,耶鲁这个实验对量子系统做到了一定程度的可预测性。爱因斯坦又赢了……

  犹太裔物理学家,阿尔伯特·爱因斯坦

  (Albert Einstein,1879 - 1955)

  当然,爱因斯坦赢了玻尔也不奇怪,玻尔可是号称物理学界的“打脸王”,玻尔被打过的脸可以说是数不过来了,咱的杨振宁就打过玻尔的脸,以后有机会再说......

  04 实验推翻了什么?

  表面上看,如果这个实验做得没什么问题的话,它确实推翻了玻尔和海森堡以及整个哥本哈根学派对于量子力学不可预测性的假设。这个结果可以说是对当前学术界piapia打脸了。由此看来,量子力学也没太神奇,它不过是一个更高端精致的统计力学。

  虽然不能说量子力学被推翻,因为现有的量子力学在目前的物理学尺度下一直是精确、好用的。这个实验告诉我们,量子力学在未来需要更多完善。就我个人看来,这个实验结果,给出了关于量子力学未来发展的两个半可能性。无论是哪种可能性,在往后的日子里,物理学家们都有超级多事情要做了。

  第一种可能性是,承认实验的正确性,否认真随机以及不可预测性,回归到爱因斯坦这条路上,去发展处关于波函数坍缩“中间态”的理论。因为尽管薛定谔和爱因斯坦认为有中间态,但薛定谔的“薛定谔方程”,并未给出任何关于波函数坍缩中间态的信息,所以肯定需要再去研究。但这样一来,平行宇宙理论便彻底不靠谱了,什么“五维”到“十维”就更是白扯,所有穿越剧、平行宇宙有关的科幻电影就都拍错了,《星际穿越》、《彗星来的那一夜》甚至《复联4》都变得毫无理论根据。

  第二种可能,由于我们之前的量子力学理论不够完善,有可能我们对于量子系统的理解还不够到位。譬如,海森堡的这套以“不确定性原理”和“矩阵力学”为根基的量子力学理论,把不同的量子态完全处理成独立、互不影响的状态。所以才会有耶鲁这个通过第二激发态间接观察第一激发态的实验,因为本质上我们都假设了第一激发态和第二激发态是相互独立的。但是万一,量子态之间,事实上并非互相独立,而是有微弱的纠缠关系,那么这个实验很有可能从根本的设计上就出错了,因此这个实验并没有推翻量子力学的“不可预测性”。也许“量子纠缠”现象是这个可能性的一个方向。

  第两个半可能,是哲学问题了,所以我叫它半个可能性。即我们要讨论,到底什么是“真随机”。比方你扔骰子,如果用高速摄像机拍下骰子扔出去的角度、速度,再通过牛顿力学,我们能算出来最后扔出来必然是多少。这种情况下,骰子的随机性就是个“假随机”,玻尔、海森堡的关于量子力学的观点是,量子力学里的随机性无法用一个量子的“高速摄像机”去拍摄,因为你一旦拍摄就会导致波函数坍缩,导致这个预测变得无法进行。

  德国哲学家、作家,古典哲学创始人,伊曼努尔·康德

  (Immanuel Kant,1724 - 1804)

  这里就要祭出著名的哲学大师,德国哲学家康德了。康德有所谓“物自体”的概念,大概说的是:

  事物的“本体”,处在所谓的“彼岸”,我们感知事物,是通过自身感官去与事物的属性“耦合”,所以我们只是感受到事物的“性质”,然而这并不是事物“本体”,彼岸不可知。

  康德这个理论也可以被认为是“不可知论”。运用在这个实验里就是,尽管我们知道了量子系统“可预测”,但本质上,只要我们没有办法真的去预测它,那它对我们来说就还是“不可预测”,还是所谓的“真随机”。尽管耶鲁的实验证明了量子系统存在可预测性,但万一决定这个“可预测性”的机制不可测量,比方这个机制小于“普朗克尺度”,那这就使得在实际操作上去做预测变得不可能。那么,在康德的理论看来,这种情况的随机,还是一个“真随机”,至少是个“真·假随机”。

  其实关于概率论的哲学基础,人类目前还不能说已经研究透彻了,所以可能要先弄清概率论的哲学根基,才能更加深入地讨论这个问题。

  05 实验没推翻什么?

  很多科普文章说这个实验推翻了海森堡的“不确定性原理”,因为爱因斯坦当年最反对的就是这个“不确定性原理”。这个说法有失偏颇,“不确定性原理”并未被推翻,只要海森堡这套矩阵力学还好用,“不确定性原理”就依然是正确的。除非等到新的理论做出来之后,才能真正地去探讨“不确定性原理”是否真的被推翻了。

  开个小差:如果不确定性原理被推翻,说不定“绝对零度不可达”这条定律也要被推翻。不确定性原理可以说是确保“绝对零度不可达”的一个重要保证。

  立个Flag: 

  最后说一下,这个实验新鲜出炉,主流学术圈还要讨论一阵子。但如果这个实验的结论被普遍接受的话,我预言,这个实验成果一定会很快获得诺贝尔物理学奖,因为它的结论,太太太底层了,影响太太太巨大了。

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