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上帝不会掷骰子?——谈谈量子力学

亦敌亦友的爱因斯坦和玻尔


-Why are quantum physicists so poor at sex?

-Because when they find the position, they can''t find the momentum, and whenthey have the momentum, they can''t find the position!


大约90年前,著名的物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)就在量子力学领域有了重大突破,薛定谔波动方程表明量子力学中,粒子以概率波的方式出现,具有不确定性。之后,量子理论在无数科学巨人的推动下有了长足的进步,而其中最重要的两个人就是玻尔爱因斯坦




爱因斯坦眼里的量子力学



早在广义相对论之前,爱因斯坦就提出了光量子的概念,这直接催生了光的波粒二象性理论,紧接着,量子力学的基础理论被同时建立起来。只是很长时间里,这一理论都处于被怀疑的状态,随机性成了量子力学的代名词,同时也是被人讨论得最多的一个问题。

早在量子力学诞生以前,以牛顿为代表的经典物理学主张世界上不存在偶然所有的随机事件都是可以通过计算预知的举个栗子,你和损友在酒吧里玩骰子,骰子点数似乎是随机分布的,但其实不然,你摇骰子用力的角度、大小等诸多因素控制了点数的大小。理论上,假如知道了所有的这些影响因素,每次你都以相同的状态摇骰子,每局掷出666也不是什么难事,包你战无不胜,走向人生巅峰。当然,人类目前还没有天才到能控制到一个细节,人工智能AlphaGo也做不到。

量子力学的诞生对经典物理无疑是颠覆性的,如今的量子理论体系已经变得庞大起来,也有越来越多的实验结果表明,现代量子理论很可能是正确的,在这个领域中的一切都是关于概率,而不再是完全确定的状态。

举例来说,现在我们认为,在这个尺度下,一个光子已经不能继续细分,所以作为光束中的最小单位,一个光子不能被滤去一部分,只能保持整个存在或者完全消失。也就是说,当一束偏振光(90°)通过偏振片(45°)的时候,光线整体亮度变成了一半,这并不是因为每个光子的能量被滤去了一半,而是因为所有光子通过偏振片的概率成了50%,而且每个光子是否通过并没有已知规律

“薛定谔的猫”的提出便是为了更加通俗地解释这一点:当猫处于50%可能活着,50%可能死去的状态时,如果不打开盒子(不去测量这个光子是否通过),由于结果的随机性,它只能被描述成一只“半活半死”的猫(光线整体亮度是原来的50%),而当打开盒子的一刻(测量这个光子是否通过),它的死活就被瞬间确定了。

非偏正光源穿过竖直方向的偏振片,变成竖直方向的偏振光


更加神奇的是,卢森堡的不确定性原理说明,一个量子的位置和速度不能同时被确定,即当你知道它的准确位置之后,它的速度就有非常大的不确定性,反之亦然,并且满足关系ΔxΔp≥h/4π(左边是两者不确定性的乘积,右边是一个常数)。

回首过去,实际上,爱因斯坦对量子力学本身有很深的思考,而那句经典的质疑——“我不相信上帝会投骰子”也正是他超越性思考的结果。许多人认为,爱因斯坦是在否认这种不确定性,这也许是我们对他最大的误解。宏观世界中,经典物理学已经可以很好地预测物体的各种状态,但是一旦我们进入微观物理,就看到了一个充满随机性的世界,这使爱因斯坦感到十分困扰。之后他想到,宏观中的随机现象实则是一种可以预测的结果,就像空气中看似随机飘散的灰尘,其运动一定是复杂的力的作用的结果,类似的,看似随机的投骰子,也是遵循已知的物理规律的,只是我们之前认知有限,才会觉得它是完全随机的。同样,现在看来,量子表现出很强的随机性,那是否有可能这也是我们自身认知的缺陷导致的呢?也就是说:现有的量子理论可能仍然是不完善的,我们不应该认为微观世界的随机现象就是世界的本质,应该试图建立新的理论来解释这些随机性。思考至此,爱因斯坦才说了出那句我们既熟悉又陌生的名言。

 



什么是量子纠缠



在刘慈欣的著名小说《三体》中,科技高度发达的三体星人利用量子纠缠的原理制造出了一种超级武器——智子。它实际是一个巨大的智能体系,经过降低维度之后形成了一对纠缠态的粒子,一个被发送到地球,以接近光速的速度获取情报,并干扰一切人类基础物理的研究,使得粒子对撞实验得不出有意义的结果,从而限制人类科技的进步;另一个则是作为它的遥控器,利用量子纠缠的技术瞬间向地球上的那个智子传递信息,控制着它的一切活动。那么,量子纠缠真像大刘所说的如此神奇吗,可以无视天文单位的距离瞬间传递信息?这还要接着从爱因斯坦说起。


在爱因斯坦经历了对随机现象的思考之后,他认为当时的量子力学理论存在漏洞,微观世界的随机性一定是可以解释的,于是一边与当时的量子理论拥护者玻尔发起挑战,一边致力于一种大统一理论的建立,试图找到解释宇宙万物的终极理论。而量子纠缠这一概念就是在他和玻尔长达近十年的思想对决中被发现的

每一次爱因斯坦都试图在上午提出一个思想试验来证明玻尔的错误,而玻尔也基本都能在晚上给出合理的解答,直到1935年的一天,爱因斯坦通过计算发现:如果玻尔相信的理论成立,那么会存在这样一对粒子,它们能在无穷远的距离上瞬间影响彼此的状态,这样一来,这种信息传递的速度将会超过光速,而根据广义相对论,这是不可能发生的。这个“不可能发生”的作用也被爱因斯坦称为“spooky action at a distance”,意为“鬼魅一般的超距作用”。

1927年10月,在布鲁塞尔召开了第五届索尔威会议,当时拍下了这张物理史上的最强阵容,大会讨论的主要问题就是量子力学正确与否

然而,在2015年,距这一问题提出80年后,量子纠缠的作用被实验完美证实了。实验发现,相距1.3km的一对纠缠态的电子在同时观测时总是呈现为一个正向自旋,一个反向自旋的状态。随后,在今年(2017年),中国“墨子号”量子卫星首次把这一实验距离扩大到了上千公里,量子通信技术仿佛成了可以看到的未来科技。

如果你还记得薛定谔的形象比喻,那么一个电子的自旋状态就是那只猫,不观测它的时候就相当于猫放在盒子里,处于一半正向,一半反向的状态(猫“半死半活”的状态),或者说是50%可能正向自旋,50%可能反向自旋,而一旦观测之后,就可以看到正反两种情况随机出现,且没有已知规律。这样一来,实验结果就很好理解了:仿佛冥冥之中两个电子(盒子里的猫)之间有了联系,不论多远的距离,同时打开两个盒子,总会发现一个里面是死猫,另一个里面是活猫,这就是所谓的量子纠缠。至此,爱因斯坦的这一论证被完全推翻,这场80年前的对决竟然在不久之前才尘埃落定,而我们对于量子力学的研究又翻开了新的篇章。

 把一只猫放进一个封闭的盒子里, 这个封闭的盒子内放置一个放射性原子、盖革计数器和毒气释放装置.假定这个放射性原子在一小时内有50%的可能性发生衰变, 衰变时发射出一个粒子, 这个粒子将会被盖革计数器探测到, 进而触发毒气装置释放毒气, 将猫杀死. 那么, 一小时之后, 这只猫是死是活呢? 

credit:霍开拓 知乎



关于物理理论的思考



亚当创造


上千年来,我们的科学观经历了无数次推翻和重建的过程,每一次新的发现都会引起我们的思考,找到之前理论的漏洞,就这样,理论一次次建立,而实验将其一步步完善。从托勒密坚信的地心说,到哥白尼总结提出日心说,再到现在的宇宙观,从亚里士多德的重物下落更快,到比萨斜塔验证自由落体,从相对论冲击经典物理,到量子力学的重大突破,而如今通过天文观测我们已经证实了了引力波的存在,真是可喜可贺。然而,现在的物理体系就一定是正确的吗?每一次推翻都发生在与观测不符的实验现象之后,会不会有一天我们发现自己的眼光其实如此狭窄,我们只是“碰巧”建立了这样一个庞大的体系来自圆其说呢

而对于所谓的量子通信,其基础固然是建立在量子纠缠的超距作用之上,但是目前来说,我们做到的不过是一再增加纠缠态的粒子数量(中国科学院制造出了世界上最多的纠缠态粒子,共10个)和它们的作用距离,但是本质上并未传递有效的信息。更加值得注意的是,一旦其中一个粒子收到扰动,纠缠态就会被破坏。如何控制纠缠态的粒子,发出人为设计的信息,我们现在还没有实质性的进展。所以,就广义相对论来说,目前我们理解的量子纠缠还远没有达到超光速传播信息的能力,所以目前关于光速的说法依然是正确的,而真正的量子通信离我们还很遥远,可以实现与否还未可知。

宇宙包含的可能性实在太多了,多到我们永远不可能说自己完全正确。也许微观到极致之后真的是宏观,也许每一个微小的粒子里面都包含了一个宇宙,如此循环往复,无法穷尽,也许真正的多维空间超出了我们的认知,已经不能简单地通过数学方法来进行类比,也许量子理论也只是宇宙真理最表面的一层皮毛...

对于这个世界,我们还是了解的太少了,可是就算如此,在一个人有限的过程中,这也足够我们终其一生地学习下去了,这样想想,又如何不是一件幸事呢。