量子常理

2018-02-08 19:09菲利普·巴尔晨飞
飞碟探索 2018年1期
关键词:常理副本客体

菲利普·巴尔+晨飞

每个对物理学有点兴趣的人都知道,量子理论有悖常识。

有人说,现实的量子观就像一个疯人院,里面住的是成为浪潮的粒子。当然也可以反过来看,也就是说疯人院里住的是浪潮,这些浪潮能变成粒子,相互之间可以通过奇怪的信息交流,这是传统的时间和空间概念无法形容的。我们认为世界是由坚实的离散物体构成的,如树、狗和桌子,这些东西具有我们都认可的客观属性。但是在量子力学中,具有明确身份的经典客体的整体概念似乎并不存在。听起来很可笑吧?物理学家理查德·费曼早在1985年就说:“自然就是那样,很荒唐,我希望你们能够接受这种自然。”

量子理论并不表示粒子能够像波或幽灵一般交换信息,当然也不认为经典物体不存在。它不仅不否认经典物体的存在,还能说明它们为什么存在。在某些重要方面,该理论的升级版还揭示了为什么常理看起来是常理。你可以说,如果你有190厘米高,那么在经典世界就是量子力学的样子。我们的世界和我们的直觉,都是清一色的量子。

那为什么一谈起量子力学就说它如何不合逻辑、与现实不符?我们也许得把一些责任归于丹麦物理学家尼尔斯·玻尔。他可能是量子理论的创始人中最理解这个理论意义的思想家,他的直觉也通常都是正确的。但是在20世纪二三十年代,玻尔在量子世界和经典世界之间砸入一个持久的楔子。他说,它们根据不同的原則运作,我们只需要接受。

按照玻尔的观点来说,量子力学告诉我们的不是世界如何,而是我们在测量时会发现什么。理论的数学机制给了我们各种可能的结果。当我们进行测量时,我们只得到其中一种可能性,但是谁也不知道是哪一种,因为自然的选择是随机的。量子世界是概率性的,而经典世界(我们所有的测量发生的地方)只有独特的结果。为什么呢?“事情就是这样的。”玻尔回答说,“没必要期待量子力学提供更深层次的答案,它只告诉我们需要期待什么,而且是不可思议地可靠。那你还想要什么?”

玻尔的观点是1921年在哥本哈根的物理学研究所提出来的,所以被称为“哥本哈根解读”。它并没有直接说经典物理学和量子物理学之间存在矛盾,而是暗示玻尔与他打的那块“互补性的咒语式的补丁”不相容。经典世界和量子世界是现实的两个互补的方面,“既有经典世界的意义,也有量子意义,但是不能兼而有之,至少不能同时拥有这两者”。

互补原则对许多物理学家来说似乎是一个令人非常不满的妥协,因为它不仅逃避了关于现实性质的难题,而且基本上禁止了提这些问题。尽管如此,互补性至少有助于确定问题出在哪里:理解我们的测量意义。通过测量,物体成为物而不是可能性;而且,它们成为具有明确状态、位置、速度和其他属性的东西。换句话说,这就是违反直觉的量子世界带给常理的感受。那么我们需要统一的量子观和经典观就是一个适当的测量理论。问题已经滞留在这一点上很长时间了。

现在我们有这个理论,但不完整,这你得小心。它不会使量子规则的明显异常消失,但它确实使我们能够看到这些规则为什么引向我们经历的世界,让我们能够超越玻尔互补式的或A或B的困惑。量子世界与经典世界之间的界限毕竟不是一道鸿沟,而是一条明智而可追溯的道路。

测量需要解释,这是一个奇怪的观念。通常测量的概念似乎微不足道,压根就不需要问这个问题。一个球有一个位置,或一个速度,或一个质量。我可以测量这些,我测量的东西是球的属性。还有什么要说的?

但在量子世界中,事情并不那么明显。在那里,观察前,粒子的位置不过是一整套可能的位置,量子的其他所有方面也是如此。量子客体中的大量潜在属性如何在测量设备上变成一个特定的读数?这个物体的什么属性让设备指向那个精确的答案?现代的答案是令人惊讶的:测量的行为并不意味着量子性的崩溃和转向经典性。

量子客体具有波的性质,也就是说,理论告诉我们,它们可以被描述为波,尽管是特殊的波。这种波不会像空气或水中的波那样通过任何物质移动,而是被称为波函数的纯数学客体编码,可以转换为可测量的值的概率。

因此,量子粒子(例如光子、电子、原子,甚至整个分子)可以表现出干涉这一波的经典性质,即当两个波峰或波谷重叠时会相互加强,当波峰与波谷重合时会互相抵消。讨论这个现象很难不给人留下粒子本身是波的印象,而“波粒二象性”这个不幸的说法只会使事情更为混乱。但是,我们真正看到的是粒子波函数的一个特征,只是还没有一个更好的术语来形容它。询问这些量子客体是否真的是粒子或波并没有抓住要领,因为这两个都是经典概念。我们问的理由是我们正在本能地恢复量子世界的一些常理性图景,但是我们所说的“常理”是经典世界的一个特性,我们不能指望将其用于量子事物。

环境使量子汤产生了经典物理学和“常理”行为。

量子效应,比如干涉,都是建立在不同实体的波函数是互相协调的基础上的。这种相干是允许叠加的量子性质,其中粒子被认为是同时处于两个或更多状态。再次,它们并非真的同时处于两种状态,我们不知道在经典意义上如何恰当地描述它们。但是即便这些状态的波函数一致,对它们的测量仍然可能得到不同的结果。

如果它们的波函数不一致,则两个状态不能干涉,也不能保持叠加。所谓的去相干过程破坏了这些根本上的量子性质,而且状态更像是不同的经典系统。宏观物体不显示量子干涉或作为叠加存在,因为它们不能用相干波函数描述。我们认为这是量子与经典行为之间的根本分界线,量子相干性本质上是对“量子性”的定义。

然而,是什么引起了去相干?是量子实体长期被忽视的方面——它们的环境。量子系统的行为和发展方式在很大程度上取决于它不是孤立存在的事实。环境使量子汤产生了符合经典物理学和“常理”的行为。

玻尔及其量子力学早期的同行不理解去相干的原因并不明确,因为它只涉及量子理论的基本原理,科学中通常会发生这种情况。研究人员认为,他们可以专注于自己感兴趣的系统,并完全忽视它的环境,或将其归因于小的背景扰动。这样做通常挺管用。但是,如果我们想观察有关量子世界的事情,那就不行了。

去相干理论的基础在20世纪70年代由德国物理学家迪特尔·泽奠定,但当时没引起学术界的注意,在其提出后10年里只有两篇论文,直到新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的楚雷克讨论“去相干”计划时才引起广泛注意。楚雷克在波兰出生,满头卷发,在发现量子力学令人难以置信的方面时表现得干练冷静。他是在约翰·惠勒的指导下学习的。那是一位近乎传奇的美国物理学家,和玻尔一起工作,在“歪理邪说”方面很有一套。他创造了“虫洞”一词,又普及了黑洞的概念。

楚雷克是去相干理论的主要构建者和倡导者之一,他使得去相干理论成为连接量子世界与经典世界的重要概念。这种联系源自量子相干性具有“传染性”的事实。如果一个量子客体与另一个量子客体交互作用,它们就会成为一个复合叠加,在某种意义上,它们成为一个系统。事实上,根据量子力学,这是在这种互动中唯一可以发生的事情:这时候,这两个物体就“纠缠在一起”。这听起来可能很幽默,但这只是当量子系统与其环境相互作用时会发生的事情,就像光子或空气分子反弹一样,相干传播到了环境里。

理论上,这个过程会一直进行下去。纠缠的空气分子撞击另一个,第二个分子被拖入纠缠状态。同时,其他粒子也撞击初始量子系统。随着时间的推移,该系统越来越多地与其环境相互纠缠,这意味着它不能再被分解成單独的实体。

纠缠的这种传播破坏原始量子系统的相干表现,而将其叠加为系统及其环境的共享属性,所以我们无法再看到与原始系统相对应的共享状态的一小部分叠加。可以说,我们看到了树林但看不到单个的树木。去相干性实际上并不是叠加和相干的损失,而是我们在原始系统中检测这些东西的能力的损失。

我们不需要有意识的头脑来测量或观察。我们参与不参与,宇宙总是在看。

只有仔细观察所有纠缠粒子的状态,我们才可以推断它们是不是叠加的。我们怎么可能希望这样做——监测从原始系统弹出的每个光子、每一个与之相冲突的空气分子,以及它们与其他分子的碰撞?拼图的碎片已经分散得非常广泛,从所有的实际用途考虑都已无法找到,但是原则上它们仍然存在,而且(量子力学认为)会无限期地保持下去——这就是去相干的本质:失去(个人)有意义的相干性。这是一个以特定的速度发生的渐进和真实的过程。

量子力学使我们能够计算出这个速率,这样我们可以对去相干理论进行测试。巴黎高等师范学校的塞尔日·阿罗什及其同事于1996年首先测量了被称为“光阱”的设备中原子和光子相互作用的原子的去相干性。用量子理论计算的去相干性造成的原子状态之间的干涉损失与实验结果完全吻合。2003年,安东·泽林格和马库斯·阿恩特牵头的研究团队观察到了大分子量子波之间的干涉消失。他们通过逐渐将气体释放到干涉发生的腔室来改变去相干率,使气体分子与物质波中的气体分子碰撞。理论和实验很好地吻合了。

去相干显然是一个非常有效的过程,可能是科学界已知的最有效的过程,对于在空气中浮动的直径0.01毫米的尘粒,大约需要10-31秒:比光子通过单个质子快100万倍!即使在星际空间近乎隔离的情况下,宇宙微波背景中普遍存在的光子——大爆炸的余晖——也会在大约1秒内消去这个粒子的相干性。

因此,对于在普通条件下接近宏观尺度的物体,去相干在所有实际目的上都是不可避免的、瞬时的:你不能让它们看起来一直呈现为“量子”,几乎就像是力图使构造世界的量子物理学规律把这些规律在比原子尺寸大得多的任何单位上隐藏起来,诱使我们认为事情只能是我们经验中的那样。但是,如果我们仔细观察大自然,就能明白是怎么一回事。

请注意,去相干的这种效果与正常意义上的观察无关。把量子世界变成经典世界,不需要我们有意识地去测量或观察,只需要给我们一个充满活力的环境。宇宙总是在观察,有没有无所谓。

然而,通过去相干实现量子叠加和干涉的衰减只是量子测量理论的第一个要素,我们还必须解释经典测量仪器怎么获得它们的值。我们如何定义叠加状态,取决于我们如何计算。从量子角度来看,所有状态都是有效的解决方案。那么,为什么有些状态可以在去相干后存在,并在测量设备中被转换成明确的读数或“指针状态”,而其他状态则不能?为什么我们看到的是常理状态,而不是无法衡量的叠加?

答案有两个部分。首先,事实证明,与环境相互作用的去相干诱导不仅仅任意挤压量子性,它还具体选择具有特定对称数学属性的状态,并且删除其他状态。楚雷克称其为环境诱导选择。他说,这样一来,“环境不仅仅是一个垃圾场,还是一个沟通渠道”。

但是,只做到让一种量子态能够不受去相干影响而继续下去以便我们能够测量这一点还不够。继续下去就意味着这种状态原则上可以测量,但是我们仍然必须得到那个信息来检测这种状态。所以我们需要查问一下实验者如何获得那个信息。(真的,谁能想到就这样一个观察行为还有这么多的麻烦?)

下面是令人兴奋的答案:正是因为量子系统与其环境相互作用,所以才在经典测量设备上留下了印记。如果我们能够用一些惊人的仪器来记录尘粒上跳出的所有空气分子的轨迹,我们就不用直接观察而想出尘粒所在;我们只需监测它在环境中留下的印记。这实际上就是我们在确定任何东西的位置或任何其他属性时所做的一切:我们检测的不是客体本身,而是它产生的效果。

正如将物体耦合到其环境设置去相干那样,它也将该客体的相关信息印在环境中,形成一种副本。然后,对该客体的度量相当于从副本中获取该信息。

楚雷克及其同事进行的去相干的详细理论分析显示,在制作这些副本时,一些量子态比其他量子态更好:它们留下了更强大的印迹,也就是说更多的副本。这些强态是我们可以测量的状态,并且最终从底层的量子困境中产生独特的经典特征。你可以说,只有通过在环境中生产丰富的副本来适应适者生存的去相干过程。楚雷克将这种观念称为“量子达尔文主义”。

就像在大自然中一样,这里的适与不适是由实体和环境确定的。一些环境有利于诱导量子客体的去相干性,但不能保留其可靠且清晰定义的副本。空气分子的碰撞就是这样的。是的,你可以从空气分子弹跳的轨迹重现一个客体的所在,但是你必须能够收集这些信息才行,因为这个信息很快会在随后的分子相互碰撞中变得杂乱无章。

另一方面,光子在保留印记方面要强得多,因为它们从客体反弹后通常不会相互影响,所以它们携带的信息不会很容易弄乱。视觉是生物体了解其环境的一种可靠和广泛的方式,这不是巧合。气味分子穿过繁忙拥挤的空气后气味就没有那么强,有些动物只有在视力不好时(比如说夜间)才会利用它。但是,嗅者必须嗅出一个漫游的散射轨迹,而不仅仅是看到目标并向它移动。

只要你喜欢,你可以凝视咖啡杯,你再凝视它也不会变形;但是大师的画作你可不能这样。

楚雷克及其同事杰西·里德尔已经能够计算出在简單情况下(例如充满阳光的真空中的尘粒)量子副本的扩散是多么快速和广泛。他们发现,只有1微秒的照明之后,直径1微米的尘粒会在分散的光子中留下大约1亿个关于其位置的印记。

因为这种多重印记,这样的客体似乎具有客观的、经典的属性。比如说,10个观察者可以单独测量尘粒的位置,并且都认为它在同一个位置。每个观察消耗掉反射光子中一个不同的粒子副本。在这种观点下,我们可以为这个微粒指定一个客观的位置,不是因为它真的“拥有”这样一个位置,而是因为它的位置状态可以在环境中印制许多不可区分的副本。原来,我们认为的显而易见的常理在量子理论中具有安全的但远非明显的基础。

这里有一个看似奇怪的推论。当我们通过在环境中探测其副本来衡量系统的属性时,我们破坏了该副本。那么我们可能会通过反复测量耗尽所有的副本,这样就不能再看到状态了吗?是的,我们可以这样做,因为太多的测量似乎将最终使该状态消失。

但是,我们不必对有限数量的副本感到困惑。它只是告诉我们,如果我们继续试探一个系统以便对其进行了解,最终我们会将其变为另一个状态。这完全符合我们的经验。当然,只要你喜欢,你可以看着咖啡杯一直不动,但是改变不了这个咖啡杯。可是你不能这样对待名师的绘画,因为色素会在太多的光线下消失:你会改变这些油画的状态。如果你长时间持续地检查一些足够小的东西,比如说一个电子,即使是单个光子的反射也是一个很大的事情,所以你不用捕获太多的副本就能看到不同的状态。

量子达尔文主义告诉我们,从根本上说,真正的问题并不在于物理探测是否会扰乱被探测的内容(尽管可能会发生)。收集信息会改变情景。通过去相干性,宇宙保留了量子世界的精选亮点,这些亮点具有我们从经典世界学到的特征。我们一起来打扫这些信息,并在此过程中将其销毁,每次一个副本。

去相干并不能完全解决量子力学的难题。最重要的是,虽然它显示了量子波函数固有的概率如何减少到类似经典的细节,但它并不能解释唯一性的问题:为什么在去相干之后的测量结果中,我们只看到其中之一。一些研究人员不得不将此作为一个额外的(你可能会说“超常理”)公理:他们将现实定义为量子理论+ 唯一性。

无论怎样,多亏有了去相干理论,我们不再需要用量子去量化有些形成知识结晶的神奇而又神秘的事件。我们有一个数学理论来解释信息如何摆脱量子系统并进入宏观设备。我们可以用这个理论计算出这一过程发生的速度与强度。我们最终有了一个测量理论,而且这种理论没有赋予有意识的观察者特权地位,剥去了量子力学看似神秘的外表。

我们不再需要玻尔将世界任意区分为量子力学统治的微观世界和必然是经典的经典世界。现在我们看到,微观世界和经典世界是一个连续体,经典物理学只是量子物理学的一个特例。这样看问题,常理就是量子感觉的一个直接和完全明智的产物。

常理来自看似与普通感觉相去甚远的原则。

这种量子测量理论是对科学通常的运行方式的逆转。我们通常把自己的常理和经验看成理所当然,并从中推断出更基本的物理行为。当然,我们发现的东西有时候似乎远离常理,比如说太阳中心论、希格斯玻色子、黑洞等等,但是我们也逐渐将其视为理所当然,毕竟在我们测量的内容和宇宙中,所有的内容之间存在着一种不复杂的关系。

去相干理论并不把测量的常理观看作理所当然。它的出发点是:世界从根本上受到量子规则的管理(这些量子规则看起来与经验背道而驰),然后向上看是否可以恢复常理。注意:是“可以恢复”。

这就是为什么量子衡量理论可以被认为是一个“常理理论”。去相干理论解释了常理来源,即远离普通感觉的原则。那么我们面临的挑战就是使我们的本能常理与其量子起源相协调。但我们不再需要把这两个因素看成相互冲突的,因为它们不仅一致,而且有着千丝万缕的联系。

明白了经典世界与量子世界之间的冲突不在物理学中,我们就可以得到安慰——原来它只存在于我们的心中。

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