婴儿可能在数学领域里显得笨拙,但他们却在量子力学的领域里异常敏锐,至少在某些特定情况下。举个例子,他们觉得藏猫猫游戏妙趣横生,因为他们还未掌握物体永恒的概念。
一旦你的脸躲在了手后,他们似乎就认定你已不复存在,而当你再次把手拿开露出脸时,他们仿佛觉得你是突然间凭空冒出来的。对他们来说,这是无比欢乐的一幕(对成年人而言则可能枯燥乏味)。
然而随着孩子们的成长,他们会逐渐认识到,物体并不会莫名其妙地出现或消失。当他们步入成年,学习物理学时,物体永恒的概念已经在他们心中根深蒂固,以至于对于这一概念,物理学家们甚至觉得没有必要再做过多解释。
我们都习惯性地认为,即使我们不盯着看,宇宙也会如常存在,这种思想在物理学界构成了一个基本的隐含前提,即不管我们是否在观察,宇宙都是客观真实存在的。这种在物理学中,认为宇宙独立于观察者意识之外而存在的理念,被称之为实在论。
然而量子力学的奇异之处在于,它使得一些科学家开始质疑我们是否应当摒弃这个最基本的前提,这也成为了量子力学初创时期最为激烈的争论焦点之一。
一方面,尼尔斯·玻尔坚信,在没有进行观察的情况下,赋予宇宙以现实是毫无意义的。在未进行测量时,量子系统仅表现为一种模糊的混合态,即所有可能属性的叠加,我们称其为叠加态。在没有观测的情况下,描述这一叠加态的波函数是现实的完整表现。而我们所熟知的坚实物质宇宙,仅在进行观测的那一刻才有其确定的意义。这种时隐时现的宇宙观念正是玻尔所倡导的哥本哈根诠释的核心所在。
另一方面,阿尔伯特·爱因斯坦则坚信现实具有客观性,独立于我们对其的观察之外。他坚信波函数及其所描述的量子力学,只是因为不够完整,所以才显得不尽人意。他主张存在所谓的隐变量,这些变量能够反映出更物质、更真实的世界。
为了驳斥玻尔的论点,爱因斯坦联合波多尔斯基和罗森提出了一个量子案例,这个案例揭示出,如果要放弃实在论的假设,那么就必须同时放弃另一个几乎神圣的观念:定域性。定域性主张宇宙中的任何一点只能与邻近的点发生作用。这是爱因斯坦相对论的基础,它解释了因果关系的传播速度不会超过光速。
爱因斯坦、波多尔斯基、罗森三人提出的悖论,简称EPR悖论,引入了量子力学中最神秘的概念之一:量子纠缠。当两个粒子短暂相互作用后,它们会相互影响,形成某种方式的联系。在未进行测量时,我们可以一直保持它们的不确定性。量子力学要求我们用单一的组合波函数来描述整个粒子对,这个波函数包含了每个粒子的所有可能状态。这样的两个粒子构成了一个纠缠对。
根据哥本哈根诠释,对某个粒子的任何测量都会导致整个纠缠波函数瞬间坍缩,并影响到另一个粒子的测量结果。这种理论上可以在任何距离间瞬间传递的影响,甚至逆时传递,违背了定域性,甚至有可能违背了因果律。爱因斯坦等人认为这是荒谬的,他们坚信宇宙的每一个特定点都是真实且可知的,其影响永远不会超过光速。
在当时,玻尔与爱因斯坦之间的争论听上去更像是哲学讨论。然而到了1964年,爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出了一项实验,用以解决这一争论。他利用了纠缠的电子和正电子对,当它们同时由一个光子产生时,两个粒子的自旋方向总是相反。在测量之前,我们并不知道任何一个粒子的自旋方向,只知道它们旋转方向是相反的,因此它们的波函数是纠缠的。对其中一个粒子旋向的测量就能告诉我们另一个的旋向,无论它们相隔多远。
然而,在量子力学中,测量行为实际上会影响到你所测量的对象。以量子自旋为例,测量的影响显得特别奇特。我们通过转轴来定义自旋方向,这些转轴可以指向任何方向。为了测量自旋方向,我们需要选择一个方向来放置测量仪器,我们总是会发现被观测的量子自旋与我们选择的测量方向相一致。如果我们垂直地测量,那么自旋将是向上或向下;如果我们水平地测量,那么自旋将是向左或向右。测量行为迫使被测量的粒子自旋与测量方向对齐。
那么测量行为又是如何影响到其纠缠对象的自旋方向的呢?
答案将有助于解决玻尔与爱因斯坦之间的争论。情形一,爱因斯坦是正确的,每个粒子在所有时刻的自旋测量结果,在产生时就作为独立于其自身的隐变量存在,之后我们对任何一个粒子的操作都不会影响到另一个粒子。当我们再次测量两个粒子的自旋方向,二者的结果存在一定的关联,因为它们之间曾经存在联系,但与我们选择的测量方向没有关联(也就是说两粒子的自旋方向可能相同也可能相反)。
情形二,玻尔是正确的,在产生与被测量之间,电子和正电子只以包含所有可能状态的波函数形式存在。这样一来,对某个粒子自旋的测量会使整个波函数坍缩为具体的固定值,两个粒子因此在我们所选择的测量方向上显示为相反的自旋方向。这样,我们为前一个粒子选择的测量方向与随后测量的另一个粒子的实际旋转方向之间会存在关联(也就是说两者的自旋方向必然相反),这正是让爱因斯坦感到头痛的“幽灵般的超距作用”。
因此约翰·斯图尔特·贝尔提出了著名的贝尔不等式,旨在验证爱因斯坦的局域性观点或是探究量子力学是否涉及局域隐变量。
但假设一个关于量子纠缠的实验否定了贝尔不等式,这就意味着局域实在论也遭到了反驳。这类实验的实施困难重重,因为生成并维持量子纠缠态颇为不易,任何微小的干扰都可能破坏纠缠的秩序。
到了20世纪80年代,法国的物理学家阿兰·阿佩斯取得了突破。他没有选用通常的自旋纠缠的电子对,而是使用了光子对的偏振纠缠,即光子电磁场的方向,与传统的纠缠原理相通。
阿佩斯发现,对某一光子进行的偏振测量方向与另一端纠缠的光子测得的偏振方向之间,呈现出了违反贝尔不等式的关联性。这项实验甚至经过精心设计,使得纠缠光子间似乎只能以超光速传递信息(即速度超越了光速)。后续的实验持续在更大的尺度上验证了这一发现,科学家们甚至在数公里的尺度上观测到了这种即时关联。
现如今,我们已确信贝尔不等式遭拒,这同时也表明波函数不存在局域隐变量。那么这是否意味着哥本哈根解释得到了证实,而局域性和实在性的观点被同时驳回?我们所处的宇宙是否在不被观察时就消融于量子的抽象之中?
尽管纠缠实验的成果看似与局域实在论相抵触,但可能仅是推翻了局域性或实在性其中之一的原则。贝尔本人也认为,违反他的不等式只是否认了局域性,而实在性依然站得住脚。
非局域性暗示了纠缠粒子间存在瞬时的相互影响,这让那些信奉爱因斯坦相对论的人觉得难以接受。然而,非局域性与相对论其实可以并存。
相对论坚持因果关系,不允许信息以超过光速的速度传递。而在所有涉及纠缠的实验中,并无任何证据显示信息在粒子间以超光速传输。只有在测量之后,并且将测量结果相互比对时,我们才能察觉到纠缠粒子间的影响,宇宙似乎巧妙地规避了信息超光速传递的难题。
哥本哈根解释仍旧与所有的量子力学观测相一致,而玻尔的时有时无的宇宙观也许正是我们生存的真实写照。但换个角度看,如果放弃局域性的观念,那么实在论和隐变量的说法也显得合理。例如,纠缠的粒子或许通过爱因斯坦-罗森桥(即虫洞)相连,这种时空结构允许遥远距离间的瞬时互动。还有一种解读是多元宇宙解释,这种解释在量子物理的爱好者中广为流传,它不需要放弃实在性或局域性。
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