量子理论

量子理论会带给你一个新的思考世界的角度,值得了解一下:

对于我们的世界,科学家有两套体系来解释。

第一套体系已经存在了300多年,这就是牛顿的力学体系,机械论。事实上,这套体系的核心概念至少存在了2000多年,从亚里士多德开始,认为世界像一个大钟一样一旦上紧了发条,就有条不紊地运行下去,直到永远。这套体系与我们的日常经验吻合,里面的概念都可以用我们眼睛看到的具体事物来实现。

第二套体系存在了不到100年,严格说来是90年,这就是几位最幸运的天才在1925年前后发现的量子力学体系。根据这套体系,我们人眼看到的并不是世界背后最基本的元素,例如一个物体的状态不可以用它的位置和速度来描述。根据海森堡,我们可以谈一个粒子的具体位置,也可以谈它的具体速度,但不能同时谈它的位置和速度。这样,我们熟悉的简单决定论就失效了:当我们知道粒子的位置时为了预言它下一刻的位置,就必须知道它的速度。不确定性原理告诉我们,这不可能。

不确定性原理完全违背了我们的直觉。但事情不会到此为止,量子论总是给我们带来无穷无尽的麻烦。比如纠缠,这个现象说,相隔遥远的测量结果会互相影响,并且这种影响看起来是瞬时的,这就是量子物体之间神秘的纠缠。但是,你却不能通过这种纠缠实现瞬时通信,更不能实现心灵感应。

还有很多我们无法理解的事情,例如,你无法区别两个电子,它们不同于两个人,可以叫作张三和李四。两个电子确实有两个,但不能被我们标记为甲电子和乙电子。在某个时刻你看到的两个电子,在下一个时刻你已经无法区分谁是谁了。

经典物理学的缺陷

“现代物理科学的首次繁荣在1687年达到顶峰,其标志是艾萨克·牛顿的《自然哲学之数学原理》的出版。此后,力学作为一门成熟科学得以建立,并且能够以清晰确定的方式描述粒子运动。这门新兴科学看起来是如此地无懈可击,以至于在18世纪末,最伟大的牛顿力学继承者皮埃尔·西蒙·拉普拉斯做出了那个著名的断言:如果拥有无限的计算能力,并且知道某一时刻所有粒子的位置,人类就可以利用牛顿方程预测整个宇宙的未来,并且可以同样确定地反推宇宙的过去。实际上,这个有些骇人听闻的机械论断言始终摆脱不了人们对其狂妄自负的强烈怀疑。首先,人类自身就不能像时钟一样按部就班地自动工作。其次,牛顿力学的成就虽然毫无疑问非常引人瞩目,但其并没有囊括当时已知物理世界的方方面面,仍然有一些未解决的问题在威胁着对牛顿力学体系自足性的信心。例如,牛顿发现的普适的引力平方反比定律(万有引力定律)的本质和起源是什么?这是一个牛顿自己也拒绝给出假设来回答的问题。另外,光的本质问题也没有解决。这方面,牛顿倒是在一定程度上给出了一个推测性的看法。在《光学》一书中,牛顿倾向于认为光是由一束小粒子流组成的。这种微粒说与牛顿从原子论方面看待物理世界的倾向是一致的。

量子逻辑

人们很有理由期望,量子理论能显著地改变我们对位置和动量等物理术语的概念。更令人惊讶的是,它还影响了我们如何思考那些小的逻辑词语——“与”和“或”。

经典逻辑就如亚里士多德和一般的英国人构想的那样,是建立在逻辑分配律基础之上的。如果我告诉你,比尔是红头发,并且他不是在家就是在酒馆,那么你会预期,要么找到一个在家的红头发比尔,要么找到一个在酒馆的红头发比尔。这似乎是一个相当无关紧要的结论,它在形式上依赖于亚里士多德的排中律:“在家”和“不在家”之间,没有任何中间项。20世纪30年代,人们开始认识到,在量子世界中事情变得不一样了。一个电子不仅可以“在这儿”和“不在这儿”,还可以在任意多数量的其他态上,这些态是“这儿”和“不在这儿”的叠加。这就形成了一个中间项,它是亚里士多德做梦也想不到的,结果,就存在一种特别的逻辑形式,叫做量子逻辑。

测量问题

在经典物理中,测量是不成问题的,因为它只是对真实情况的观测。例如抛硬币问题,事先我们可能只能认定硬币正面朝上的几率是1/2,如果我们正好看到正面朝上,原因仅仅在于它就是已经发生的事实。

在传统量子理论中,测量是不同的,因为叠加原理将二选一的、结果相互排斥的几率结合在一起。直到最后一刻,它们中的一个突然单独浮出水面,成为此刻实现的事实。我们已经知道,思考这个问题的一个方法就是将其描述为波包塌缩。电子的几率本来分散在“这儿”“那儿”,以及“任何地方”,但是当物理学家对它提出实验性问题“你在哪儿?”时,就在这个特定的时刻,答案“在这儿”出现了,然后所有其他地方的几率都塌缩到这唯一的事实上。到目前为止,我们的讨论中还有一个大问题没有得到解答:波包塌缩究竟是如何发生的?

意识

在对斯特恩——革拉赫实验的分析中,我们看到关联链条的最后一个环节,是由人类观测者来听取计数器发出咔嗒声。我们对其结果有确切认识的每一个量子测量,都把人们对结果有意识的认识作为它的最后一步。意识是人类对物质和精神交界处的体验,这种体验尚未理解又不可否认(除了某些哲学家)。毒品或脑损伤的后果就清楚地表明物质可以作用在精神上。为什么我们不能期望一个与之相反的能力,即精神作用在物质上呢?这样的事似乎可以发生,比如当我们执行抬起胳膊的意志时。那么,可能正是有意识的观测者的介入决定了测量的结果。乍一看,该提议有些吸引力,并且有许多非常杰出的物理学家支持这个观点。尽管如此,它也面临一些非常严峻的困难。

在大多数时间和大多数地方,宇宙没有意识。我们是否应该假设,在遍及这些宇宙空间和时间的广袤地带,任何量子过程都不会导致确定的结果?假设某人要建立一个计算机实验,结果都打印在一张纸上自动保存起来,并且直到六个月后才有观测者进行查看。是不是只有在观测者查看后,纸上才能出现明确的打印结果?

这些结论并不是完全不可能,但是许多科学家认为它们完全没有合理之处。如果我们考虑薛定谔猫的悲惨故事,问题就会进一步加剧。那只不幸的动物被关在一个盒子里,盒子中还有一个放射性源,它在下一个小时内有一半对一半的机会衰变。如果衰变发生,发出的辐射将会触发毒气的释放,猫就会被立即杀
死。将传统量子理论原理应用到这个盒子及盒中之物上,得出的暗示是,在一个小时后,且在一个有意识的观测者掀起盒盖前,猫将处于“活”和“死”机会均等的叠加态上。只有当盒子被打开后,才会有几率塌缩,结果是要么发现一具确定的冰冷的尸体,要么发现一只确定的活蹦乱跳的猫。但是,这只猫自己是不是确实知道它是死的还是活的,而不需要人类介入来帮助它得出结论?或许我们应该因此得出结论:猫的意识在确定量子结果方面和人类的意识一样有效。那么,我们在哪里止步?虫子也能塌缩波函数吗?确切来说,它们可能没有意识,但是人们倾向于假设,通过一种方式或是另一种,它们具有明确的非活即死的性质。这类困难已经阻碍了大多数物理学家去相信,假定意识有独特作用是解决测量问题的方法

多世界

一个更加大胆的建议是完全拒绝塌缩思想。它的拥护者断言,量子形式体系应该被更加严肃认真地对待,而不是从外部给它强加一个有特定目的的假设,即波函数存在不连续变化。相反,人们应该承认,每一件能发生的事情都确实发生了。

那么,为什么实验者会有相反的印象,即发现电子这时是在“这儿”,而不是在其他地方?给出的答案是,这是本宇宙中观测者的狭隘看法,而量子实在要比该宇宙中观测者所看到的图像大得多。不仅存在一个薛定谔猫活着的世界,还有一个与之平行但分离的薛定谔猫死了的世界。换句话说,在每一个测量行为中,物理实在都会分成多重独立宇宙,在每一个宇宙中,不同的(克隆的)实验者将观测到测量中可能出现的不同结果。物理实在是一个多宇宙,而不是简单的一个宇宙。

由于量子测量一直在发生,这个提议就是一个惊人的本体浪费。可怜的奥卡姆的威廉(他的逻辑“剃刀”正是为了剃掉不必要的多余假定)一旦想到对象如此快速增长,一定会死不瞑目。不妨用一种不同的方法来想象这个异乎寻常的巨大激增,将它的发生定位在观测者的思想或头脑内部,而不是外部的宇宙中。这一举动将多世界解释转变为多思想解释,但是这几乎没有减轻该建议的巨大浪费。

刚开始,仅有量子宇宙学家被吸引到这个思维方式上,他们试图将量子理论应用到宇宙自身。当我们仍然对微观和宏观如何联系在一起感到疑惑时,将这个理论延伸到宇宙方向上是一个大胆的举动,它的可行性不一定很明显。但是,如果如此延伸,多世界方法似乎是唯一可用的选择,因为当宇宙包含进来后,就没有空间留给科学去引入外部大系统效应或意识效应。近来,在其他物理学家当中,接受多世界方法的人似乎有一定程度的扩大倾向。但是,对于我们中的大多数人来说,它仍然只是一个形而上学的汽锤,可用来打破公认的坚硬的量子外壳。

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