21.如何深層次地理解量子不確定性和非定域性?125個前沿科學問題

菲爾茲諾頓 發佈 2022-10-01T21:37:24.541204+00:00

在上海交大和《科學》雜誌發布的新125個前沿科學問題中,這個問題用另一種方式給出:什麼是量子不確定性?

這是物理學領域第二個問題,涉及量子力學的基本原理。在上海交大和《科學》雜誌發布的新125個前沿科學問題中,這個問題用另一種方式給出:什麼是量子不確定性?為什麼它很重要?(What is quantum uncertainty and why is it important?)。新問題的說明和解釋也較為簡單,對量子不確定性進行了補充說明,強調了其和量子糾纏的關係以及在量子計算中的意義。所以舊問題的詮釋更為深入和徹底,根本無從補充和發揮,只能尊重於原文的深刻和精煉進行解讀,現在我們就來看看量子微觀世界裡粒子運動的詭異行為。

21.量子不確定性和非定域性背後是否存在更深刻的原理?Do Deeper Principles Underlie Quantum Uncertainty and Nonlocality?

原文網址:https://www.science.org/doi/10.1126/science.309.5731.98

「量子力學的確令人印象深刻」,阿爾伯特·愛因斯坦在1926年寫道,「但我的內心總有一個聲音在告訴我,這根本不是真實的。」然而隨著量子理論多年來的不斷發展和成熟,質疑量子力學的聲音已變得越來越小,但直到今天對量子理論的懷疑其實並沒有完全停止。在主流認同和支持量子理論的讚揚聲中,始終還存在著一些質疑的聲音。

量子理論誕生於19世紀末對黑體輻射的研究,之後迅速發展成熟並很快成為現代物理學的兩大支柱之一。量子力學雖然只提供概率統計的結果,但卻以令人難以置信的精確性描述了非常小的微觀物體,如原子、電子和亞原子粒子等,奇異又違反直覺的行為,推動著現代科學技術的不斷發展。量子理論雖然非常成功但總是伴隨著一些令人不那麼滿意的東西,因為量子力學方程雖然總能給出微觀粒子行為的精確結果而且總是能與實驗測量相互吻合,但量子理論結果所表達的物理含義卻始終無法讓人完全理解。

無論你如何看待量子力學的薛丁格方程,它總會給出一些讓微觀物體以違背直覺的方式存在的狀態。例如,微觀物體它可以處於一個「疊加」的狀態,也就是它可以同時具有兩種完全不同的屬性或狀態(Nature (London) 528, 530,2015)。量子力學的數學理論認為,只要你不去干擾和觀察某個處於疊加態的原子,這個原子就可以同時出現在盒子的左邊和右邊。 而且如果觀察者一旦打開盒子,試圖觀測原子的位置,那這個疊加態就會塌縮,原子就在你觀察到它位置的那一刻立即「選擇」是在左邊還是在右邊。

這個觀點直到今天依然像80年前一樣還是讓人無法理解。當時薛丁格(Erwin Schrödinge)用一隻處於半死半活狀態的貓作為例子來解釋量子力學所允許的那種匪夷所思的疊加態。 這似乎是因為量子理論改變了「實在」的確切性含義。 在經典的世界裡,一個物體具有確定的物理實在性:即使是一團氣體,人們也可以用撞球一樣的剛性小球去描述氣體分子,每個氣體分子小球每個時刻都應該具有確定的位置和速度。

而量子理論似乎破壞了這種物體的實在性。事實上,直接從量子理論得出的著名的不確定性原理認為:物體的位置和動量都是模糊和不確定的量,你獲得了其中一個量的信息就意味著失去了另一個量的信息。或者說在實驗室里你要想把一個粒子的位置限定在很小的區域內,那麼它動量的漲落就會變得非常之大而極不穩定,相反如果你想方設法確切測到了一個粒子的動量,那麼它大概率已經不在你的實驗室里了,總之你就是無法完整獲得粒子的位置和動量的確切信息。或者從另外一個等價的「互補性原理」來說就是你選擇測量其位置(粒子性)的時候其波動性就會消失(動量),你選擇測量粒子波動性的時候其粒子性就不會出現。

早期的量子物理學家是這樣解釋這種粒子的不確定性的,他們認為量子理論的薛丁格方程所給出的粒子態實際上並不是一個具有外部實在性的真實粒子,而只是一種「概率波」,當觀察者進行測量時,概率波才會轉變為粒子的確定屬性。所以如果你願意接受現實就是概率波而不是實在的物體這個觀念(客觀世界並不是完全確定和實在的,比如可參考所謂的量子互文性理論),那麼這個所謂的「哥本哈根解釋」聽起來還是很有道理的。 但即便如此,它仍然不能解釋量子理論的另一個奇怪現象:量子非定域性。

1935年,愛因斯坦提出了一個違反常識的設想。 在他的思想實驗中,兩個粒子向相反的方向飛行,並一直到達銀河系的兩端。在量子力學的意義上如果這兩個粒子是「糾纏」的,也就是說這兩個粒子處於量子力學所允許的糾纏態,那麼其中一個粒子就能立刻「感知到」另一個粒子發生的改變。 也就是說如果測量一個粒子的狀態,另一個粒子的狀態就會立刻被測量所改變; 這就好像是說這對「雙胞胎」可以在一個非常遠的空間距離上進行一種神秘的信息交流。 這種「非定域性」的行為是量子理論所允許的數學結果,並且已經在實驗室中得到了實際驗證和測量。這種幽靈般的作用顯然超越了時間和距離的限制,是一種完全違反相對論的超距作用; 理論上,無論這兩個粒子相隔多遠,它們之間可以通過測量而被迅速糾纏在一起。

如果說的清晰一些:對於處於糾纏態的粒子A和B,我們將它們分別發送到兩個相距很遠的實驗室甲和乙,如果我在甲地的實驗室測量A,我發現我測量到的A的態總是X(即由態X給出A的測量結果,其是一個A的隨機序列),和B沒有任何關係。但忽然我測量到的態X變成了Y(測量結果的隨機序列的統計性質發生改變),我感覺很奇怪,然後了解到是因為乙地的實驗人員對B進行了測量,而且兩地的測量結果能瞬間發生關聯。也就是說對B的測量造成了我這裡A態的改變,而且這種改變似乎是瞬時發生的,和兩個實驗室之間的距離沒有關係,這明顯違反了相對論的定域實在論,被稱為量子力學的非定域性。

然而這個看似詭異的行為卻已經被相距1.3公里的電子自旋的貝爾(Bell)實驗所證實(Nature (London) 526, 682, 2015)。當然驗證違反貝爾不等式的實驗是否和違反相對論因果律在理論上等價,這個不僅數學上複雜(包括各種非定域性、糾纏度、相關等等的數學概念),而且目前依然存在很大爭論,比如有人質疑貝爾不等式具有和坐標系有關的相對論效應等(參考最新成果:Phys. Rev. Lett. 126, 230403,2021),所以量子力學的非定域性目前看來依然還是個讓人匪夷所思的事情。

其實在某種程度上,量子理論的怪異性根本就不是個問題。量子力學的數學框架本身是完美、自洽和正確的,而且它又能很好地描述所有的微觀現象並能提供準確的理論結果,這就可以了。如果我們人類無法理解物理方程所對應的物理實在是什麼,那又有什麼關係呢?(比如數學上的5維空間對應於什麼物理實在?) 持有這種觀念的人認為:對待量子力學,我們只需要「閉嘴並計算」,得到我們需要的結果就可以了,何必糾纏於結果到底怎麼解釋和理解這樣的問題? 但對其他人來說(認為物理學不是純數學),我們在理解量子理論方面的困難是不是暗示著量子力學背後有更加深刻的東西亟待我們繼續去挖掘。

除此以外的另一些實幹的物理學家則忙著設計各種實驗,去測量和檢驗量子理論所預言的各種奇異現象。 他們正在試圖觀測什麼是疊加態,到底是什麼導致了量子疊加態的「塌縮」。這些研究工作可能會深入了解測量在量子力學中的作用,並可能揭示為什麼宏觀物體的行為與微觀物體的行為是如此不同?而有些研究人員則在尋找實驗方法來檢驗關於量子力學的各種奇怪理論,比如「平行世界」理論,它通過假設平行宇宙的存在來解釋疊加、糾纏和其他量子現象。而另外一些科學家則不去考慮這些哲學上的認識問題而致力於發展量子計算技術,並不斷取得量子技術的進展。總之通過這些實驗上的努力,科學家們希望能夠有一天能從更深層次理解和擺脫愛因斯坦所說的「上帝是不擲骰子」的那種不安和困惑,從而更加有效的利用量子力學的原理為人類的生存服務。(原文 Charles Seife)

關鍵字:

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2021-11-09T03:42:05.456009+00:00

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本人剛過40歲生日了
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其實上我已經是二個孩子的媽了
大的已經快12歲了XD

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