量子力學的核心,也是量子力學的「黑洞」,其本質或通向宇宙至理

宇宙探索 發佈 2023-02-01T00:00:45.050033+00:00

這些日常生活中我們所熟悉的一切,以及太空中發生的許多現象,都可以用物理學中的量子力學來解釋。儘管如此,在量子物理學的核心,依舊存在著一個深洞,我們仍然沒有真正地理解它是如何描述我們周圍的世界的。

從手機中的矽片,到屏幕上的LED;從最遙遠的太空探測器的核心,到超市裡用來結帳的雷射掃描器;從太陽為什麼會發光,再到我們的眼睛能看到什麼。這些日常生活中我們所熟悉的一切,以及太空中發生的許多現象,都可以用物理學中的量子力學來解釋。

沒錯,量子理論在過去取得了驚人的成就,它幾乎所有現代技術背後的理論基礎。儘管如此,在量子物理學的核心,依舊存在著一個深洞,我們仍然沒有真正地理解它是如何描述我們周圍的世界的。

量子理論背後的數學可以對實驗結果和自然現象做出難以置信的精準預測。既然能做得如此之好,那麼量子理論必定抓住了與這個世界本質有關的根本且深層的真理。但是,物理學界對於它對現實的詮釋、甚至能否對現實進行任何詮釋一事,卻存在很大分歧。

即使是最簡單的事物,到了量子物理中也變得難以被解釋。舉個簡單的例子,假如你想描述一個微小物體的位置,比如最簡單也最為我們熟知的亞原子粒子——電子的位置。因為空間由三個維度組成,所以你可能想需要用三個數字來描述這個電子的位置。在日常生活中這的確如此:如果想知道一個物體的位置,就需要知曉其緯度、經度、和高度。但在量子物理學中,僅有這三個數字是遠遠不夠的。相反,為了描述一個電子的位置,你需要散布在整個空間裡的無窮多個數字

這種數字的無限集合被稱為「波函數」,因為這些散布在空間中的數通常有著平滑的變化,就像起伏的波浪一樣。用來描述波函數會如何在空間中傳播的方程,叫薛丁格方程,該方程於1925年由奧地利物理學家埃爾溫·薛丁格(Erwin Schrödinger)提出。波函數遵從薛丁格方程,就如同墜落的岩石遵從牛頓運動定律一樣——它就像是某種自然法則。而且就像許多自然規律一樣,它非常的簡潔,儘管在數學上它乍看起來有些令人生畏。

○ 薛丁格方程,其中ψ(x,t)表示波函數。

儘管薛丁格方程非常簡潔和優美,但波函數的確非常奇怪。它為什麼需要這麼多的信息,要動用遍布在整個空間的無窮多個數,來描述一個物體的位置?令人費解的是,當我們真正去尋找電子時,它卻只出現在一個點上。而當找到電子之後,更奇怪的事情發生了:電子的波函數會暫時停止遵從薛丁格方程。相反的,它會「坍縮」,除了在找到電子的位置,其餘所有無窮個數字都會變為零。

所以,究竟什麼是波函數?為什麼它們只在有些時候遵從薛丁格方程?明確地說,為什麼它們只在沒人「看著」的時候遵從薛丁格方程?這些懸而未決的問題在量子物理學的中心戳出了一個洞。最後一個問題尤其「臭名昭著」,還被賜予了一個特殊的名稱:「測量問題」。

○ 在進行測量後,粒子會坍縮在隨機的一個點上。| 圖片來源:Iceberg Fernandez

測量問題似乎應該阻礙量子物理學的發展。「觀看」或「測量」究竟是什麼意思?對此目前還沒有被廣泛認同的答案。這就意味著,我們不知道薛丁格方程什麼時候適用,什麼時候失效。不知道這一點,我們就不知道何時該使用這條定律,何時又該把它置之不問,那我們究竟該如何使用這一理論呢?

實用的答案是,當物理學家看量子物理學時,傾向於把它看作是關於超微小物體的物理學。通常假設薛丁格方程並不適用於像桌子椅子等生活中常見的這些宏觀物體。相反,作為一個實際問題,物理學家會假設這些物體是遵循牛頓經典物理學的,並且當這些物體一旦與量子世界中的微小物體相互作用時薛丁格方程就會失效。在大多數情況下,這種假設足以得到正確的答案。但幾乎沒有哪個物理學家真正相信這就是宇宙的實際運作方式。在過去幾十年中,大量的實驗顯示了量子物理可適用于越來越大的物體,到現在,很少有人會對它於所有大小物體的適用性表示懷疑。確實,量子物理已被常規且成功的用於描述物理領域中最大的物體——宇宙本身。

但是,如果量子物理真的適用於所有尺度,那麼測量問題的真實解答是什麼?量子世界中究竟發生了什麼?從歷史上看,曾經的標準答案應該是——測量問題並不存在,因為在沒有人觀測的時候問詢發生了什麼是沒有意義的。那些發生在無人觀測時候的事是不可觀測的,從而談論不可觀測的事也就毫無意義。這種見解被稱為量子物理學的「哥本哈根詮釋」,以丹麥的偉大物理學家尼爾斯·玻爾(Niels Bohr)的家鄉命名。玻爾是量子物理學的教父,也是哥本哈根詮釋背後的中堅力量。

儘管它有著是這些量子問題的默認答案的歷史地位,但哥本哈根詮釋並不恰當。它沒有解釋在量子物理的世界裡正發生些什麼。在關於現實性質的討論中它也表現出頑固的沉默,它沒有為量子物理為何可以運作提供任何解釋,因為它無法指出這個世界有任何特徵是與量子理論核心的數學結構相似的。而且對不可觀測事物是無意義的宣稱,無論從邏輯學或哲學角度看都是沒有說服力的。至少對「不可觀測」這個詞的定義也不比對「測量」這個詞的定義更好。因此宣稱「不可觀測事物無意義」是一個非常模糊的說法。這種模糊性從一開始就困擾著哥本哈根詮釋。現在,「哥本哈根詮釋」已成為好幾個相互矛盾的量子物理學觀點的集體標籤。

儘管有這麼多的問題,但在20世紀的大部分時間裡,哥本哈根詮釋在物理學界中占據絕對的優勢,因為它可以讓物理學家在不用擔心量子理論中心棘手問題的情況下進行精確的計算。但在過去的30年中,對哥本哈根詮釋的擁護受到一些削弱。據調查表明,雖然它仍受到許多物理學家的支持,但現在也有一些擁有大量支持的其他詮釋。

○ 多世界詮釋。| 圖片來源:Max Tegmark

在這些替代方案中,其中最著名的就是量子物理學的「多世界詮釋」,它指出薛丁格方程總是適用,且波函數永不坍縮。因為宇宙會不斷地分裂,每一個事件的每一個可能的結果都發生在「多重宇宙」的某個地方。另一種替代方案是導航波理論(又被稱為「德布羅意-玻姆理論」),它所陳述的是量子粒子在它們的運動中會受到波的引導,並且反過來粒子還可以對遠處的波施加超光速的影響(儘管這不能用於發送比光速快的能量或信號)。

這兩個思路為現實提供了兩種截然不同的描述,但它們都與我們所知的量子力學的數學完全吻合。還有一些替代理論對量子物理的數學進行了修正,例如自發坍縮理論,它認為波函數的坍縮與測量無關,而是一個完全隨機發生的自然過程。

○ 2011年,在一次會議上,有33位科學家被邀請對最喜歡的量子力學詮釋進行投票。有42%的人選了哥本哈根詮釋,18%的人選了多世界詮釋。| 圖片來源:M. Schlosshauer et al.

還有很多其他的理論。量子基礎——這一解決量子理論中的測量問題和其他基礎問題的領域,是一個生機勃勃且充滿創造性思維的主題。雖然在量子物理學核心,那個洞仍然存在,這些難題仍待解決,但是物理學家已提出許多有趣的理論來解決這些問題了。這些想法或許可以指出物理學中其他問題的前進方向,例如,自阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)以來一直被物理學家作為終極目標的「萬有理論」——量子引力理論。

雖然能否實現這一目標仍有待觀察,但長久以來被哥本哈根詮釋所掩蓋的問題終於得到了應得的關注。而試探這個量子洞的深度,或許有助於我們探索出一個不僅對量子世界、還有對顯示本質的全新視角的理解。

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