量子世界為何出現(xiàn)古怪

陳壯叔

描述微觀世界運(yùn)行的量子論，解釋了粒子的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等，是現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一。但令科學(xué)界困惑的是，量子世界有許多古怪現(xiàn)象：比如重疊，也就是說(shuō)一個(gè)粒子在某個(gè)瞬間既在這里又在那里；比如糾纏，也就是說(shuō)如果A、B兩個(gè)粒子處于糾纏態(tài)，那么你對(duì)A施加影響，B即刻會(huì)做出反應(yīng)，不論兩者相隔多遠(yuǎn)。這些怪現(xiàn)象已經(jīng)困擾科學(xué)界一個(gè)多世紀(jì)了，愛(ài)因斯坦很早就注意到了微觀世界的這一現(xiàn)象，但他不愿意接受，稱(chēng)之為“幽靈般的超距作用”。有不少學(xué)者企圖解開(kāi)這些謎，但也無(wú)從著手。著名美國(guó)物理學(xué)家、1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼曾說(shuō)，“沒(méi)有人真正地了解量子世界……我們永遠(yuǎn)也不能了解它”。

現(xiàn)在，物理學(xué)界開(kāi)始行動(dòng)，因?yàn)榻忾_(kāi)這些謎，可以幫助我們打開(kāi)了解整個(gè)宇宙運(yùn)行方式的大門(mén)，并將弄清科學(xué)中的一個(gè)大謎題：究竟是什么東西，引發(fā)了量子世界和我們?nèi)粘Ｊ澜缰g的轉(zhuǎn)換。實(shí)質(zhì)上，這就是問(wèn)物體究竟要具有多大質(zhì)量，就將失去量子特性。

牛津大學(xué)的彭羅斯等人，曾獲得一個(gè)擁有800個(gè)原子（分子）的干涉圖像。他說(shuō)，原子的數(shù)量越大，重疊的時(shí)間就越短。這是因?yàn)榇罅吭拥募?，使它不再具有量子的特性了。維也納大學(xué)的阿恩德特團(tuán)隊(duì)，采用空前的較大物體進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)，并說(shuō)自發(fā)定位（量子世界的一種現(xiàn)象）將抑制10萬(wàn)至1億個(gè)原子質(zhì)量單位的物體出現(xiàn)重疊。

有些科學(xué)家把宏觀世界和微觀世界的劃分，著眼于量子的波粒二象性。比如光子，它在飛馳時(shí)是光波，可是在碰到物體時(shí)，它又具有實(shí)物粒子的性質(zhì)。澳大利亞科學(xué)家考林格，就此著手，探索這條界限的由來(lái)。他們實(shí)驗(yàn)的主題，是所謂的“勃露格主波長(zhǎng)”。大致上，我們可以把這一波長(zhǎng)看作一個(gè)標(biāo)尺，假如一個(gè)物體的勃露格主波長(zhǎng)近似于該物體的長(zhǎng)度，那么其波的特性明顯可見(jiàn)，也就是說(shuō)，它具有量子特性。拿一輛轎車(chē)來(lái)說(shuō)，其波長(zhǎng)為10-30米，遠(yuǎn)小于轎車(chē)的長(zhǎng)度，因此它的行為呈宏觀世界的特性。

至于量子世界為何會(huì)出現(xiàn)這種怪現(xiàn)象，說(shuō)法很多，但大多研究者認(rèn)為，這跟信息的丟失有關(guān)。一些物理學(xué)家深入到古怪現(xiàn)象本身，探索它的緣由。

按照量子論的概念，重疊跟量子干涉現(xiàn)象有關(guān)，允許量子客體在它們的空間位置之間產(chǎn)生其存在、特性的撕裂。大多數(shù)人認(rèn)為，這是信息丟失的結(jié)果。在這個(gè)方向上，研究比較深入的可能要數(shù)以下三位學(xué)者，他們是意大利帕維亞大學(xué)的達(dá)里亞諾及其同事奇里貝拉和佩里諾蒂。他們做了一些研究，在信息公理的基礎(chǔ)上共同提出了一個(gè)量子理論的衍生理論，引起了不少學(xué)者的關(guān)注。加拿大圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家盧西恩·哈迪等人評(píng)論說(shuō)：“他們的研究?jī)?nèi)容和方法，都是不平常的。某些東西深入到了量子力學(xué)的核心?！彼麄兿胍宄孔恿W(xué)真正的底細(xì)。

對(duì)達(dá)里亞諾來(lái)說(shuō)，這些研究已經(jīng)過(guò)去了10年。當(dāng)時(shí)，學(xué)生問(wèn)他量子物理的定律來(lái)自何處，他無(wú)言以對(duì)。事后他說(shuō)，“我深感困惑”。

他的困惑并不是一個(gè)個(gè)人問(wèn)題，而是整個(gè)物理學(xué)界。物理學(xué)家總是站在物理原理堅(jiān)硬的基礎(chǔ)上，描述物理世界的運(yùn)行。比如牛頓的引力定律，認(rèn)為兩個(gè)物體之間的引力，與它們質(zhì)量的乘積成正比，而與它們之間距離的平方成反比。其物理原理，包含在一個(gè)簡(jiǎn)潔的方程式之中。

在量子理論中，還是這些簡(jiǎn)潔的方程式，卻無(wú)法展現(xiàn)出某些普適的原理，而以一種特別的方法，來(lái)解釋古怪實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。量子客體由波函數(shù)來(lái)描述，它可能（或不可能）對(duì)應(yīng)任何事物的物理性質(zhì)，處于一種抽象、多維的區(qū)域。

1925年，薛定鍔通過(guò)研究經(jīng)典光學(xué)方程，得出薛定鍔公式。他把量子視為波更甚為粒子。達(dá)里亞諾說(shuō)，“他從來(lái)未從原理中得出方程”。

類(lèi)似的情況，就如洛倫茲和愛(ài)因斯坦。19世紀(jì)末，物理學(xué)家洛倫茲把光速觀測(cè)實(shí)驗(yàn)上的矛盾調(diào)和起來(lái)，從而提出一系列的數(shù)學(xué)變換規(guī)則，即洛倫茲變換。而這些規(guī)則，并非出于他對(duì)光的任何基本了解。此后，愛(ài)因斯坦提出了有關(guān)光的物理原理，即真空中的光速是不變的，獨(dú)立于光源的運(yùn)動(dòng)；并也由此得出了洛倫茲變換。這些就成了狹義相對(duì)論的原理，進(jìn)而使他提出了廣義相對(duì)論。達(dá)里亞諾說(shuō)，“它改變了我們研究物理學(xué)的方法，原理是極重要的”。

我們能改變這種狀態(tài)嗎？我們能把量子理論的基本定律從原理中“取”出來(lái)，而不是依賴(lài)數(shù)學(xué)的魔法嗎？達(dá)里亞諾及其同事相信，他們的看法，將獲得科學(xué)界的共鳴。

哈迪說(shuō)：“當(dāng)我關(guān)注量子理論時(shí)，我看到一些事物；而我們需要的，是一系列更深刻的原理。”在21世紀(jì)初，哈迪做了嘗試，也取得了一些成績(jī)，但必須承認(rèn)的是，他也沒(méi)有得到一個(gè)圓滿的解決方法。這就促使達(dá)里亞諾等人深入研究。奇里貝拉說(shuō)，“我們認(rèn)為，重新編寫(xiě)量子力學(xué)的‘基因密碼，找到某些物理特性，是研究的基本所在”。

對(duì)哈迪和達(dá)里亞諾兩個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，“基本的事情”是跟信息有關(guān)。許多理論學(xué)家得出結(jié)論說(shuō)，物體間的相互作用，都可以作為一種信息處理來(lái)描述。例如，原子在動(dòng)量中攜帶著信息，當(dāng)兩個(gè)原子碰撞時(shí)，它們動(dòng)量的改變就如同兩位數(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)的邏輯門(mén)時(shí)的情況。因此，控制信息操作的規(guī)則，可能最終決定在我們的宇宙中該發(fā)生和不該發(fā)生什么。

達(dá)里亞諾團(tuán)隊(duì)的研究始于2003年，他們努力去探尋可能適用于我們的日常世界和量子世界的信息規(guī)則。最終，他們得出了5條基本原理（比如保證將來(lái)不能影響過(guò)去等），并進(jìn)而描述了量子世界的特性。

有一些現(xiàn)象，日常世界和量子世界確有一些區(qū)別，比如之前提到的重疊和糾纏等?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)一個(gè)量子系統(tǒng)的任何測(cè)量，只能取得一個(gè)隨遇性的結(jié)果；而你在測(cè)量前，是沒(méi)有辦法做出預(yù)言的，只能計(jì)算出不同結(jié)果的概率。

達(dá)里亞諾的團(tuán)隊(duì)就在研究這些古怪，使我們看到了量子信息場(chǎng)理論的一線希望，也使得科學(xué)家可在不同量子態(tài)之間對(duì)場(chǎng)做研究。他們?cè)O(shè)定一些量子態(tài)為“純”態(tài)，例如，一個(gè)處在最低能上的孤立的氫原子就屬于純態(tài)；此外就是混合態(tài)，在這種態(tài)上，我們具有的信息是不完整的。一對(duì)糾纏粒子中的一個(gè)，就是處在混合態(tài)上，你無(wú)法了解其中一個(gè)粒子的全部信息；若一對(duì)糾纏粒子一起形成純態(tài)，你就可以了解兩者的全部信息，這也就是一個(gè)可確知的量子系統(tǒng)。

那么，我們是否可以說(shuō)，量子世界的所有混亂和不確定性，都是來(lái)自缺乏信息呢？的確與此有關(guān)。如果每一個(gè)混合態(tài)都是純態(tài)的一部分，那么就可能以最大的信息量來(lái)描述每個(gè)物理過(guò)程。以這樣一個(gè)前景作為一個(gè)原理，奇里貝拉稱(chēng)之為“純化原理”。

但純化原理也有一個(gè)較大的缺點(diǎn)，那就是它似乎傍著多世界的解釋?zhuān)@個(gè)觀點(diǎn)在量子理論中頗有爭(zhēng)議。量子力學(xué)測(cè)量產(chǎn)生隨遇性的結(jié)果，對(duì)此最多的解釋是：一個(gè)測(cè)量的各種可能結(jié)果，確實(shí)是存在的，但每一種結(jié)果，都處在不同的世界（或宇宙）中。例如薛定鍔的貓，它能同時(shí)處在生和死之中，除非你看到它究竟是哪種狀態(tài)。而在多世界解釋中，認(rèn)為這只貓死于一個(gè)世界，而活于另一個(gè)世界。這與純化原理有些相似，這些不同世界都處于混合態(tài)，只有真實(shí)是被純態(tài)描述的。

達(dá)里亞諾團(tuán)隊(duì)想通過(guò)一種方法，以追蹤量子系統(tǒng)的演化。為此，他們需要提出一個(gè)特殊的框架，比如粒子的質(zhì)量也會(huì)納入其中。如果他們能取得這個(gè)正確方法，就可以提供比量子理論更好的理論。這很可能是把量子理論和廣義相對(duì)論相結(jié)合的另一條路，可能把我們導(dǎo)向?qū)α孔右Φ拿枋?。一位萬(wàn)有理論研究者說(shuō)，這是他們長(zhǎng)期渴望取得的東西。在他們看來(lái)，只要深入研究量子理論，就不會(huì)出現(xiàn)愚蠢的問(wèn)題。