量子力学拼图,尚待完善 | 赛先生书单
量子理论的探索之旅。图源:Pixabay
导读:
何铭| 撰文
自1900年普朗克引入量子概念起,量子理论已经发展了120多年,它彻底改变了我们对微观世界的理解,使科学家们能够解释原子和各种亚原子粒子,包括电子、光子等基本粒子的行为。量子理论揭示出了许多与我们的直觉和日常经验有很大不同的现象,最著名的例子就是波粒二象性。
双缝干涉,图片来自《量子世界》
量子世界的另一个反常识的本质特性是态叠加。在量子系统中,一个物体可以同时处于多个状态;而经典世界中的物体在任一时刻只能处于一个确定的状态。当我们对一个处于叠加态的量子系统进行测量时,系统将“坍塌”到其中一个可能的状态。也就是说(根据量子现象的哥本哈根诠释),一个量子系统的性质在没有观察(测量)之前是不确定的,只有在测量过程中,系统的特性才会确定。这太诡异了!观察行为本身会决定或影响量子现象的现实状态。难道意识能够决定物质?薛定谔(Erwin Schrödinger,1887—1961)的猫就是这样的一只处于叠加态的猫,它被放到密封的盒子里,与一个含有毒气的瓶子和一个放射性原子一起。如果放射性原子在一段时间内发生衰变,探测器就会触发,释放毒气,猫将会死亡;如果放射性原子没有衰变,猫则存活。根据量子力学原理,在未开盒观察之前,放射性原子同时处于衰变与未衰变的叠加态,因此,猫也被认为同时处于活和死的叠加态。而观察或测量行为会使猫的叠加态“坍塌”到这两个可能状态之一。薛定谔1935年提出的这个思想实验远比量子力学本身流行,以至于很多不知量子为何物的人也听说过这个典故。薛定谔其实是想说,如果量子力学的解释适用于微观粒子,那么按理说也应该能够应用到宏观物体上,而这样的直接应用会导致荒谬的后果。
福特在普林斯顿大学读博士期间的导师是约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler,1911—2008)。在中国惠勒知名度不高,但在美国他无疑是一位重要的物理学家,他曾是爱因斯坦的同事,与尼尔斯·玻尔(Niels Bohr,1885—1962)合作共同揭示了核裂变机制,并参与了原子弹和氢弹的研制。惠勒最具代表性的思想——延迟选择实验,就是在探讨观察者对量子测量过程的影响。
延迟选择实验是一种思想实验,在这种实验中,实验者的选择导致了量子意义上的不确定转变为经典意义上的确定。《量子世界》用棒球场模型详细描述了这一实验。如下图所示,实验者在本垒处插入一个半透半反镜(即分路器),在第一垒和第三垒放置全反镜,那么是否在第二垒插入第二个半透半反镜就决定了:单个光子是以粒子的形式随机通过两条路径中的一条以至于在左右两侧的检测器各检测到一半的光子(左图),还是以波的形式同时通过两条路径自己和自己发生相长干涉然后会聚到右侧的检测器(右图)。在少部分光子通过第一个半透半反镜后,通过插入或者移除第二个半透半反镜就可以把这个实验转变成延迟选择。1984年,卡罗尔·埃里(Carroll Alley)及其合作者在马里兰大学实现了这个实验,结果正如惠勒所预测的那样。
棒球场模拟的延迟选择实验,图片来自《量子世界》
延迟选择实验展示了量子测量问题的更深层次:量子系统的性质似乎在某种程度上依赖于未来的事件,这挑战了我们对时间顺序和因果关系的传统理解。通过这一实验,物理学家以及哲学家继续探索量子力学的奇异本质,以及它对我们关于物理现实和观察者角色的基本理解所带来的影响。
量子力学还有许多与宏观世界的常识相悖的推论,诸如隧穿效应、量子纠缠、测不准原理等。以玻尔为代表的哥本哈根学派与爱因斯坦辩论了几十年,但爱因斯坦直到去世也没有认可量子力学是完备的理论。1935年。爱因斯坦与两位年轻的同事发表著名的EPR论文,首先提出量子纠缠这一概念,即两个纠缠的粒子,不论相距多远,只要知道其中一个粒子的状态,就能瞬间知道另一个粒子的状态。EPR论文的核心观点是关于局域实在论——如果不接触一个系统(例如,远距离处的一个粒子),就不可能影响到它。他们论证说,既然量子力学需要这样的“幽灵般的远距作用”(即非局域性)来解释这种远距离粒子状态的瞬时相关性,那么量子力学要么不完备,要么挑战了局域实在论的概念。2022年,诺贝尔物理学奖授予了三位通过实验证实存在量子纠缠的物理学家,他们的实验结果与量子力学的预测是一致的。然而,量子力学究竟是不是完备的这一问题仍未得到彻底的解决。
“量子力学不是原理性的理论,它是一种实用主义的拼凑。”(曹则贤,《得一见机》,即将出版)。量子力学自身发生的逻辑似乎证明了这一点。
普朗克(1858—1947)。图源:维基百科
空腔辐射的强度,图片来自《量子世界》
BOOK TIME
1
《量子世界:写给所有人的量子物理》
王菲 译
2
《光的探索》
《光子之舞》
[奥] 安东·蔡林格 著
刘宁 译
吴从军 王勣 审校
中信出版集团
2023年12月出版
本书作者为2022年诺贝尔物理学奖得主安东·蔡林格,主要介绍了量子物理的前沿成果以及对未来的展望。本书中解释了实验上的突破,这些突破证明了令爱因斯坦困惑的量子理论的 "诡异"方面。这本书充满魅力,通俗易懂,可读性比较强。通过物理学中最复杂和最迷人的领域之一描绘出一条生动的道路,解释清晰,既容易理解,又有科学的完整性。
《赛先生》总编辑、著名量子物理学家潘建伟评论说:蔡林格教授的这本书,专业而浪漫,严谨又风趣,是“一本关于量子物理和量子信息的美妙的科普图书”。(相关文章:让爱因斯坦困惑的量子纠缠,2022年诺奖得主蔡林格怎么讲?)
[英] 吉姆·巴戈特 著
徐彬、于秀秀 译
中信出版社
2020年3月出版
吉姆·巴戈特拥有20多年的科学研究和写作经验,他以严谨的数理思维、精湛的写作手法,全面呈现量子理论从无到有的整个历史,生动讲述坎坷与荣光交织的传奇轶事。他带我们亲临第一现场,与顶尖物理学家并肩而行,与“上帝”般的理论深度碰撞,用一次次的论证、实验和交战,定义量子物理学的黄金时代。
[美] 迈克尔·G.雷默 著
吴纯白 译
华中科技大学出版社
2022年8月出版
虽然众所周知,量子物理学领域和原理几乎可以被无限应用,但是,要理解出现这种情况的根本原因远没有那么容易。本书中,量子物理学家Michael G. Raymer提取了这种抽象领域的基本原则,并且从很多方面提出了量子物理学是当今科学的一个关键因素,也是人人都需知、可知的科普知识。
6
2022年6月出版
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