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哥本哈根研究所100岁了 量子世界依旧迷雾重重

来源:科技日报2021-06-17 09:50

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  玻尔创造的“哥本哈根精神”是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

  ◎本报记者 吴长锋

  1900年,为了解决黑体辐射疑难,德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。彼时,爱因斯坦21岁,刚从大学毕业;玻尔才刚15岁,可能还在中学学习。

  1905年,爱因斯坦提出“光量子”假说,通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个光微粒,成功解释了光电效应。紧随其后,玻尔在1913年提出了量子化的原子结构,成功解释了氢原子的能级结构和光谱,获得了当年的诺贝尔奖。

  1921年,玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请,决定创建哥本哈根大学理论物理研究所,继续深入研究量子力学。研究所一成立,玻尔的人格魅力很快就像磁场一样,吸引了一大批杰出的青年物理学家,海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。除了玻尔外,这个研究所出了9位诺贝尔物理学奖获得者,盛况空前。到现在,100年过去,哥本哈根仍是物理学家的“朝拜圣地”。

  “上帝掷骰子吗?”

  哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面思考量子问题。光和电子时而像波,时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着什么?其本源是什么?为什么我们每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”?最终,量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面:

  ——一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述。波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部信息,量子系统的描述是概率性的。

  ——在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定。

  ——物质具有波粒二象性,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为。但不能同时展示出两种行为。

  ——测量仪器是经典仪器,只能测量经典性质,如位置、动量等。

  ——大尺度宏观系统的量子物理行为应该近似于经典行为。

  哥本哈根学派对量子力学的“概率诠释”,其核心观点还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体,它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”;在未被测量之前,我们完全无法预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机性;一旦启动了测量,物体就会“塌缩”成一种可能状态,仿佛它一直就是那种状态一样。

  虽然“概率诠释”类似于“骰子实验”,但量子力学更纯粹。骰子的随机性其实是伪随机,“出千高手”完全可以掌控掷骰子的结果。但哥本哈根学派认为,回到微观的量子世界,再荒谬至极的事实,都可能在量子世界中出现。

  于是,科学史上那段著名的论战拉开了序幕。以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击,每次针锋相对都闪耀着智慧甚至是艺术的火花。

  爱因斯坦:上帝不掷骰子!

  玻尔:请不要告诉上帝应该怎么做!

  这段经典的对话,便是这场论战的开端与往后争论的核心。

  与爱因斯坦同一阵线的薛定谔,更是为了反驳“概率诠释”学说而举了一个他本人认为“荒诞至极”的例子:把一只猫和一套通过放射性元素驱动的毒药释放系统一起放在盒子里,在打开盒子观察前,猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中,这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。

  值得一提的是,薛定谔肯定没有想到,自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说,认为其荒谬、与现实格格不入的实验,被不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

  一般认为,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定会有另一个人代替他成功。但是玻尔创造的“哥本哈根精神”却是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

  如今,距离那场世纪论战已经过去了许多年,物理学界中最受普遍认可的哥本哈根学派“概率诠释”学说也依然面对许多争议。

  尽管玻尔与爱因斯坦终生都在争辩,却丝毫不影响两人的友谊。无论谁离开了谁,这条量子银河都会变得黯淡无光。

  “没有人真正理解量子力学”

  在1958年出版的《物理学与哲学:现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了在与尼尔斯·玻尔进行那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于理查德·费曼说出了关于那句著名的话:“没有人真正理解量子力学。”

  尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:除了哥本哈根诠释外,科学界还有对量子理论的诸多诠释。

  多世界诠释认为波函数是物理上真实的,薛定谔方程恰恰就是一种对现实的描述。当你对同时处于不同位置的叠加的粒子进行测量时,被测量的粒子事实上在不同版本的现实中在所有那些位置出现。换句话说,这就意味着,你所处的两个“现实”分叉成了两个不同的分支。这听起来像是,如果你在这个现实里做了什么糟糕的

  决定,别担心,也许在另一个现实中,你仍然可以获得一个完美的结果。多世界诠释也是经常被流行文化借用的一种。多世界诠释带来了一个问题——它让概率失去了意义。

  为了解决多世界诠释在概率上的问题,一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释认为,如果有无穷个宇宙,那么多世界诠释一定成立,因为有无穷个“你”正在进行实验,而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来,经典概率就仍然存在意义。

  还有科学家提出“隐变量”的猜想:也许粒子的性质具有一些“秘密”的变量,它其实是一种确定的状态,只是我们不知道而已,而直到我们测量才会发现。

  科学家在隐变量理论的基础上提出了“非定域隐变量理论”,也就是德布罗意—玻姆诠释。这种诠释认为粒子是真实存在的,它们在我们看不见的导波的引导下运动。

  此外,还有量子贝叶斯主义、量子达尔文主义、交易诠释、关系性诠释等,许多物理学家提出了不同的想法和观点。但也有一些科学家因此相信,这么多种不同诠释的出现,恰恰意味着,量子力学中还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。

  “多个世界”与“多个历史”

  人们提出了上述各种各样量子力学诠释,其核心思想本质上来自于逻辑简练、物理寓意深远、但图像十分反直觉的多世界诠释。多世界理论表达的是“一个波函数,多个世界”,而由它发展出来的各类诠释,大都基于自洽历史,讲的是“一个世界,多个历史”,只不过各自的着眼点与侧重点不同。

  由于不当解释和以讹传讹,多世界诠释被污名化了许久。特别是目前不少人觉得哥本哈根诠释的正确是天经地义的,而多世界诠释则被认为是形而上学,甚至是伪科学。

  正是由于量子力学的哥本哈根诠释强调必须借助经典世界,从逻辑上讲是不自洽的。从哲学角度讲,量子力学的哥本哈根版本是一种二元论,而一个理想的完美的理论应该是一元论:一切源于量子,经典只是量子体系宏观极限下的“衍生”现象。

  无论如何,把不可观测的特性引入到物理学中,物理学就变成了玄学。当务之急是给波函数找到一个可以测量验证的、观测不会导致波函数坍缩的解释。

  量子力学在多个领域为世界带来变化。从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”,然后期待“新物理学”的诞生,为探求世界宇宙开启新的篇章。

[ 责编:丁玉冰 ]
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