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任何人都可以理解的物理科普第十二部分

2019-11-26来源:清潭碧云说

事情还远远没完。根据延迟实验,惠勒把哥派理论向前推进了一步:没有一个量子现象是一个现象——直到它被记录为止;不存在一个现成的“过去”,除非它被“现在”所记录。哥派原来怎么说的?在观测之前,不存在任何物理量。

两个说法,其实没什么本质区别,只不过惠勒的说法更具体。玻尔对“观测”的解释,实际上正如惠勒说的那样:你不观测,就没有位置、动量、质量、时间等物理量——也就是连“客观存在”都没有,还哪儿来什么“历史”?

没有什么比“存在”与“历史”的关系更好理解的了:一只足球进了希尔顿的球门,于是镜头回放,追溯它的历史,发现这球是马拉多纳用手拨进来的。这就是球进门之前的历史——上帝之手。这个历史的根本前提,是球存在。如果这只球根本不存在,它自然也就没有什么“历史”。怎样让它“存在”呢?哥派给的答案是:观测。你一观测,就有了物理量。有物理量就是存在。

然而,根据不确定性原理,你观测到什么物理量,比方说动量大小、位置如何、路径怎样……这些都是由观测手段决定的。你选择的观测手段,决定了观测对象“现在”的物理量,也就决定了它的历史。也就是说,我们现在的观测,可以创造历史!无需穿越,只需选择观测手段 ,我们就可以左右历史!

这个结果,不会因为你把头埋进沙堆就会消失。问题是,这个推论靠谱吗?我们只能说,从目前的实验结果来看,它很可能是最靠谱的。请注意,“最靠谱”前面必须搭上“很可能”。因为,以后还有别的理论,同样可以解释这些现象。这些以后再聊。现在的第一要务,就是把实验做了。惠勒提出疯狂的延迟选择思想实验,让人一本正经随时受不了,大家争着争着,忽然发现,这个思想实验完全可以搬进实验室!

仅仅是5年后,延迟选择实验就被马里兰大学的卡洛尔•阿雷(Carroll Alley)和同事实现了,结果竟然和惠勒说的疯话一模一样!不服?慕尼黑大学也做了这个的实验,证明了惠勒说的不是疯话!

观测前,光子作为一个悲哀的波函数,弥漫在空中。我们的观测让波函数瞬间坍缩了,于是它有了物理量,观测方式顺便决定了相应的历史。好吧惠勒,这个实验可以接受。不管有多疯狂,观测也是老大。

然而,惠勒决定,将疯狂进行到底。把因果律谋杀在实验室里,不够壮烈,不够火爆。于是,他雄心勃勃的目光瞄向了宇宙深处。1979年,瓦尔希(Walsh)等人发现了一对相距5.7角秒的类星体0957±561A,B。离我们人类有上亿光年远。它俩的亮度、光谱什么的都差不多。后来才知道,这是同一个类星体被引力透镜作用搞出的两个像。类星体的万道光芒光走了不一样的路,有两道碰巧被引力透镜弯到了同一个地球。惠勒提出,用望远镜、光导纤维等工具,把两条路上的光子引诱到延迟实验装置,可以完成星际延迟选择实验!

星际延迟选择?听起来好难!其实,只是多了两个望远镜和光导纤维而已,所以,这个实验基本没什么难度。然而,实验结果却让人咋舌:阴阳镜弟弟出现与否,可以瞬间决定星际光子的旅行路线。要知道,它们上亿年前就已经出发了呀!因果的时间顺序惨遭蹂躏,事件的定域性倍受摧残。

“整体论”从单纯的空间拓展到了时空。这样说有点敷衍,因为,有些童鞋意识不到,这句话的意思其实是:观测之前,光子的波函数在它所掠过的漫漫时空长河中,始终都是一个整体!这……这这……你以为毁的只是因果律、定域性吗?还有三观和经典物理破碎的心!引力透镜本身证明了定域的广义相对论是对的;而利用引力透镜搞出的延迟实验证明:宇宙不是定域的!

佛主啊,你在搞什么?

相对论告诉我们,这个现实世界是有多奇怪。而量子论说,真正奇怪的是,根本不存在什么现实世界!相对论没法解释量子行为,而量子论根本没空解释相对论,因为它也解释不了量子行为。

玻尔强力催生了哥本哈根解释,但他念了那几句咒之后,就再也不肯往前走了。一观测,便坍缩。为什么?不可说……这个鸟解释,让很多人不满意,而这个鸵鸟态度,让更多人不满意。

延迟实验把残酷的现实摆在我们面前,犹嫌不过瘾,他兴奋地解读道:

观测之前,没有什么客观现实,只有无数可能的叠加。只有观测了,波函数才能被坍缩成客观现实。好吧,这个说过了。那么,谁来观测才算数呢?实验表明,仪器不行,而我们行。嗯,这个也说过了。——于是,冯诺依曼、维格纳、惠勒等人给出一个惊人的判断:意识,可以让波函数坍缩成真。这个,前面也说过,不足为奇。

然而,惠勒的解读还没完:所以,在没有意识出现之前,没有什么宇宙,只有波函数。当意识第一次出现时,它才坍缩成现实世界。既然有了眼前这个世界,那么,就需要有这个世界的来历,是的,你猜对了,坍缩的不仅是眼前、现在,还有历史——你的观测决定了历史!是有意识的观测创造了宇宙!

这简直就是彻头彻尾的疯言疯语!本来,让意识掺合到物理中来,就已经激起了民愤,引起了科学家们的强烈不满。看在量子行事风格一贯诡异的份上,大家权当意识神马的是一剂调味品,学玻尔睁一只眼闭一只眼也就过去了。现在,你弄个劳什子延迟实验,搞得因果律、定域性很难看也就罢了,还把意识提升到上帝的高度——创造宇宙,这不是作死的节奏么?

平行宇宙

任何人都可以理解的物理科普第十二部分

咱俩去吃饭店,你只注意菜好吃就行了,你不能细琢磨擦桌子那块抹布是不是也擦碗,洗碗那桶水是不是也洗菜,剩菜那滩油是不是还回锅……否则你没得吃。哥本哈根诠释就是玻尔掌柜开的量子江湖饭店,你知道好用就是了,你不能细琢磨谁有资格做观测者,波函数究竟是怎么坍缩的,月亮姐姐到底在哪儿……否则就会像冯诺依曼、维格纳和惠勒那群冒失鬼一样,顺藤摸出一些匪夷所思的歪瓜,让大家在意识迷宫的歧途迷雾中恐惧,在因果纠结的荆棘藤蔓中挣扎。这样看来,玻尔的鸵鸟政策,倒成了最明智的选择。

然而,马蜂窝已经捅了,就算你把眼一闭,爱咋咋地,蜂儿也不会离你而去。所以,解决问题,才是正题。那么,我们要解决的,是哪个问题?换句话说,从哪儿下手?其实,那些乱七八糟的问题,都是一条藤上的瓜,这条藤就是波函数坍缩。波函数的概率分布,这是叠加问题;波函数是怎么坍缩的,这是机制问题;坍缩的物理量,这是观测手段问题;谁能让波函数坍缩,这是观测者资格和意识问题……所以,搞定了坍缩,也就搞定了世界。

不过,这件事是说来不易,做起更难。你只要回忆一下,建立量子论、又被坍缩折磨的都是哪些牛人,就不难得出结论:搞定坍缩,基本上是一件不可能的任务,蚍蜉撼树的事谁肯干?然而,还真有人挑战这个不可能。

休•艾弗雷特Ⅲ(Hugh EverettⅢ)。为什么他的名字后面有个“三”呢?因为他老爸、老爸的老爸都叫“休•艾弗雷特”,所以,那个“Ⅲ”其实是“三世”的意思。艾三1930年出生在美国。他从小善学好问,是爱因斯坦的粉丝,12岁时就给老爱写信问宇宙之类的问题,老爱还认真地回了信。1953年,艾三在美国天主教大学化学工程系毕业后,入读普林斯顿大学数学系,随后转投物理,指导教授是惠勒。钻研了冯诺伊曼和玻尔的量子力学之后,一股使命感在艾三心中油然而生:坍缩问题是关系到宇宙真理生死存亡的问题,必须立即马上抓紧解决掉!

波函数怎样坍缩、为谁坍缩、凭啥坍缩……解决这些狗血问题,定是超乎想象地麻烦。然而,艾弗雷特给出了一个超乎想象的简单方案:波函数没有坍缩!

这就好比宇宙群众惊呼:“CPI涨太快受不了了!”而宇宙将军的回答是:“没有CPI。”很显然,这是在描述幻想,而不是在陈述事实。大家各取所需、没有CPI固然爽到飞,但问题是,你说没有就没有么?

艾三说,还真没有。Look:一枚电子遛到双缝前,接下来的路怎么走?我们的纠结是,你不观测,它就走双缝,你一观测,它就随机选一条确定的路线走单缝——我们说这是波函数坍缩了。但是,这个蛋疼的坍缩其实是个误会,波函数没坍缩,它依然是各种可能的叠加,只不过,在咱俩的世界,你去观测,只能观测到其中的一种可能,至于其他可能,实际上也都发生了——在其他世界。大千世界,无限可能,每一种可能对应一个世界!

小伙伴们,不要一副雷劈相,好歹我们也是让“意识”炼过的铜头铁臂,还有啥过不去的火焰山?怎么也得问问那么多世界是咋来的吧?

1957年,艾弗雷特把这个想法写成了一篇论文,详解了多世界的来历:你用仪器去观测电子时,电子、仪器、你就发生了关联,观测对象、仪器、观测者成为一个系统,根据薛定谔方程,电子把它的不确定性传给了整个系统,这样,整个系统也就进入了叠加态!观测对象有多少种可能,系统就有多少个叠加分支。在每一个分支中,都有一个确定的电子、一套测到确定值的仪器、一个看到确定值的你。每一个分支都是独立的。然而,世界上,有什么东西称得上真正独立呢?只有世界本身。所以,每一个分支都对应一个不同的世界。你在双缝前观测电子,看到它在我们的世界走了左缝;而在另一个世界里,另一个你看到它走了右缝。也就是说,世界也是叠加的!我们的世界,只不过是这无数叠加世界中的一个。

是量子过程的不确定,造成了世界的叠加!

艾弗雷特管这个过程叫“分裂”。惠勒看了,感觉用词不当,容易造成误会。于是在论文空白处写了句:“分裂?最好换个词。”显然,这个批注很没创意,远远比不上费马同志的那个批注吸引眼球,所以大家都没注意。于是,很多同志认为,观测对象的量子过程一发生,世界就分裂。具体分裂成多少个,那要看观测对象的波函数叠加了多少种可能!分裂开来的世界相互独立,几乎一模一样,除了观测对象的值。打开薛猫盒子,你在这个世界观测到活猫,另一个世界的你就观测到死猫!这样一来,大家就不用为波函数坍缩各种揪心了。

可是,可是,这个代价太大了!物理学家们煲一碗量子汤,哥派大厨倒进去整袋盐,很难下咽,而艾三大厨的高招是,把整个西湖的水倒进锅里,这下不咸了!

如果这是一首歌,我们可以管它叫狂想曲,然而,这是篇正儿八经的物理论文!它不叫狂想曲,而叫“多世界解释”。解释中的世界彼此独立,是谓“平行宇宙”。为了消灭坍缩,这个理论付出的代价让人心里堵得慌,闻者无不想一脚踩死,再用力拧蹭几下。然而,这个疯狂的创意,在逻辑上竟然没什么毛病!你没处下脚。苍天呐!

不过,它也不是一无是处,至少,在数学上,还是相当凑合的。刚刚说了,“分裂”(splitting)是个误会。简单讲,你别把它当动词,而是当形容词理解,就差不多接近艾弗雷特的本意了。前面提到过,一个物理系统可以表示为一个复希尔伯特空间。所谓波函数,是复希尔伯特空间的一个向量,所谓坍缩,就是这个向量在某个方向的投影。现在,我们就简单聊聊这些东西大致是什么意思。

关于多维空间,以及“投影”之类的概念,咱俩在上部已经做过头脑热身,这里就不重复了。我们知道,一个二维的坐标,你在两根轴上分别随便取一个值,那么,这两个值就确定了二维空间的一个点。这两个值是什么?就是这个点在两根轴上的投影!坐标轴上的数值可以是变量,比方说动量、位置什么的,这样,它们确定的那个点就可以是运动的。反过来看,这里的变量值,就是运动的点在坐标轴上的矢量投影。2维空间的1个点有2个投影,3维空间的1个点有几个投影呢?哈,聪明的你答对了,确实是3个。因为这个点在每根轴上都有1个投影,除非,它在某个轴上的值是零。以此类推,n维空间就有n根轴,n维空间的一个点,就会有n个投影。注意:这些投影都在描述同一个点。这就是说,不管多少个变量,就n个吧,都可以用n维空间的1个点来表示。

OK,现在有两个点,A点有3个变量(投影),B点有4个变量,运动很复杂,怎么破?嘿嘿,我们可以把它们描述为7维空间的1个点!这种用数学构造出来的高维空间,就是我们描述的那个系统的“相空间”。

每一个物体都是由很多粒子构成的,你分别去描述这些粒子,实在是太难了。那么,利用相空间去描述,顿时就简单多了:上面提到,一个粒子可以用一个点来表示,很多不同的点也可以用1个点来表示。这样,我们就可以把任何宏观物体(比方说一只猫)表示成一个点。只不过构成它的粒子越多,我们增加的维度越多罢了。别看多维空间想象起来难得不得了,但用数学处理起来却十分方便。你用哈密顿方程来描述,更是好处看得见。

聊起哈密顿方程,你是不是想起了点啥?是的,曾经不共戴天的矩阵力学和波动力学,都是从哈密顿方程出发,妙手改造而来。本是同根生嘛。

OK,还是回到前面:一个物理系统可以表示为一个复希尔伯特空间。你可以把这个复希尔伯特空间看成“相空间”的升级版。刚才,我们已经把那只猫描述成了一个点,这个点可以作为希尔伯特空间的一个向量,这个向量包括了那只猫所有可能的状态,比如死、活等等。在希尔伯特空间,死呀、活呀等等这些个状态,都只不过是那个点在不同方向的投影而已。在数学上,每个投影都严格按方程随时间演化,不会莫名其妙消失。也就是说,这些投影同根相生,但不相煎,它们互不相扰,每一个投影都是一种可能,这就是我们前面无数次提到的所谓“叠加态”。

按照哥派解释,你一观测,观测对象就随机选个可能,确定下来——也就是只剩下一个方向的投影,其他投影从此消失了。“从此消失”什么意思?就是说这个过程不可逆,你没法根据坍缩后的结果,推导出坍缩前的叠加态是个什么样。这就是惊天地泣鬼神的所谓波函数坍缩。还记得吧?在经典物理中,你只要拿到某物(比方说彗星)在某时刻的全部资料,就能算出它从哪里来,要到哪里去,其前世今生后世,都能八卦得分毫不爽。在美丽厚道的经典故乡,所有物体的状态在时间轴上都是可逆的。坍缩过程跟经典物理正好相反。

不仅如此,坍缩,还会扯上机制、资格之类的问题,拔出这些萝卜,必然带出意识之类的烂泥。

于是,艾弗雷特说:所谓坍缩,纯属虚构。你去看看薛定谔方程,它有坍缩的触发机制吗?木有!它有坍缩的远大理想吗?木有!它有坍缩过吗?木有!就是嘛,老薛的波函数从来都在健康协调可持续发展,确定就确定,叠加就叠加,一个粒子有自己的波函数,无数粒子构成的物体(比如猫、月亮姐姐、银河系等)也都有自己的波函数。这些波函数构成了我们的世界。我们的世界可以用一个更大的波函数来表示。那么,这个世界在哪儿?

在一个巨大的复希尔伯特空间里。

任何人都可以理解的物理科普第十二部分

希尔伯特

它的发展,可以用一个更大的波函数来表示。这就是宇宙。我们的世界,只不过是它无数投影(无数可能)中的一个。我们知道,不同的投影,对应不同的空间维,它们都是相互垂直的,所以各投影之间,是相互孤立的、隔绝的、不发生任何物质交流的。

作为投影的一部分,我们就相当于阿细或阿扁,能观测到的,仅限于我们所在的投影。这个巨大投影中的一切,都只是无数可能中的一个,其他可能也都发生了,不过,只能在其他投影(世界)中观测到。

所以,宇宙并未分裂,更不会因为你去观测而分裂,它的“全貌”本来就是叠加了各种可能的大杂烩。或许,阿全可以一睹真容。

宇宙从诞生的那一刻起,就随着时间按波函数不断发展演化,可能性越来越多,世界分支也就越来越多,就像一棵枝条越生越多的超级大树,看似繁复庞杂,却枝桠清晰、因果分明、过程可逆——Stop!因果分明、过程可逆?!这不回到从前了吗?经典物理那沁人心脾的芬芳,已经萦绕鼻端了!这不正是我们苦苦寻觅的坚实可靠的故乡热土吗?

薛定谔建立了连续、可逆的薛定谔方程,正是要牵着量子力学荣归故里,而哥派这帮家伙,把人家的波函数搞坍缩了不说,还扔出“薛定谔方程比薛定谔本人聪明”这种刻薄话,让老薛干了活儿还没落下好儿,那是相当的憋屈。不厚道啊!

现在,艾三的多世界理论站出来,主持公道:波函数还是老薛的波函数,它从未坍缩。你观测也好,不观测也罢,它就是严格按方程演化,包括你是否观测、如何观测,随你怎么选,任你看到啥,都在波函数的手掌心里了。每一个世界的你,都“注定”只能观测到一个确定量。为啥要说“注定”呢?因为你就在那个投影里,那个投影就是你的世界,你看不到世界以外的东西。

是的,世界是决定的,不是随机的;世界是实在的,不是虚无缥缈的;世界是客观的,与意识无关!

多么幸福美好的家园啊!我们再见到牛爷、麦爷,就不用担心他们吹胡子瞪眼了!这是多大的成功啊同志们!

然而,艾弗雷特没有享受到成功的眩晕感。因为物理界的反应是:没有反应。

玻尔的态度很有代表性。他看了这篇论文后,连反对的意见都没有,完全无视。就像一粒沙,飘进了撒哈拉。可怜的艾三不知道,玻尔不只是对多世界解释不感冒,他抱定了哥本哈根解释,所以,对其他任何新解释都不感兴趣。

值得一提的是,惠勒老师表示,艾三同学的多世界解释是个不错的想法,虽然这个解释把他热衷的意识说一脚踢开,但他还是积极修改和推荐了这篇博士论文。

然而,孤掌难鸣,惠勒的热情之火,也燃烧不了整个沙漠。反而是无边的冷漠,窒息了艾三同学的希望之火。他恋恋不舍地改了行,去做了几份很有前途的职业,也干出了名堂。比方说在国防部进行军事研究时,改良了拉格朗日乘数法,发明了一套很拽的“艾弗雷特算法”,解决了工作难题;在五角大楼搞过最高机密武器系统评估;与人合作,创建了Lambda公司,赚到了不少钱。一度成为世俗的成功人士。

然而,艾弗雷特就是高兴不起来。他游戏人生,嗜烟酗酒,对老婆孩子不好。晚年搞得差点破产时,还在编程计算各种贷款。最后一次醉酒,心脏病把他带去了另一个世界。那时是1982年。他的骨灰被老婆丢进了垃圾堆。别误会,不是艾夫人绝情,这是艾三自己的主意。

别看艾弗雷特一家亲情淡漠,却在一点上惊人地一致:举家相信平行宇宙。女儿丽兹患精神分裂症,嫁给了一条毒虫,夫唱妇随,酗酒嗑药,丽兹1996年自杀,遗书约家人“在另一个世界再相见”。儿子 马克•奥利弗•艾弗雷特摇滚乐队Eels的组建者和主唱。直到父亲的尸体被医护员拉走那一刻,马克才忽然发现,记忆中,没有碰触过父亲,甚至对父亲生前的印象也很模糊。他说,父亲“活在自己的平行世界”。

退相干

任何人都可以理解的物理科普第十二部分

多世界

多世界解释简称MWI,是Many Worlds Interpretation 的缩写。这三个字母拼成了过山车轨道,像极了它的命运,也折射了艾弗雷特传奇的一生。

MWI一出世,就不招人待见,姥姥不疼舅舅不爱,差点葬身历史的垃圾堆。这也难怪,虽然它带来了经典故土的诱惑,但冷静到冷酷的物理学家们可没那么好忽悠。没错,你在数学上没啥毛病,但在物理上,我们接受无能。就算我们无视悬在头顶的奥卡姆剃刀,承认有N多观测不到的世外世界,也无法弥补你MWI的先天不足。

比方说,你打着决定论的旗号,干着概率论的勾当。说电子是“确定地”走了左右两条缝——在两个世界,但还是没法预测哪个我到左世界,哪个我到右世界,我们观测到左或右的概率依然是50%!这个结果,和哥本哈根解释下的量子论有区别吗?

好吧,再退一步,就算上面的问题不是问题。那么,既然粒子确定地走了双缝,那为什么我们观测时,它就不干涉,不观测,它就干涉?要知道,这两条路分属两个世界啊!它是怎么做到干涉的?难道,我们不观测时,它就能探测到另一个世界中自己的信息,两厢叠加,从而发生干涉?!既然如此,我们为何观测不到由粒子组成的猫死活叠加?这是不是个大BUG?

呃……这看上去的确是个大BUG。在科学论坛,任谁背上这么大一BUG,都死定了。于是果然,MWI和艾三的心一起沉入了海底。

然而,咸鱼也有翻身时。一转眼十几年过去了,到了20世纪70年代,挖坟者骤然降临。布莱斯·德威特(Bryce S. DeWitt),德州大学物理学家。他刚看到MWI时,也是难以置信。然而,艾三的一句话打动了他:MWI的内涵比抽象的哲学推理重要得多。最终,德威特成了MWI的粉丝,从1970年起,他就以一种布道的使命感,著文游说,极力宣扬多世界解释。

1973年,德威特伙同弟子格雷厄姆(Neill Graham),编辑出版了《量子力学的多世界诠释》,MWI随风潜入夜。1976年12月,著名科幻杂志《模拟》上发表了一篇名为《量子物理学与现实》的文章,文章中的多世界理论迷住了不少年轻读者。

征服了少年的心,你就征服了世界。多世界理论火了。艾弗雷特红了。尤其是在德州大学。因为WMI的两个金牌推销员惠勒、德威特都在这儿。1977年,他们组织了一次会议,艾三应邀演讲MWI,受到前所未有的礼遇。考虑到艾三烟瘾很重,官方特许他在四个小时的演讲中吸烟。此乃该礼堂的唯一例外。这场演讲,是艾三最后一次“公开露面”,也是他以著名科学家的身份唯一的一次露面。这次牛哄哄的叼烟演讲后,艾三曾雄心勃勃计划复出,重返物理界,但没来得及实施,就去了另一个世界。

然而,对艾三来说,这趟演讲最重要的不是得到什么礼遇,而是和师弟的一次讨论。大卫·德义奇(David Deutsch),英国人,惠勒的学生。会后,德义奇找艾三聊了一通,从此成为MWI的王牌推销员,正是他消除了“分裂”的歧义,揭示了MWI的概率规则是如何自然生成的。虽然没改变概率的结果,但减轻了大家思想上的排异反应。

几乎是在MWI悄然还魂的同时,也就是德威特开始为MWI刷公益广告那年,一种新理论的兴起,为MWI的逆袭做好了准备。十几年后,它推波助澜,提供军火,让MWI成为对峙哥派解释的主力。它就是传说中的“退相干”理论。

1970年,迪特·泽赫(Dieter Zeh)证明,薛定谔方程自身具有一种“审查”机制。这一效应被称为“退相干”。此后,沃奇克·祖瑞克(Wojciech Zurek)等倾情加盟,七手八脚地把这个理论发扬光大。这个退相干,搞定了MWI的那个大BUG。

退相干理论怎么回事?我们简单讲。讲起来很麻烦,前面说过,每一个向量可以对应一个空间维,这些向量并不都是正交的。所谓“正交”,你可以简单理解成“向量之间的夹角相互垂直”。在低维状态下,两个空间维完全垂直的可能性不大。不信,你随便扔两根筷子,录影中随机定格看看,让它俩相交并完全垂直,是不是比中六合彩还难?

OK,由于单个粒子的相空间维度不高,所以,它所在的两个世界一般都不是正交的,既然两根轴不相互垂直,那么就会相互投影。这就是说,两个世界可以相互察觉(虽然“图像”变形)、相互关联——通俗讲,它们之间有牵连,也就是“相干”。所以,单粒子过双缝,虽然这两条路分属两个世界,但二者“相干”,就可以相互叠加、相互干涉。

这是单粒子的情况。如果是很多粒子组成的某物,会怎么样呢?

前面说过,很多粒子也可以表示为一个点,只不过它的相空间维数就急剧上升。维数越多,自由度越大,向量之间的干涉程度越小,也就是越趋向于正交。当维数达到一定量级,基本上你随便取两根轴,它俩都基本“正交”。比方说一只猫,组成它的粒子要达到10^27量级,多少?1千亿亿亿个。还没概念?你要是有这么多一元纸币,码起来体积跟地球差不多!如此庞大的粒子系统,它的相空间维数至少也是10^27的量级。维数如此之高,引无数投影都正交!世界之间的关联被抹消,所以你看不到死活叠加的猫!

粒子数增多,向量相干程度就减小,这个过程,就叫“退相干”。

好吧,你赢了。可是,为什么你不观测,粒子就走双缝,跨世界干涉;你一观测,粒子就跨不了世界了呢?

很简单,宏观的仪器,宏观的你,都是由无数粒子构成的——想想刚才那只猫咪。你一观测,就和粒子发生了关系,彼此关联成一个系统,你和仪器这些个极高维的相空间就被引入,与粒子同处一个希尔伯特空间,粒子的两个世界正交了,那两条路不再叠加、不再纠缠,相忘于江湖,劳燕分飞两不相干。所以不会干涉了!

漂亮!好一招借力打力!退相干利用量子力学原有的数学,糅合了测不准原理的思想,巧妙地引入了环境对粒子的相互作用,干净利落地搞定了MWI的大BUG。经典物理把环境的作用当成噪音和干扰,能排除的都排除,但到了量子物理,影响观测对象的这些“噪音”、“干扰”根本就剪不断、扯还乱,我们再也无法忽略、无法逃脱,它们紧密关联、纠缠,它们的爱恨情仇,决定了观测结果!

哗!多世界+退相干,简直就是绝配!意识被一脚踢飞。观测者不再霸占主宰地位。物理学家不再为坍缩劳心伤肺。薛猫不再又死又活让人羞愧。世界是实在的,万类循规,不再虚无吊诡。宇宙是决定的,因果清晰,不再孟浪邪魅。

我们屡战屡溃,踏破铁鞋,败而不馁,误闯太虚幻境,丢掉了故国山水!多少次末路穷途,汗洒泪飞。无谓?无畏!终于闯过最后一道险峰,哈,故土就在眼前,我们载誉荣归!

真他猫的完美!是不是可以点根火箭庆祝下?

“不!”奥卡姆剃刀在怒吼。“这个理论看上去很美,却拖着一个大大的累赘!”这个累赘,就是那些世外世界。不管你的理论有多性感、有多诱人,那无数个世界仅仅为了搞定波函数坍缩而存在,是不是也有点扯?代价也太大了点吧?这不是买卖,而是拐卖!何况,那无数个世界,一个也观测不到,这是在自欺,还是在欺人?无法观测的量,在物理上是没有意义的,你如何证明那些世界“真的”存在?!

嘿,你还别说,有挖坑的,就有搭桥的。还真有人提出了证明办法:一个“猛士游戏”——量子自杀。只听名字,就够恐怖。这个不人道的设计,其实是薛猫的真人cosplay暴力版。

按照哥本哈根解释,薛猫不管是死是活还是死活叠加,那猫仅有一只,别无分体;但按照多世界解释,情况就完全不一样了,因为多世界认理论认为,每一种可能都已经在不同的世界发生了,也就是说,每一种可能,都会对应一个世界。于是,薛猫盒打开,有一只活猫存在于此世界,就有另一只死猫存在于彼世界。

根据这个原理,某位猛士去代替猫,用手枪代替毒气瓶。中子射出,枪响人亡;不射,再来一遍。每次实验,猛士都会面临两种可能:死,活。我们勤劳残忍地把这个实验不断做下去,对照一下哥派和MWI双方的预测结果,就立即分得出谁是谁非了!

根据哥本哈解释,每次实验只有50%的生存可能,你知道的,50%×50%......算来算去,活下来的概率越来越小。几次实验后,这人八成就挂了。运气再好,他也活不长。

而根据MWI,每次实验,猛士都会在一个世界中死去,在另一个世界活下来。那么,不管他一直活下去的可能有多小,其概率也不为零。于是,不管他在某些世界死了多少次,也永远会有一个世界中的他还幸运而苦逼地活着!这叫“量子永生”。我们晓得,“永生”这东西,自古以来就毫不靠谱,专门骗人。然而,根据MWI,量子永生在逻辑上是没问题的。推而广之,不管你用什么办法自杀,也不管你在多少个世界中壮烈牺牲,但总有一个世界的你,因为种种令人崩溃的奇遇,让你自杀未遂——不管你有多想离开和多想不开。

严正声明:量子自杀、量子永生只是思想实验及推理,万勿尝试!

嗯,打住。说正经的,验证办法是,如果猛士同志彻底挂掉了,那么哥派解释胜出;如果猛士同志一个劲儿地做实验,而且他感觉自己一直活着(实验装置无故障),他就有理由越来越相信,MWI胜出的可能性越来越大。什么?你说这不可能?不好意思,这是可能的,证据随处可见:宇宙中的两个粒子结合在一起的概率是多少?有人估算,宇宙有10^80个粒子,宇宙尺度又这么大,两个特定的粒子结合在一起的概率无比接近0,如果要三个特定的粒子结合在一起,这个概率就加倍减小,然而,你身上的10^28个原子真真儿地构成了神奇的你,对这些粒子来说,是不是巧合到地裂天崩?然而,“你存在”这个事实告诉我们,你身上的这10^28个粒子组合成你的概率是100%!这是个奇迹吗?对不起,地球、以及地球上的每个生物,都是由N^n个粒子无比巧合地凑在一起构成的,所以,谁的存在都不算奇迹,我们人类一起在地球上思考宇宙,才是奇迹!咳咳,跑偏了——在量子自杀实验中一直活下去,概率不是零。

第三者

任何人都可以理解的物理科普第十二部分

理查德·费曼

山高路远坑深,悲欢总是泪奔。这厢横刀立马,那厢卧槽将军。路很长,不容易。走过来、走过去,没有根据地,汗也流、泪也落,心中不服气,山也多、水也多,分不清东西,人也多、嘴也多,讲不清道理……这一路走来,有两个字几乎成了我们的口头禅:疯、狂。

是的,所谓疯,就是不走寻常路;所谓狂,就是不屑寻常路。宇宙真理不能靠发明,只能去探明。发明是私人定制,而探明是开疆扩土,你会碰到啥,鬼都不知道。于是,看起来很疯狂。所谓不疯魔不成活。实际上,相对于宇宙的浩瀚深邃,人类感知能力实在是弱爆了,你不出点格,还真就找不到真相。尤其是到了我们看不见摸不着的量子领域。曾几何时,爱因斯坦被人怀疑疯了,而普朗克怀疑自己疯了,可后来,大家发现,恰恰是这些“疯子”,在引导人类走近真相。因此来说,在某些时候,疯、狂二字,对一些物理大神来说,简直就是“正确”的代名词!所以,玻尔的看法是,该疯疯,该狂狂,千万别客气。海森堡拿出匪夷所思的矩阵力学时,泡利的第一反应是“这简直是疯了”,而玻尔还嫌小海疯得不够,所以在这匹狂奔的小马身上抽了一鞭子。一次,泡利到哥伦比亚大学浦宾实验室,讲到小海的基本粒子非线性新理论,玻尔听了,朝桌子对面的泡利摇摇头:“这不可能是对的。因为它还不够狂妄”。而泡利则针尖对麦芒:“它够狂妄的了。”你知道,泡利在说,小海是对的。

他们说的“狂妄”,当然不是莫名其妙的轻妄自大,而是“有充分根据的违例或怪诞”。艾弗雷特的MWI,正是这种“狂妄”的产品。多宇宙理论一面世,所有人都认为艾三同志疯了,连唯恐疯得不够的玻尔都接受不了,认为这伙计疯过头了。只有惠勒认为艾三疯还得不够。分裂的宇宙让人难以忍受,但缜密的逻辑令反对者无从下口!于是,1988年,美国哲学家阿尔伯特和洛厄挺身而出:既然我们受不了宇宙分裂,就让我们自己分裂了吧!他俩提出了MWI的精神变种——多精神理论。大意是,宇宙还是一个宇宙,它从未分裂,但我们,也就是观测者,都有无数个精神,或者说是意识。说白了,精神是分裂的。看上去是你,实际上是你们。每一个你,都会意识到一个确定的测量结果……不往下说了,一来你们已经明白了;二来,这个理论提出没多久,就被提出者扔进了废纸篓。

这些让人抓狂、蛋疼的理论,其实都是量子力学本身逼出来的。你有砸碎旧世界的勇气,就得有建好新世界的能力。你强拆了决定论,就得交代清楚,概率是怎么来的,波函数是怎么坍缩的,什么才算是一次观测。你搞不清,还不想把意识扯进物理,那就得承认有隐变量;你找不到隐变量,就得承认波函数没有坍缩;你说波函数没有坍缩,那就只能委屈宇宙搞分裂了……所有这些纠结,实际上都来自矩阵力学和波动力学。正是它俩,把我们从经典的热炕头勾引出来,扔到雾霾密布的荆棘丛中,还甩了句:“又想过猪的日子,又不想要猪的结局,哪捡这便宜事儿?奋斗吧骚年!”然后,就没有然后了。

那么,离开了它俩,我们是不是就无枝可依了呢?答案相当得人心:不!除了它俩,量子力学家族还有一位新成员,我们没来得及介绍。说来话长,波粒这对冤家闹了几百年,终于修成矩阵力学、波动力学,在量子阵前遭遇、冲突、会师,最后喜结良缘,双剑合璧,睥睨天下。眼见这场强强联姻要美翻天,却不料,半路杀出个第三者:路径积分。

引来这个第三者的,是另一位大神:理查德•费曼(Richard Feynman)。这位爷在前面跑过几次龙套,但现在,是他当角儿的时候了。

费曼1918年5月出生于美国。父亲麦尔维尔•阿瑟•费曼热爱科学,但疲于谋生,没有实现当一名物理学家的理想,于是,立志让孩子们圆这个梦。他做到了。儿子理查德和女儿琼都成了物理学家。

毫无疑问,费曼是个天才。他心灵手巧,少年时期就可以给人家修电器赚零花钱了。上高中后,学长们用高年级的数学难题考他,他总是三下五除二搞定,令学长们膜拜不已。他认为自己最不擅长绘画,但被一位画家朋友诱导学画后,他的很多画被多人买去收藏(署名是笔名)。

高三那年,费曼参加纽约大学数学锦标赛,一举夺魁,得分甩了第二名几条街,惊呆了裁判。

1935年,费曼进入麻省理工学院(MIT),学了物理学数学。从狄拉克的《量子力学原理》中,读到了大家对量子电动力学现状的各种不爽。于是,费曼决定,拿出一个大家满意的答案。不得不说,这是一个宏伟到狂妄的目标。

但费曼只知宏伟,不觉狂妄。因为,他认为自己设计的路线很靠谱:搞定经典电动力学的发散困难,把它量子化,差不多就OK了。

1939年,费曼在《物理评论》上发表了大学毕业论文,内有一个量子力学公式,后来以他的名字命名。这已经很牛了,但离他的宏伟目标还差得很远。毕业后,他报考普林斯顿大学的数学和物理研究生,以空前的满分入学。导师是大他7岁的惠勒。这是一对好师徒。

费曼决定,继续跟发散困难死磕。这“发散困难”是何方神圣呢?在经典电动力学中,每个点电荷——就说电子吧,都要产生一个电磁场。产生场干嘛用呢?说来很无聊,既自扰(作用于场主自身),又扰民(作用于其他电子)。这个场所具有的能量,就是场主电子的“自能”。问题就出在这儿,你想精确计算它,就会得出一个吐血的结果:无穷大。这个,我们并不陌生。从来访的频率上看,无穷大同志应该是物理界的老朋友,然而,从实际效果上来看,它绝壁是物国人民的死敌。这就是发散困难。它的根源是,场有无穷多的自由度,你越是往精确里算,把所有的微扰项都加进去,积分的上限就越发散为无穷大。从公式里看,罪魁是高能光子,它们为无穷大的入侵做出了不可磨灭的贡献。所以,这个发散又叫“紫外发散”。

费曼发现,如果场只扰民,不庸人自扰,就可以解决无穷多自由度等问题。然而,如果电子不自扰,你就解释不了辐射阻尼。这“辐射阻尼”又是哪路神仙呢?说起来不陌生,所谓阻尼,简单说就是阻碍物体运动的一种作用。跟直接挖陷阱使绊子这种下三滥的招数相比,阻尼更腹黑,它利用相互作用,把运动能量逐渐耗尽,达到衰减运动的目的。比方说弹簧,都是开始弹得欢,然后它的动作一定会越来越小,最后彻底老实。这就是由于粒子间的各种作用,弹力转化成了热能等其他能量,被耗散干净的结果。嗯,振动系统由于某种作用,引起的振动幅度逐渐下降的特性,就叫阻尼。前面说过,电子一旦加速运动,就必须辐射能量——电磁波,如果没有补充,谱线变宽,振幅下降,系统能量很快就被耗尽,这种阻尼,就叫“辐射阻尼”。

让电子的场只扰民,不自扰,其实不光是费曼的愿望,也是洛伦兹的愿望。为了补偿加速电子的经济危机,洛老师早在世纪之初,就利用电子“推迟势”的相互作用,来大搞投资,维持系统能量GDP。所谓推迟势,简单讲,就是由于有距离,需要推迟一点时间才能相互影响的电磁作用。然而,这样搞,虽然保住了GDP,却造成了一个无法愈合的内伤:电磁质量无穷大!

费曼一筹莫展之际,惠勒出马来援:你消灭自扰的想法可以试试,但不要纠结于辐射阻尼,攘外必先安内,可以曲线救国嘛!惠勒引入了狄拉克的一个假设:电子用来自扰的作案工具,有推迟势,也有超前势。两股势力的一半用来自扰,另一半用来扰民。它们相互作用、相互牵制。虽然超前势不符合因果律,但在数学上用一用,还是无伤大雅的。这样一搞,用来自扰的半推迟和半超前两股黑恶势力火拼,这就消除了自扰,顺便踢跑了无穷大,还保留了一个有限的辐射阻尼!为麦爷操作系统添了一款超值附件!美翻了?不,这仅仅是开始。

应用半超前半推迟的相互作用,费曼发现了一个新的作用量!

“作用量”很了不起吗?需要加个叹号?是的,作用量是经典物理的一个重要基本概念,它是指一个运动系统内在的演化趋向。我们要搞清楚一个系统的变化,只需取两个“时空点”的状态,也就是初始值与最终值,然后求解作用量,就可以搞到这两点之间每个点的状态。那么,作用量千变万化,无限可能浩如烟海,我们怎么求是好呢?这个好办,大自然是最高效低耗、节能减排的,所以,我们只要求解作用量的极值(当然是最小值),就恰好合了自然规律,这就是前面说过的“最小作用量原理”:任何作用、任何行为,自然界总是选最简单的方法。这是经典物理的重要基石之一。牛顿运动定律用的是微分方程,而用积分方程来处理作用量,能得到相同的结果。

费曼用恰时积分表示电子的四矢位置,处理那两股势力的直接相互作用,得到这个“新作用量”。又从这个作用量出发,导出了配备这款超值附件的麦爷方程。哈,这是经典电动力学的一个新形式!

这里面涉及到哈密顿、拉格朗日等大神的一堆术语,就不细说了。我们只要没忘记前面说过的:什么“哈密顿-雅可比方程”、“拉格朗日力学”、“哈密顿力学”,它们跟“牛顿力学”是完全等价的,只是表述方式不同,就OK了。

我们知道,矩阵力学、波动力学这对冤家之所以喜结良缘、双剑合璧,就因为“本是同根生”,它们脚上的那根红线,就是哈密顿函数!隐约有个声音在说:费曼,你的路子是对的。然而,费曼现在挠心的是,怎么才能把他的“新作用量”量子化?说起来,真是“苦心人、天不负”,一位到普林斯顿访问的欧洲学者聊到:狄拉克同志的某篇论文讨论过这事儿。费曼光速去图书馆找到这篇1932年的论文,果然,小狄一本正经地把作用量和拉格朗日函数引进了量子力学。只不过,他还没有把作用量一本正经地量子化。费曼中奖了,他把小狄的思想向前发展了一步,直接写进公式,处理作用量,华丽丽地导出了薛定谔方程!

1942年,费曼发表了他的博士论文《量子力学的最小作用原理》。费曼博士导来导去,把传统的波函数,变成了从初态到末态的概率幅。在这里,作用量被描写成概率幅,舞台搭在初态和末态的时空点之间,全程表演叠加原理。

随后,费曼参加了曼哈顿计划,和罗伯特•奥本海默(Robert Oppenheimer 原子弹之父)、汉斯•贝特(Hans Bethe美国物理学家,1967年诺贝尔物理学奖得主)、恩利克•费米(Enrica Fermi 1938年诺贝尔物理学奖得主)、爱德华•泰勒(Edward Teller 氢弹之父)、冯诺依曼等大神共事。费曼的坦诚直率、敏锐聪慧很快就受到大神们的赏识,其中包括玻尔。维格纳更是把费曼誉为翻版狄拉克,看样子,如果维格纳有另一个妹妹未嫁,他会让她嫁给费曼。贝特把老跟自己唱反调的费曼弄到自己手下,让他当了计算组的组长。贝特没看走眼,他跟人炫耀:“费曼能做任何事情。”还请费曼到康奈尔大学共事。

费曼的工作真是顺风顺水,然而,家庭却祸不单行。1945年,爱妻阿琳去世。次年,父亲麦尔维尔去世。费曼一度低迷忧郁,他戴上面具,表现得正能量十足,不断找难题挑战自己。比方说,他看见某学生抛起一个餐盘,就去用公式描述盘子转动与摆动的关系,最后证明:当摆动角度很小时,转动速度是摆动速度的两倍。贝特兴致勃勃地听了费曼的飞盘研究,问道:这能干嘛呢?

费曼想来想去,飞盘研究的确没啥实际价值。于是决定,专心继续实现那个宏伟目标。在费曼的博士论文中,“路径积分”的思想已经萌芽,他要在路径复概率幅的框架内,建立一个更简单的相对论性电子理论。说白了,就是不用狄拉克方程,但是能得到狄拉克方程的全部结果。这太疯狂了!不用说,他遇到很多难题,比方说关于“自旋1/2的相对论性电子”方面的问题。

说到路径积分,其实一点也不新鲜。我们知道,自从牛爷和莱布尼兹鼓捣出了微积分,大家一有麻烦就拿出来用。这微积分也真长脸,经过各种改编、混搭,几乎是攻无不克!到了20世纪30年代,人类的野心越来越大,逮啥就想算啥。比方说,你偏不用称,却非要靠计算来搞清一块矿石的质量,你知道的,矿石这东西,密度不均,形状怪异,前重后轻,左宽右窄,算不出来就很不舒服,整晚失眠。为了不连累维格纳的妹妹,狄拉克提出了“曲线积分法”,也就是路径积分。可以把矿石的密度等变化用曲线表示,进行积分计算,它不是沿着区间取值,而是沿着特定的曲线(路径)取值,故名之。至于积分的对象,可以是弧长,也可以是坐标轴的曲线,两者殊途同归,让陈家村的铁匠改一改,就能相互转换。

灵感终于降临,费曼走出雾霾,他5年的苦思冥想,换来一幅奇妙的世界图像:万类时空竞自由,粒子运动的所有可能路径——也就是世界线,漫空飞舞,叠加成妙曼的概率幅!费曼找到了量子力学的第三种表现形式——作用量量子化的路径积分法。1948年,费曼发表了题为《非相对论量子力学的时空描写》的论文。关注初态和末态,在这两个时空点之间,把粒子所有可能的路径(世界线)遍历求和,看起来很麻烦是吧?妙就妙在大部分路径可以直接相互抵消,剩下的那些路径的值,始终与波动、矩阵力学保持高度一致!也就是说,路径积分跟波动力学、矩阵力学是等价的!顺便八卦一下,费曼在解决电子自旋难题时,用到了飞盘研究。

哈,你看出来了,费曼的这个路径积分,和狄拉克的路径积分不是一回事:费曼是对每条路径的概率函数进行积分,而狄拉克是对路径上的取值进行积分。不过,这都不是事儿,因为在费曼的路径积分形式里,也离不开狄拉克的路径积分法。

反对DH比较强烈的团队之一,是GRW阵营。所谓GRW,是三个意大利物理学家名字的简拼:吉拉迪(G•Ghirardi)、瑞米尼(A•Rimini)、韦伯(T•Weber)。1986年,这三位提出一个模型,这个模型就叫“GRW理论”。它有一个野心勃勃的目标:揭秘波函数坍缩!

GRW认为:每个粒子的波函数都会随机、自发地变态——从朦胧的弥漫态,变成一个比较确定的定域态——也就是所谓坍缩(所以GRW又叫“自发定域理论”)。但一次坍缩要等很久。多久呢?平均大概10^15到10^16秒,差不多几亿年才坍缩一次。为什么又是“大概”又是“差不多”呢?因为这个数字,是根据观测结果的需要,倒估出来的。

坍缩一次要等这么久,还测个毛啊?!莫急,GRW还有一个机制:任何系统都会和外界发生关系,互动互扰互折腾。一个粒子坍缩了,和它发生纠缠关系的粒子会惨遭连坐,一起坍缩……就像在弹药库引爆了一颗炸弹。这样一来,坍缩就变得相当容易了:一只猫有10^27个粒子,就算一个粒子平均10^16秒才坍缩一次,这只猫身上每秒钟也会有10^11个粒子坍缩,也就是10^-11秒就有一个粒子坍缩,它们会瞬间连累其他粒子,沿着纠缠不清的关系网,连锁坍缩下去,于是,整个猫的叠加态消失了!一个系统的粒子越多,它坍缩得也就越快。

如此说来,薛猫的确经历了又死又活的叠加态,只不过这个过程太短,不超过1纳秒(10^-9秒),我们根本无法感知。所以,我们看见的,不是死猫,就是活猫!妙妙妙!

GRW用“自发随机坍缩”+“纠缠连坐”一套小机制,貌似轻松地揭开了坍缩之谜:什么让波函数坍缩?自发的;如何坍缩?随机的;为什么宏观物体是定域的?因为粒子量够大,一人结扎全家光荣…哦不…一个坍缩集体连坐;既然是随机的那为嘛一观测就坍缩?因为宏观的仪器和你被引入纠缠关系网,连累人家坍缩……是不是简洁自然?不仅如此,通过调整理论参数——包括上面提到的单粒子自发坍缩时间,这个理论和目前的实验结果相当的一致!并且,不用意识点炮,不用隐变量顶包,世界、精神、历史都用不着分裂了!这种理论,岂不花见花开人见人嗨?!

然而,事实正好相反。多数物理学家不喜欢它。因为,它虽然够简洁,但不够优雅。看上去是在帮你忙,骨子里却在逗你玩。比方说,慢性谋杀能量守恒定律,虽然造成的破坏极微小,等待的时间极漫长,乍看上去几乎就守恒了,但是,不守恒就是不守恒,不在于它有多不守恒。能量守恒定律久经考验,深受广大科学家信赖和拥戴,任何企图置之死地的行为,都是搬起石头砸自己的脚,必将受到物理界的鄙视。何况,GRW还有个关键问题没交代清楚:粒子自发坍缩因何而起?难道是因为不开心或太开心?技术问题还有N多,细说也没什么意义,因为,GRW团队对GRW不太满意。

所以,珀尔、吉拉迪和瑞米尼组成了新三人团,于1990年鼓捣出“连续随机局域化”模型,简称CSL,宣布揪到了自发坍缩背后的黑手:引力。几乎是同时,日内瓦大学的吉森(N.Gisin)等几位物理学家也纷纷提出类似的方案,用来修正GRW。看这架势,引力是难辞其咎了。

然而,1994年,佩西瓦(Ian.Percival)也搞了个新理论:基本量子态扩散理论,简称QSD。他也宣布揪出了自发坍缩的幕后黑手:时空随机涨落。当然,遭到群众举报的黑手不止这两只。坍缩虽然很难搞,但不至于团伙作案。谁是真正的幕后黑手?线索太多,一时间纷乱如麻,让人心里草长鹰飞。

如果集齐100个理论,便可领取超值新版真相一枚,倒也值了。然而,上帝明显不喜欢这种游戏。想要真相,你只能踏踏实实去找。可找来找去,人们绝望地发现,你避开了一座悬崖,就陷进了一片泥潭,甩开一团迷雾,就跌入一个怪圈,你怎么也找不到一条脚底踏实、头顶明媚的康庄大道。难道,每条路都是通向死胡同的旁门外道?就没有一条妥帖通达的中庸之道?

当然有!它叫“系综解释”。所谓系综,是个统计概念。粒子们的脾气秉性虽然差不多,但个体行为却自由散漫,它们聚在一起,绝不会整齐划一,好在我们聪明,知道利用其秉性,以统计的方法,去掌握它们的总体行为趋向。这个手段很眼熟是吧?所以,下面这句,我们就不难理解:对相同性质体系的集合,使用统计手段,得到平均结果,就是系综的任务。

“系综解释”谁提出来的?支持者喜欢说是爱因斯坦。因为从第五次索尔维会议起,爱因斯坦多次提到这个观点:ψ所描述的,不是单个体系,而是多个体系,从统计力学上讲,就是“系综”。我们知道,老爱的意思是,量子力学“不完备”,它不能准确描述粒子行为,只好使用统计手段,得出概率结果,就像当初自己搞定布朗运动一样。老爱希望量子力学进一步完善,直到扔掉概率,描述单个粒子的确定行为。

然而,系综派的意思略有不同:量子力学的确是统计的,它的确无力搞定单个粒子行为,那是因为,世界本来就是统计性的,根本就不存在描述单个粒子的可能!只有“系综”才有物理意义。任何窥视单个粒子的企图都是自讨苦吃,必将被坚硬的现实撞得头破血流!

老爱的意思,大家不可能不懂,然而,系综派坚持打着老爱的大旗,似乎这样,才能让他们的现实更坚硬一些。

20世纪40年代,前苏联轰轰烈烈地开展了批判哥本哈根学派的思想运动,系综解释勇挑重担,代表辩证唯物主义,狠批了哥派“唯心主义”。科学院通讯院士布洛欣采夫提出了量子力学的系综解释,给出了量子系综的定义:从属同一宏观环境的“粒子或体系的集合”。这跟经典系综概念差不多。

系综解释说,没有什么叠加,也没有什么坍缩,更不存在什么隐变量,关键是,不存在什么“单个粒子的状态”,那没有物理意义。所以,我们不能描述个体粒子,只能统计系统的“集合”状态。而量子力学已经做到了。它是完备的。

薛定谔方程描述的是什么?哈,你们都误会了!那不可能是单个粒子的叠加态,只能是在同一环境下,无数粒子的统计平均值。它说粒子穿过了左缝,也越过了右缝,那不是指单粒子同时左右逢源,而是指很多粒子过缝时,左右机会对等:各50%!

这下圆满了,我们不用为叠加纳闷,因为没有叠加;也不用为坍缩操心,因为没有坍缩;更不用为完善量子力学费神,因为它本来就是完备的!并且它也没那么神秘了,因为它只是经典统计手段在量子领域的应用!这样一来,量子力学爽飞了:既保留了数学形式,又掩盖了哲学问题,还回归了经典故土。哈,见过共赢的,没见过赢得如此八面玲珑的!

然而,八面玲珑、两头堵、和稀泥这种事,在政治上玩玩儿还行,用到科学上,就土鳖了!这不,一根筋的物理学家刨根问底:单电子是怎么过双缝的?它老人家是怎么自我干涉的?

这些硬邦邦的问题,岂是一句“个体粒子行为没有物理意义”就能敷衍过去的?何况,你打着辩证唯物主义的旗号,却辩证地证明自己和唯心主义是没法分辨的!比如,哥派说,不存在客观的物理量,主客观不可分。而布洛欣采夫同志说,存在客观物理量,主客观可以分。但是,布同志又承认,测量者、仪器必然与观测对象产生相互作用,量子的统计性,是微观与宏观相互作用的结果。这就是说,你去测量时,统计性才存在。也是测量,也有观测者……你的客观性都去哪儿了?这和唯心的哥派有何区别呢?如果再问一句“经典环境为啥会让微观系统产生概率结果”之类的问题,是不是就焦头烂额了?

所以,这个耍小聪明、走投机路线的系综解释,是不得民心的。群众的眼睛虽然没雪那么亮,但你掩耳盗的是钟,夜半钟声都到客船了呀大哥!

中庸之道也跑偏了,难道无路可走了吗?当然不,量子之路就像叠加态,你数不清,很多小众之路,抬脚便是。

只一件事,便坐拥这么多高端大气上档次的理论,你幸福吗?

不!我们要的理论,不在乎它特色有多鲜明、内涵有多丰富、立意有多深远、建瓴那屋有多高、翻新周期有多短,只在乎它是不是有用、好用,最关键的,它是不是真相!

那么,怎么才能辨别真伪呢?最有效的手段当然是:实验。

说起实验,也不是那么容易。因为我们要观测的,是不可捉摸的粒子。不可捉也不可摸还不算难,更难的是,多数解释的预测,都差不多啊差不多,甚至大部分数学结果一样!

数学一样的部分,就没法拿来评判谁是谁非了,只能在哲学上死缠烂打,最后当然是谁也不服谁,翻云覆雨各种看,搞不出个公母来。

即使你找到数学结果不一样的地方,差别也是细微到几乎没有。你知道的,这时,测量精度就成了大问题。比方说波函数坍缩,哥派认为,是瞬时坍缩,没有过程;而退相干系列认为,这个坍缩是有过程的;GRW同意坍缩有过程,但在数学上,这个过程用的时间长短不同。诸如此类,讲起来立场分明,但实际测量起来,数学上差别极小,以至于很难达到明确区分的精度!

所以,在测量技术没达到精度要求之前,要找,就优先找基本预言不一致的地方。比方说,哥派、退相干、GRW一致认为“有坍缩”,而系综、MWI等解释认为“没有坍缩”,这该很好宣判了吧?可事实是,照样不容易!是的,你一观测,粒子就随机甩给你一个确定的结果,但你凭什么断定,它是波函数坍缩来的,或者它不是波函数坍缩来的?波函数是抽象的,它不能直接观测!坑爹吧?

因了个此,想一决雌雄,不仅要“基本预言不一致”,还要“可以直接观测”!这样的理论预言有吗?有的。比方说“交易解释”。这是美国物理学家克拉玛(John Cramer)于1986年提出的。

当年,费曼利用超前势和推迟势概念,找到了新作用量,还取得了麦爷方程的支持,鼓捣出了路径积分。克拉玛却从这两股势力的博弈合作中,看到了一条新路:推迟势发出一个波“出价”,超前势回一个波“确认”,两波在时间线上一顺一逆,交互干涉,催生一款华丽丽的“驻波”。这个驻波不是虚无缥缈的,它在物理上真实存在。是波,也是粒。但绝非一个抽象的函数!只是你一观测,骚扰了驻波,它顺手甩给你一个概率的结果罢了。这个解释,非常合理,也非常物理。并且,人家还宣称,这个机制,跟哥本哈根解释不符,但跟阿弗沙尔实验相符!这是伊朗科学家阿福沙尔(Shahriar Afshar)2001年搞的一个光学实验。光子在这个实验里,既有粒的侠骨,又有波的柔情,让人抓狂。而根据互补原理,在同一个实验里,你要么看见粒,要么还见波,鱼和熊掌不可兼得。分歧大了去了。那么,究竟谁是谁非,是不是一目了然呢?对不起,目前还不能给你一个明确的答案,观测结果还有待进一步验证。不过,虽然结论还不是很明朗,但这一记小闷棍,也把强悍的哥派解释打了个趔趄!

你以为这样就算完了吗?当然不!因为祸怕孤单,它从不单行!这不,还有个实验,让哥派很难堪。

任何人都可以理解的物理科普第十二部分

阿罗什

2006年,法国科学家阿罗什(Serge Haroche) 特制了铌质镜子,镜面相对,距离3厘米,凑成一个空腔。然后,让光子在镜子间蹦跶了100多微秒,这个运动系统,可以看成经典世界:一只猫。光子蹦跶得正欢时,让一个处于叠加态的铷原子路过,与光子暧昧纠缠。根据咱俩的经验,铷原子的叠加态该坍缩了,是吧?然而,这个实验的神奇之处在于,它可以保持一小会儿叠加!于是,整个系统就成了薛猫。更神奇的是,阿罗什还可以对它进行测量啊测量!这一测不要紧,他们发现,系统丢掉叠加态前后,有个时间差!这说明什么?说明如果真的有什么波函数坍缩,那它至少不是瞬时的,而是有过程的!至少在这一点上,哥派预言不是想象的那么靠谱。

不靠谱的预言还不止这一个。阿罗什的实验,实现了操控单个粒子,并且保持了它的量子态!翻译过来就是,现在量子态逆天了,你一观测,它不立马坍缩!美国物理学家维因兰德(David Wineland)用不太一样的办法,也达到了同样的效果。于是,他俩因为“让测量和操纵单个量子系统成为可能”,分享了2012年诺贝尔物理学奖。他们使用的手段包括超低温、电磁场捕获、激光脉冲控制等,具体细节就不说了,你懂的。

照这样说,哥派解释是不是废了?恰恰相反,它仍是无数解释中最坚挺的一个!不错,它是有些问题,但同时,它也是最准确、最简洁的解释之一!在已有的实验PK中,它的战绩仍然名列前茅,它依然是新量子派对垒经典派的前锋!比方说下面这场旷日持久的战役,就给这个招牌解释挣来不小的面子。

这场战役,就是把EPR实验从理想转为现实。当初,爱因斯坦和玻尔一致同意,小小和圆圆两个粒子亲密接触、分手后,一个左旋,一个右旋。分歧在哪儿呢?

玻尔认为:你观测前,两者是个整体,大家都处于叠加态,没有具体物理量;观测时,小小被骚扰,随机坍缩成左旋,同时,圆圆也感应到骚扰,果断选择右旋。

老爱认为:没有什么坍缩,也不用什么超光速信号,不管你观测还是不观测,谁左旋、谁右旋,在它们分手的那一刻,就已经确定了。

从1935年EPR佯谬提出时起,把这个理想实验搬进现实,就成了无数物理学家的梦想。不仅仅是要断个输赢,更重要的是,大家真的很想知道:这个世界究竟是什么?

然而,实验难度真的很大。首先,所谓的左旋右旋,只是为了说明一对纠缠的粒子方向相反,它并不真的一个向左,一个向右,一目了然,而是任何方向都有,你怎么测?其次,粒子速度快,分手后运动方向不确定,它们又小到不可捉摸,你怎么测?第三,实验要求俩粒子分手一段距离再测,我们的空间各种粒子乱窜,无数干扰纷繁微妙,你怎么测?第四,就算前面的问题都搞定了,你又怎么判断,左右旋是分手时就已经确定的,还是你观测时骚扰坍缩的?技术难题多了去了??

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