|
我们要使用一些更现代的手段和更多的思辨，来深入探索量子世界的本质。我们会讲一些精妙的实验，我会尽我所能去除这些实验的技术细节，帮你直达其中的思想，但是我希望你也要多开动脑筋。这些都是值得的!在量子力学上花费过脑力，你就没辜负你的大脑和这个时代。 探索世界通常意味着要学习更多、更复杂的知识。比如说核武器和核电站是怎么回事，核聚变又是怎么回事?基本粒子都有哪些?它们的分类和性质都是怎样的?你就好像玩游戏打开新的地图一样，内容越来越丰富，每一关都有更多新的宝藏。量子力学的上半场就是这样的：我们从一朵乌云出发，竟然解释了世间万物为什么是这个样子。 这回不是开新地图了，而是破案：我们要往深处走，看看能不能挖掘出来其中的秘密。 这个探索方向有点哲学味道，我们要问一个古今中外的思想家都追问过的问题—— 这个世界是真实的吗? 一个怪异的世界观 我们设想你现在是刚刚穿越到地球。你睁开眼看了看周围的一切，图像和声音都很清晰，各种物体都有丰富的触感，还有人跟你互动……但是你仍然想问一个问题：这到底是真的，还是我在做梦呢? 可能有人觉得这个问题有点怪，真实世界和梦里的、或者游戏里的虚拟世界有区别吗?有区别。别的区别我不知道，但我知道一点关键区别。真实世界，是客观的存在；虚拟世界，则是为了你而存在。 比如说月亮。真实世界里的月亮，哪怕是在白天，你看不到它的时候，它也是在兢兢业业地存在着。它该怎么运动还怎么运动，它上面的每一粒灰尘都得一丝不苟，对吧?但虚拟世界就不是这样。游戏只会渲染你的屏幕上显示的场景。游戏里有一片森林，如果此时此刻没有玩家在那个森林里，系统就不会制造那个森林的视觉效果，更不会费力去模拟什么一片树叶被风吹落这样的场景。虚拟世界里的月亮，当没有人看它的时候，它就不存在——或者至少也是跟有人看的时候不一样的存在，对吧? 事实上你完全从怀疑眼前这个世界就是虚拟的。王阳明不有句话吗?「你未看此花时，此花与汝心同归于寂。你来看此花时，则此花颜色一时明白起来。」你看这像不像说花是游戏为了你而临时渲染出来的?叔本华说整个宇宙都可能是“婆楼那神”施展幻术制造的一个假象，是“摩耶之幕”。笛卡尔也怀疑，如果“我”没在思考、走神儿了或者睡着了的时候，那个“我”可能就不存在。这些都很有道理，不过这些思想家的弱点在于他们这些假设都是不可证伪的，你信也行，不信也行，你总归是没有证据。 而现在我要说的是，量子力学给这个问题提供了新的视角。而量子力学是可以证伪的。 我们想象这么一个场景。你找两枚一块钱硬币，一枚是2019年、另一枚是2020年制造的，它们除了写的年份不同，其他都完全相同。你把两手虚握在一起，把两权硬币放在手心里摇几下，然后分开，手各握紧一枚硬币。 现在请你闭上眼睛想想，接下来发生的到底是什么。 你本来不知道哪个手拿的是哪枚硬币。你打开左手，发现左手中是2019年的硬币。于是你马上就知道，右手中的必定是2020年的硬币。 这件事很平常，但是它可以有两种解释。 第一种解释是当你的左右手分开之后，在你打开左手查看之前，哪个硬币在哪只手里这个结果就已经确定了。你后来看到左手里是2019年的硬币，只不过是因为你左手里“本来”就是2019年的硬币——这个结果跟你“看”这个动作没关系。如果事情是这样的，我们就可以说这个世界是个“客观实在”。这也就是我们的“经典”世界观。 第二种解释则是量子世界观。也许当你的左右手分开之后，在你打开左手查看之前，哪个硬币在哪只手里是……尚未确定的。是你打开左手的同时，左手的硬币才瞬间“变成”了2019年的硬币。然后它瞬间发通知给右手的硬币，说我这边已经变2019年了啊，你那边再亮相只能是2020年的!右手的硬币得知这一消息，表示遵从，所以当你再打开右手的时候，里面一定是2020年的硬币。 你看这个量子世界观是不是给人一种强烈的虚拟感。跟经典世界观相比，它的怪异之处有两点。 第一，硬币的年份，这个属性，是因为你的观测才被临时确定的。在你打开左手查看之前，不仅仅是你“不知道”它的年份，而是它根本就“没有”“年份”这个属性。 第二，左手硬币确定自己年份属性的一刹那，竟然给右手硬币传递了一个消息，而且右手硬币瞬间收到了并且采取了行动。 这可能吗?硬币那么大的东西的确不太可能是这样的。但是我们将要证明，微观世界里的东西，比如光子和电子，就是这样的。 “隐变量”和“鬼魅般的超距作用” 我们前面讲了，量子力学认为，一个电子必须同时通过两个缝，自己跟自己发生干涉，才能在屏幕上产生干涉条纹。这意味着在你测量之前，电子的位置是个“叠加态”：没被观测的电子根本就没有明确的“位置”，是你后来非要观测它的位置，给它观测出来一个位置。同样地，电子原本“没有”自旋，是你非得沿着某一个方向测量，才给电子测量出来了一个这个方向上的自旋。 而测量的结果则是完全不确定的。为什么这个电子落在了屏幕上的这个地方而不是别的地方?为什么这次的自旋是向上的?没有原因。两个铀原子摆在你面前，5分钟后其中一个衰变了，另一个没有衰变，这是为啥呢?量子力学认为其中没有任何原因，这是一个纯粹的随机事件。 但是经典世界观的支持者可不这么想。爱因斯坦会告诉你，两个原子之所以一个衰变了一个没衰变，是因为它们身上存在某种不一样的地方，是你所不知道的。电子的自旋也好，电子古怪的干涉行为也好，背后都有一些更细微的、隐藏的因素在起作用。就好像天气预报说“明天下雨的概率是30%”，这并不是说下不下雨是完全随机的，而只不过是因为我们的信息搜集和技术手段不够全面：如果你像上帝一样是全知全能的，你了解所有的相关因素，你完全可以准确预测明天是否下雨。 这就是所谓“隐变量”观点。隐变量观点认为电子跟日常生活中的物体是一样的，它的位置、动量、自旋这些特性可以根据某些隐藏的变量随时变化，但是一直都明确存在：只是因为你没有抓住那些隐变量，你才以为结果是随机的。爱因斯坦有句名言说：你真的以为没人看的时候月亮就不存在吗? 这两种世界观的直接碰撞，就是我们上一讲说的，1935年，爱因斯坦和玻尔最后一次论战中提出的那个“EPR佯谬”。我再用最简单的语言把这个佯谬给你捋一遍。比如我们把两个原本在一起、相互关联的两个电子，分开，一个往南走，一个往北走。它们一开始的总角动量是0。当它们的距离已经很远的时候，你测量一下南边这个电子的自旋，得到了自旋向下的结果。那么根据角动量守恒，北边电子自旋一定是向上的。 这就跟我们刚才说的两枚硬币的操作是一样的。对这件事可以有两种解释。 量子力学的解释是南边的电子本来没有自旋，是你测量这个动作，随机地，给它带来了向上的自旋，于是北边电子瞬间获得了确定向下的自旋。 爱因斯坦认为这不可能。两个电子相隔这么远，怎么能这边变了那边马上就变呢?一个东西怎么能一瞬间就影响到千里之外——甚至无穷远之外的另一个东西呢?这不是“鬼魅般的超距作用”吗? 所以爱因斯坦的解释是这一切就好像猜硬币一样平常。两个电子一直都有自旋，根据某种隐变量，有时候这个向上那个向下，有时候这个向下那个向上，因为本来就一起变化，所以根本就无需协调。你以为你是碰巧才观测到了向上的结果，那只是因为你不了解隐变量。 这场争论当时悬而未决。两个解释好像都说的过去，人们想不到有什么办法能做实验证明。“鬼魅般的超距作用”，就好像非得说世界是虚幻的一样，似乎是一个难以证伪的理论…… 直到将近三十年后，才有人提出了一个证明方法。 贝尔让风云再起 约翰·贝尔(John Stewart Bell) 1928年出生于爱尔兰，爱因斯坦提出EPR佯谬的时候他才七岁。贝尔是欧洲核子中心的理论物理学家，主业是加速器设计。贝尔一直都对量子力学感兴趣，但是他不好意思跟人说。 为啥呢?因为在贝尔的当打之年，量子力学已经不是物理学的主流课题。几十年来又是第二次世界大战又是美苏冷战，原子弹让各国政府见识了物理学的威力，物理学家们一个个都炙手可热，拿着越来越多的经费不断开辟新地图，一边用加速器撞出了各种新的物理学一边用激光和半导体创造了各种值钱的应用。跟那些课题相比，量子力学显得又老气又小儿科…… 也许更重要的是，早在爱因斯坦发动最后一击之前的1932年，冯·诺依曼就出了一本书叫《量子力学的数学基础》，宣称从数学上严格证明了量子力学是对的，隐变量理论是错的。冯·诺依曼是什么人?那是大神中的大神，天才中的天才，聪明、勤奋、几乎无所不能而且风格优雅。据说冯·诺依曼博士论文答辩的时候因为穿着实在太讲究，有的老师居然忍不住打听他的裁缝是谁。冯·诺依曼说量子力学是个完整的理论，别的物理学家就认为问题已经解决了。 贝尔只是一个出身于贫困家庭的普通人，据说曾经因为交不起大学学费在物理系当过技术员，还得教授们借书给他看。他想问题很深，平时是个很安静的人，但是有时候喜欢跟人辩论。他在量子力学课堂上曾经直接说老师不诚实。贝尔发现冯·诺依曼的书里有个关键错误。贝尔说，「冯·诺依曼的证明不仅是虚假的，而且是愚蠢的!」贝尔认为必须验证EPR佯谬才算真正证明了量子力学。 1964年，贝尔在休假中写了一篇论文，提出了验证EPR佯谬的方法。他甚至不敢把论文发到主流的物理期刊，特意发到了一个不太著名的期刊中。 这篇论文还是被很多人看到了，但是并没有产生石破天惊的效果。直到八年之后，才有人做实验证实了贝尔的理论，但即便是这样也没成为热门话题。大概是上世纪九十年代以后，主流物理学突破的速度越来越慢，物理学家的兴趣开始变分散，人们才重新对量子力学产生兴趣。今天任何一本讲量子力学的书都要提到贝尔那个证明。 贝尔从来没跟人说过他是怎么想到那个证明的。那真是一个巧夺天工的证明。  |
|
|
