嬰兒們可能數(shù)學(xué)不好,但他們卻驚人的擅長(zhǎng)量子力學(xué),至少是在某些特定方面。舉個(gè)例子,躲貓貓的游戲在嬰兒看來十分有趣,因?yàn)樗麄內(nèi)狈腕w永久性,當(dāng)你把臉藏在手后時(shí),嬰兒不會(huì)認(rèn)為你還存在,而當(dāng)你把手拿開露出臉時(shí),他們會(huì)認(rèn)為你憑空出現(xiàn)了,這對(duì)他們來說當(dāng)然是非常好玩的事情(對(duì)成人來說無聊透頂)。
但是孩子們很快就會(huì)明白,事物并不會(huì)無緣無故地出現(xiàn)或者消失,等他們長(zhǎng)大后學(xué)習(xí)物理,客體永久性的概念已經(jīng)根深蒂固,以至于基礎(chǔ)物理都不用再對(duì)其進(jìn)行講解,而這種人為在我們不看它時(shí)宇宙依然存在的思想,是所有物理學(xué)中一個(gè)最基本的隱含假設(shè),確實(shí)有多數(shù)的科學(xué)理所應(yīng)當(dāng)?shù)卣J(rèn)為不管我們是否在看它,宇宙始終真實(shí)存在,這種宇宙獨(dú)立于觀測(cè)者意識(shí)而存在的概念在物理學(xué)中叫做實(shí)在論。
但是量子力學(xué)是如此怪異,以至于有科學(xué)家在猶豫我們是否應(yīng)該摒棄這一最基本的前提,這也是量子力學(xué)開端時(shí)最激烈辯論之一的來源。
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一方面尼爾斯-玻爾堅(jiān)持認(rèn)為,不加觀測(cè)而賦予宇宙以現(xiàn)實(shí)是沒有意義的,因?yàn)樵跊]有測(cè)量時(shí),量子系統(tǒng)只存在為一個(gè)所有可能屬性的模糊混合,我們稱之為疊加態(tài)。在沒有觀測(cè)時(shí),描述著一疊加態(tài)的波函數(shù)是對(duì)現(xiàn)實(shí)的完整描述,我們熟知的確定的物質(zhì)宇宙只有在觀測(cè)的時(shí)候才有意義,這種時(shí)有時(shí)無的宇宙是玻爾哥本哈根詮釋的核心。
而另一邊,阿爾伯特-愛因斯坦堅(jiān)持認(rèn)為現(xiàn)實(shí)是客觀的,現(xiàn)實(shí)獨(dú)立于我們對(duì)其的觀測(cè)之外,他堅(jiān)持認(rèn)為波函數(shù)乃至量子力學(xué)只是不完整,必然存在著所謂的隱變量來反映更加物質(zhì)實(shí)在的現(xiàn)實(shí)。
為了說明玻爾想法的愚蠢,愛因斯坦以及玻爾多斯基和羅森提出了一種量子情景,其中顯示,要摒棄實(shí)在論假設(shè),則必須要摒棄另一個(gè)近乎神圣的觀念:定域性。定域性認(rèn)為宇宙中的每一點(diǎn)都只能與其相鄰位置發(fā)生作用,這是愛因斯坦相對(duì)論的基礎(chǔ),它說明了因果鏈的傳播速度不會(huì)超過光速。
愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論,簡(jiǎn)稱EPR悖論,引入了量子力學(xué)中最神秘的想法之一,量子糾纏。當(dāng)兩個(gè)粒子短暫作用后,它們相互影響彼此,使得它們的各屬性以某種方式相聯(lián)系,我們不測(cè)量這些粒子就能一直保持其不確定性,量子力學(xué)要求我們用單一的組合波函數(shù)來描述整個(gè)粒子對(duì),這個(gè)波函數(shù)包含了每個(gè)粒子的所有可能狀態(tài),這樣的兩個(gè)粒子稱為一個(gè)糾纏對(duì)。
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根據(jù)哥本哈根詮釋,對(duì)某個(gè)粒子的任何測(cè)量都會(huì)自動(dòng)使整個(gè)糾纏波函數(shù)坍縮,進(jìn)而影響另一個(gè)粒子的測(cè)量結(jié)果,這是一種理論上可以在任何距離間瞬間傳遞的影響,甚至逆時(shí)傳遞。這違背了定域性,甚至有可能違背了因果律,愛因斯坦等人認(rèn)為這太愚蠢了,他們認(rèn)為宇宙每個(gè)特定點(diǎn)必然是真實(shí)而存在的,并且是可知的量,其影響絕不會(huì)超過光速。
在當(dāng)時(shí),玻爾和愛因斯坦間的爭(zhēng)論聽起來有點(diǎn)哲學(xué)意味。但是在1964年,愛爾蘭物理學(xué)家約翰-斯圖爾特-貝爾提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來解決這一爭(zhēng)論,其中用到了糾纏的電子和正電子對(duì),當(dāng)一從一個(gè)光子中同時(shí)產(chǎn)生時(shí),這兩個(gè)粒子的自旋方向總是與另一個(gè)相反。然而,在測(cè)量前我們不知道任何粒子的自旋方向,只知道它們旋轉(zhuǎn)方向相反,它們的波函數(shù)因此也是糾纏的。對(duì)其中一個(gè)粒子旋向的測(cè)量也就告訴了我們另一個(gè)的旋向,不管它們之間的距離有多遠(yuǎn)。
但是在量子力學(xué)中,測(cè)量實(shí)際上會(huì)影響你所測(cè)量的東西。拿量子旋向來說,測(cè)量的影響尤其詭異,我們是通過轉(zhuǎn)軸來定義旋向的,其轉(zhuǎn)軸可以指向任何方向,但為了測(cè)量旋向,我們需要選擇一個(gè)方向來放置測(cè)量?jī)x器,我們總是發(fā)現(xiàn)被觀測(cè)的量子旋向與我們所選的測(cè)量方向是對(duì)齊的,如果我們選擇垂直方向測(cè)量,那么旋向?qū)?huì)是向上或向下;如果我們水平地測(cè)量,旋向則是向左或向右,測(cè)量迫使被測(cè)粒子的旋向?qū)R。
但是這種測(cè)量又是怎么影響其糾纏對(duì)象的旋向的呢?
其答案將會(huì)解決玻爾愛因斯坦之爭(zhēng)。情形一,愛因斯坦是對(duì)的,設(shè)想每個(gè)粒子在所有時(shí)刻的旋向測(cè)量結(jié)果,都在其產(chǎn)生的時(shí)候就作為隱變量獨(dú)立存在于其自身內(nèi)部,之后我們對(duì)其中一個(gè)粒子的任何操作都不會(huì)對(duì)另一個(gè)粒子產(chǎn)生影響。當(dāng)我們之后再測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子的旋向,兩者的結(jié)果有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因?yàn)樗鼈冎g曾經(jīng)存在關(guān)聯(lián),但與我們測(cè)量方向的選擇沒有關(guān)聯(lián)(也就是說兩粒子旋向的測(cè)量結(jié)果可能相反也可能相同)。
情形二,玻爾是對(duì)的,在產(chǎn)生與被測(cè)量之間電子和正電子只以包含所有可能狀態(tài)的波函數(shù)形式存在,這樣的話,對(duì)某一個(gè)粒子旋向的測(cè)量,會(huì)使整個(gè)波函數(shù)坍縮為具體的固定值,兩個(gè)粒子于是在我們所選擇的測(cè)量方向上顯示為相反的旋向,這樣的話,我們?yōu)榍耙粋€(gè)粒子的測(cè)量方向與之后測(cè)量的另一個(gè)粒子的實(shí)測(cè)旋轉(zhuǎn)方向會(huì)存在關(guān)聯(lián)(也就是說兩者的旋向結(jié)果必然相反),這也正是讓愛因斯坦無比頭疼的幽靈般的超距作用。
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因此約翰-斯圖爾特-貝爾得出了一系列可觀測(cè)的結(jié)果,即所謂的貝爾不等式,以期望證明愛因斯坦是正確的,或者量子力學(xué)是需要定域隱變量的。
但如果一個(gè)糾纏實(shí)驗(yàn)違背了貝爾不等式,那么定域?qū)嵲谡撘脖贿`背。實(shí)驗(yàn)很難進(jìn)行,因?yàn)榧m纏量子態(tài)很難產(chǎn)生,更難維持,任何作用都會(huì)破壞糾纏狀態(tài)。
但是在上世紀(jì)80年代,法國(guó)物理學(xué)家阿蘭-阿佩斯成功了,他使用的不是自旋糾纏的電子和正電子對(duì),而是偏振糾纏的光子對(duì),偏振就是光子電磁場(chǎng)的指向,其原理是相似的。
阿佩斯發(fā)現(xiàn),對(duì)一個(gè)光子選擇的偏振測(cè)量方向,與其糾纏對(duì)象最終測(cè)得的偏振方向間存在著關(guān)聯(lián),貝爾不等式被違背了!這個(gè)實(shí)驗(yàn)甚至經(jīng)過設(shè)計(jì),使得糾纏光子之間的影響只能以超光速傳播(也就是說,最低速度都比光速還要快)!在那之后,眾多的實(shí)驗(yàn)在不斷增大的尺度上驗(yàn)證了這一結(jié)果,科學(xué)家們甚至在數(shù)公里的尺度上觀察到了那種瞬時(shí)影響。
現(xiàn)在我們已經(jīng)徹底確認(rèn)貝爾不等式被違背了,也說明了波函數(shù)不可能存在定域隱變量。那么這是否證實(shí)了哥本哈根詮釋,并同時(shí)否定了定域性和實(shí)在性呢?我們真的生活在一個(gè)時(shí)有時(shí)無的宇宙,在我們不看它是舊消失于量子抽象之中?
那些糾纏實(shí)驗(yàn)的結(jié)果似乎違背了定域?qū)嵲谡?,但這也可能只是違背了定域性或?qū)嵲谛云渲兄?。事?shí)上,貝爾博士自己認(rèn)為違背了他的不等式,否定的只是定域性,而實(shí)在性可以被保留。
非定域性要求糾纏粒子間瞬時(shí)影響,這在任何接受愛因斯坦相對(duì)論的人聽來都是褻瀆。然而,非定域性與相對(duì)論實(shí)際上是可以同時(shí)存在的。
相對(duì)論要求因果律維持,即信息不能超光速傳播,而所有那些糾纏實(shí)驗(yàn)中都沒有真正允許信息在粒子間傳輸,只是在測(cè)量后,且測(cè)量結(jié)果相互比較之后才可能看到糾纏粒子間的影響,宇宙似乎可以避免了信息超光速或逆時(shí)傳遞的悖論!
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哥本哈根詮釋仍然與所有量子觀測(cè)結(jié)果都相符,而玻爾那時(shí)有時(shí)無的宇宙可能正是我們生存的宇宙。但是看,只要摒棄定域性,實(shí)在論及隱變量也是合理的。比如,糾纏的粒子可能由愛因斯坦-羅森橋(蟲洞)相連,蟲洞允許遠(yuǎn)距離的瞬時(shí)作用。甚至還有實(shí)在性與定域性都不用犧牲的解釋,那就是多重宇宙詮釋,相信很多宇宙愛好者都有所了解!
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