波函数之争:虚拟的工具,还是真实的存在?

作者 / 管理员 ·2016-11-23 物理学
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《Doctor Strange》中的平行世界是否存在?未来波函数或许可以给我们答案

本文原载于《环球科学》,未经允许请勿转载。

撰文 泽亚·梅拉利(Zeeya Merali)

翻译 丁家琦

欧文·马罗尼(Owen Maroney)担心,物理学家研究了大半个世纪的量子力学根本上就是个骗局。

马罗尼自己就是英国牛津大学的一位物理学家。他说,自从物理学家在20世纪初期提出了量子理论后,他们一直为量子力学的奇异性困惑不已,比如,粒子和原子怎么能同时朝多个方向运动,或者同时拥有“顺时针”和“逆时针”两个方向的自旋呢?不过,马罗尼也知道,讨论并不等于证明:“如果我们告诉大众量子力学很‘奇怪’,就最好用实际行动来证明这一点,不然这就不是科学,只是在黑板上解释一些花里胡哨的符号罢了。”

正是这个想法,促使马罗尼和其他科学家一同设计了一系列新的实验,以揭示波函数的本质。“波函数”这种神秘的东西正是量子奇异性的核心:在论文里,它仅仅是一个数学对象,物理学家用希腊字母“Ψ”(读作“普赛”)来表示它,用来描述粒子的量子行为。在不同的实验中,波函数可以帮助我们计算出在某个特定位置观察到一个电子的概率,或是它的自旋向上还是向下的概率。然而,数学并不能告诉我们波函数到底是个什么东西:它是物理上存在的吗?抑或仅仅是个数学上的计算工具,帮助我们在对世界一无所知的情况下解决实际问题?

解决这个问题需要开展极其精妙而复杂的实验,且目前还没得到确定的答案。但科学家乐观地认为,他们离问题的解答已经越来越近了。如果尘埃落定,就意味着这些数十年来悬而未决的问题终于有了答案:一个粒子真能同时处于多个位置吗?宇宙是不是每时每刻都在分出不同的平行世界,每个平行世界都有另一个我们?客观现实”这种东西,真的存在吗?

“这是我们每个人都不可避免要问的根本问题:到底什么才是真正真实的呢?”澳大利亚昆士兰大学的物理学家亚历山德罗·费德里齐(Alessandro Fedrizzi)说。

对“真实世界”本性的争论在量子力学建立之初就开始了,当时物理学家刚刚意识到粒子与波如同一枚硬币的正反面一样,只是物质的两种表现形式。一个经典的例子便是双缝实验:把电子一个接一个地射向有两道狭缝的挡板。电子似乎跟光波一样,会同时穿过两道狭缝,在挡板另一侧留下了干涉条纹。1926年,奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)发明了“波函数”这一概念来描述这类行为,并提出一个方程(即薛定谔方程),让物理学家在任何给定的条件下都能计算出粒子的波函数。然而,不管是薛定谔本人,还是其他物理学家,谁都说不出波函数的本质是什么。

波函数的本质

从实际的角度讲,波函数的“本质”是什么并不重要。教科书上通常采用的量子力学的哥本哈根诠释,是在20世纪20年代由尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)和维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg)主导建立的。这种解释仅仅把波函数看做用来预测观测结果的数学工具,并警告物理学家不要过多地思考它背后代表的究竟是怎样的实体。“你不应该指责大多数物理学家遵循这种‘少废话,直接算’的精神,正是这种策略带来了核物理、原子物理、固体物理和粒子物理领域的巨大进步,”比利时天主教鲁汶大学的统计物理学家让·布里克蒙(Jean Bricmont)说,“所以大家都认为我们应当把大问题先放在一边。”

但还是有物理学家关心着这些“大问题”。20世纪30年代,阿尔伯特·爱因斯坦拒绝接受哥本哈根诠释,主要是因为哥本哈根诠释认为两个粒子的波函数可以互相纠缠,对处在纠缠态中的一个粒子进行测量,会在瞬间改变另一个粒子的状态,哪怕两个粒子相隔千里。爱因斯坦不相信这种“幽灵一般的”远距离相互作用,宁愿认为粒子的波函数不够完备,比方说测量结果是由一种“隐变量”决定的,只是量子理论还没有找到它。

而后续的实验陆续表明,这种“幽灵般的”行为还相当真实,从而排除了爱因斯坦推崇的几种“隐变量”理论。但这并没有妨碍其他物理学家提出他们自己的诠释,这些诠释大致上可以分为两类:第一类观点与爱因斯坦的相同,即“波函数代表着我们的无知”——哲学家称之为“Ψ认识论”模型;第二类观点则认为波函数就是一种实体,即“Ψ本体论”模型。

们可以通过一个思想实验来体会一下这种区别,这个实验是薛定谔在1935 年提出的:想象一只猫被关在铁盒子里,铁盒子里有一块放射性材料,在每小时内有50%的可能性放射出一个衰变产物;旁边有一个仪器,一旦接收到衰变产物,就会立刻释放毒药把猫毒死。由于放射性衰变是量子事件,在一个小时以后,盒子内部的波函数必然是活猫与死猫两种情况的等量混合。Ψ认识论认为,盒子里的猫要么死,要么活,必居其一;而Ψ本体论认为,直到打开盒子之前,猫都是既死又活的。

争论到了这里就停滞不前了:量子理论各种各样的诠释中,到底哪个是正确的呢?要通过实验回答这个问题是非常困难的,因为各个模型之间的区别非常细微:毕竟,它们预言的结果必须要与哥本哈根诠释所解释的量子现象完全相同。昆士兰大学的物理学家安德鲁·怀特(Andrew White)说:“这个问题就像一座大山横亘在面前,没有立脚点可供我们翻越”。

2011年,事情开始有了转机,一篇论文提出了一条关于量子测量的定理,看似排除了所有“波函数无知论”的模型。虽然经过仔细推敲,该定理还是能给这类理论留下存活空间,但这启发了物理学家开始认真思考怎样用实验来检验波函数的真实性。马罗尼设计出了一个理论可行的实验,他和同事马上找到了实现的方法。去年,费德里齐和怀特等人完成了这个实验。
为了理解该实验背后的思想,我们可以想象两叠扑克,其中一叠的花色都是红色的,另一叠只有A。“你要做的事情就是拿到一张牌,然后猜它是从哪一叠里来的,”同样来自昆士兰大学的物理学家马丁· 林鲍尔(Martin Ringbauer)说,“如果这张牌是红桃A,你当然没法确定它来自哪一叠。但如果知道了两叠牌各自花色和点数的分布情况,至少就能算出这种模棱两可的情况发生的频率有多高。”

实验证据

在量子系统中,也会有类似的模糊情况发生,比方说,单次测量很难确定光子的偏振方向。“在实际生活中区分南方和东南方向很容易,但在量子世界里就没那么容易了,”怀特说。根据标准的哥本哈根诠释,问单个光子的偏振方向如何是没有意义的,因为这是个没有答案的问题——或者说,在下一次测量确定它的偏振方向之前是不存在答案的。而“波函数无知论”则认为,这个问题仍然是有意义的,只不过我们从单次测量中不能获得足够的信息来回答这个问题——就像拿到红桃A 的牌一样。在扑克的例子中,我们可以通过研究两叠牌的花色点数来确定“无知”能在多大程度上解释模糊性,并与标准理论所带来的更大的模糊性相比较。

费德里齐小组做的实验,本质上就是这个原理。他们测量了一束光子的偏振和其他特征,发现它们“重叠”的程度已经超过了“无知”模型所能解释的范围。也就是说,实验结果支持的是与之对立的观点:如果存在客观现实,那么波函数就是真实存在的。德国波恩大学的物理学家安德烈亚·阿尔贝蒂(Andrea Alberti)说:“这个小组用非常简单的实验解决了一个深刻的问题,实在令人钦佩。”

不过,这实验结果也不是牢不可破的:由于探测器只能探测到实验所用总光子数的五分之一,研究人员只能假设剩下的光子与探测到的光子表现是一样的。这可是个很大胆的假设,所以研究小组正在努力缩小采样间隔以使实验结果更加可靠。同时,马罗尼在牛津大学的团队正和澳大利亚新南威尔士大学的团队合作,对离子进行类似的检验,因为离子比光子更容易追踪。“在将来的6 个月以内,我们就能得到滴水不漏的结果了,”马罗尼说。

不过,即使实验成功,证明了“波函数即是现实”的模型正确,该观点下面还有许许多多种理论,实验科学家仍然需要通过实验找出正确的那一种。

最早的波函数实体论诠释来自20世纪20年代,是由法国物理学家路易·德布罗意(Louis de Broglie)提出的,到20世纪50 年代,美国物理学家戴维·博姆(David Bohm)又加以扩充。德布罗意的模型认为粒子有确定的位置和性质,但受到某种“导航波”(pilot wave)的引导,而“导航波”常常就是波函数。这一理论能够解释双缝实验,因为“导航波”可以同时穿过两条狭缝,在另一端产生干涉条纹,尽管它所引导的电子只能穿过其中的一条狭缝。

2005 年,德布罗意-博姆力学从意料之外的来源获得了实验支持。现任职于巴黎朗之万研究所的物理学家埃马纽埃尔·福尔(Emmanuel Fort)和巴黎七大的伊夫· 库代(Yves Couder)当时在带本科生的实验课,他们给学生提出了一个他们自己认为很简单直接的任务:设计一个实验来研究装满油的托盘受到振动时,滴落到托盘中的油滴是怎么融入的。然而,让每个人都意想不到的是,当托盘达到特定的振动频率时,油滴周围会形成波纹。“这些油滴是自己带动自己的:它们自身产生的波推动自身前进,”福尔说,“我们看到的就是所谓的波粒二象性——一个粒子被波带动。”

从那以后,福尔和库代又发现这类波也能在双缝实验中引导粒子通过双缝,并能模拟其他量子现象,就跟“导航波”理论所预测的一样。福尔提醒大家这并不能证明“导航波”在量子世界实际存在,但确实展示了原子尺度下的“导航波”是怎样发挥作用的。“人们曾经以为这类效应在经典条件下是不可能发生的,而我们现在证明它们的确会发生”。

另一类波函数实体论模型出现于20世纪80年代,它们解释了为何宏观物体和微观物体的性质如此迥异。“为什么电子和原子能在同一时间出现在不同的地点,而桌子、椅子、人和猫不行呢?”意大利里雅斯特大学的物理学家安杰洛·巴西(Angelo Bassi)如此问道。这类理论被称为“坍缩模型”,认为单个粒子的波函数是真实的,但可能自发地失去量子特性,把粒子限制在一个确定的位置。模型把单个粒子“坍缩”的概率设为无穷小,因此在原子尺度上,量子效应占主导地位;但随着粒子数增加,坍缩概率呈天文数字上升,因此宏观世界就失去了量子特性,表现出经典性质。

检验这个想法的一种办法,是在更大的物体中寻找量子行为。如果标准的量子理论是正确的,量子世界与经典世界之间就不会存在一个“界限”。物理学家已经用较大的分子实现了双缝干涉实验。但如果坍缩模型是正确的,量子效应在物体质量超过某一个值以后就不再出现了。很多研究组都在寻找这样的界限,用冷原子、分子、金属团簇和纳米颗粒等等,他们希望能在10年内得到结果。“这些实验的激动人心之处在于,我们将会以从未有过的高精度对量子理论进行检验,”马罗尼说。

平行世界

最出名、也最受科幻作家青睐的波函数实体论模型,当属“多世界诠释”,它是20 世纪50 年代由当时在普林斯顿大学读研究生的休·埃弗里特(Hugh Everett)提出的。在多世界诠释描绘的图象中,波函数深刻地主宰着现实世界,以至于每作出一次测量,宇宙都分裂成两个或以上的平行世界。换句话说,当你打开薛定谔的猫所在的盒子时,会产生两个平行世界:一个世界中猫是活的,另一个世界中猫是死的。

把埃弗里特的多世界诠释同标准的量子理论区分开是很困难的,因为它们预测的现象完全相同。但去年澳大利亚格里菲斯大学的霍华德·怀斯曼(Howard Wiseman)及其同事设计出了一个可以检验的多重宇宙模型。他们的理论框架中并不包含波函数:粒子遵循像牛顿运动定律这样的经典定律,而量子力学中的奇异效应则来自于各平行宇宙中同一粒子之间的相互排斥作用。“这样的排斥力产生了贯穿所有平行世界的波纹,”怀斯曼说。

怀斯曼他们用计算机模拟了多达41个相互作用的平行世界,表明这一模型可以粗略地产生出一些量子效应,包括双缝实验中粒子的轨迹。平行世界数目增加时,干涉条纹也越来越接近标准量子理论。怀斯曼说,由于该理论在平行宇宙数目不同时预测的结果不同,所以他们应该能够设计出方法来检验该理论是否正确——或许根本就没有波函数,现实是完全经典的。

因为怀斯曼的模型根本就不需要“波函数”这一概念,所以哪怕未来的实验完全剔除了“无知论”模型,它仍然可能成立。同时也能成立的还包括像哥本哈根诠释这样的模型,它们坚持认为客观真实并不存在,真正存在的只有测量。

不过怀特说,那可是项终极挑战。尽管现在还没人知道该怎么做,但“设计一项实验来检验客观现实是否真正存在,必将是十分激动人心的。”

本文作者泽亚·梅拉利是英国伦敦的一位自由科学撰稿人。

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