[智悲翻译]第二次量子革命

The second quantum revolution

作者: 麦克尔·布鲁克斯

Michael Brooks

(译者按:本文简略介绍了围绕量子理论的定域性和实在性方面的思想发展史。2007年奥地利的物理学家们进行的量子力学实验,显示出物质没有客观实在性。两千五百多年前,佛陀在诸多的经典里宣说了万法虚妄不实、如梦如幻的教言,如《金刚经》云:“凡所有相,皆是虚妄”,《月灯三昧经》云:“如焰寻香城,如幻事如梦,观行相空寂,诸法亦复然。”现代物理学家们辛勤而智慧的工作,使我们从量子物理学的角度,稍许领略了佛陀教言的甚深意义。)

这个世界曾经是个简单得多的地方。大约一百年前,我们生活在一个很正常、经典的宇宙里,一切都合乎常情,没有什么奇怪的表现。随后,量子理论出现了。

突然间,事物的表现不再总是合乎一个理性的人的料想了。在原子和粒子这样的基本层次上,一个东西可以同时处于两个地方,它们甚至可以同时向两个不同的方向运动,而且,与此同时,它们仍然互相纠缠——以一种量子版本的心灵感应,通过某种方式即时地远程感知、影响对方。

使自己适应这个新的宇宙是个艰巨的任务。有些物理学家构想出复杂的哲学理论来论述其内涵。阿尔伯特·爱因斯坦则与此相反,众所周知,他认为量子纠缠像幽灵一般,因而断然否决。他确信量子纠缠不可能是真的,因为其潜在含义会造成更深层的影响:要想建构一个统一理论,把量子力学、相对论和其他物理理论结合起来,则必须把这个纠缠的离奇性质和相对论的更实际的时空观统一起来。但这些似乎太难了。

他始终未曾放弃万有理论(a theory of everything)。爱因斯坦后半生一直在构想一个大统一的宇宙,但没有成功。他也在继续独自试图解决量子的幽灵特性。对多数物理学家来说,如果想设计一个激光器或晶体管,那么量子理论很有用,但若要对它深究则行不通。

这种态度甚至在那些想理解宇宙深层机制的人士当中也颇为普遍。因此,在对统一理论的探求中,量子理论的基础,即它对粒子、场和现实本身的描述所基于的假设,被搁置到次要位置。“爱因斯坦坚信,解决量子力学这些基础问题对于解决统一的问题来说是必不可少的,但他的这个信念被埋没并丢失了。”加拿大沃特卢的圆周研究所的李·斯莫林说(Lee Smolin of the Perimeter Institute in Waterloo, Canada)。

但一度失去的现在又找回来了。其复活的核心原因是,越来越多的结果显示出纠缠对我们的现实观有着深刻的暗示。最近,奥地利的维也纳大学的一个小组领导的试验,提供了迄今最有说服力的证据,证明在我们的所见之外,并没有客观现实。我们的观测造就了现实。

这个观点很有争议,也不算新。但越来越多的证据可能会给万有理论的探索带来很大的潜在影响。如法国巴莱佐光学研究所的阿莱因·阿斯派克特(Alain Aspect of the Institute of Optics at Palaiseau in France)所说,事实上我们现在正处于“第二次量子革命的概念性的开端。”

首次量子革命始于1920年代。爱因斯坦认为量子力学的很大的问题是,它与所有其他物理理论所支持的直觉相抵触。在我们的经验里,物体在空间中有明确的位置,以及有限的作用范围。然而根据量子理论,尽管一对粒子的时空间隔使得信号还未及在其间传递,但它们仍然能够共享关于其量子状态的信息,并且有时还会互相改变。

爱因斯坦因此觉得在描述物理现实方面,量子力学缺少了什么东西。他认为,并非是粒子之间通过幽灵般的关联共享状态信息,而仅仅是我们不知道何处能找到决定它们的诸如动量值等的因素。

爱因斯坦说,若找到这些“隐变量”,则所有这些神秘的幽灵特性都将冰消瓦解,取而代之的将是一个运作于符合常情的规则之下的量子理论。

不出所料,爱因斯坦并没有就此停手,他构想出一个数学形式的论据来加强其观点。他与波里斯·波多斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)合作,向量子阵营发出挑战书。

1935年,这三位理论家发表了爱因斯坦-波多斯基-罗森思想实验,即EPR。它说,如果量子理论是正确并完备的,你应该能做出这样一个实验:

对一对纠缠的粒子中的一个进行观测时,应该能即刻影响到它远程孪生兄弟的量子状态。在当时,这看上去违反了公认的物理定律,因此对能否认为量子力学完备地描述了现实,提出质疑。

咬牙切齿之声和胜利的欢呼声随之而来。也在试图解决量子力学问题的埃尔温·薛定谔兴高采烈地对爱因斯坦说,这篇EPR论文扼住了量子理论的“咽喉”。但是,没有人知道怎么真正实现这个思想实验。

于是,这两大阵营——其中爱因斯坦的对手以令人生畏的丹麦物理学家尼尔斯·波尔(Niels Bohr)为先锋——在接下来的二十多年里进行了激烈的交锋。

1964年,即爱因斯坦去世的九年之后,约翰·贝尔(John Bell)找到一个测试EPR的方案。如爱因斯坦一样,他也相信直观的“定域实在论”:即一个粒子不可能即时地被一个远处的事件影响,而且它的属性独立于观测而存在。

贝尔推导出一个数学公式,它量化地说明了,如果你对一对纠缠粒子进行观测时,会得出什么结果。如果定域实在论是对的,那么对两个纠缠的粒子各自做出的观测之间的关系,不会超出某一个量,原因是粒子间的相互影响是有限的。至此,进行一个明确实验的舞台已经搭好。

多年之后,阿斯派克特在巴黎大学他的地下实验室里建造了所需的设备,而到了1982年,他得到了结果:贝尔公式与量子实验不一致(《新科学家》杂志,1990年11月24日,43页)。

阿斯派克特宣告,这个世界不可能既是定域的又是实在的——爱因斯坦错了。但是选哪一个:实在论还是定域性(realism or locality)?粒子仅在观测时才获得实际的属性,还是,粒子之间可以有远距离的即时相互影响?

答案本来可以从另一个来源得到。早在阿斯派克特进行他的实验之前的1976年,物理学家安东尼·莱格特(Anthony Leggett)想出一个他称为“内核”(the kernel)的办法修改贝尔公式,把它作一个扭转:

他量化了可能得到的实验结果,即,假如远程、即时的作用可能的话,当你观测纠缠的粒子时会得到什么结果。莱格特后来在2003年发表了这个公式,就是这一年他为他在氦-3的量子属性方面的工作获得了诺贝尔物理奖。

我们来看一个由奥地利和波兰的物理学家组成的小组,他们现在已经完成了关于纠缠光子的实验以检验莱格特公式(Leggett’s formula)(详见“实在性的终结”)。这个小组由奥地利科学院的马库斯·阿斯佩尔迈耶(Markus Aspelmeyer of the Austrian Academy of Sciences)和维也纳大学的安东·蔡林格(Anton Zeilinger of the University of Vienna)领导。

与阿斯派克特的工作相比,他们成功地把他们的系统噪声降低所需的十倍。他们在四月份发表了实验结果(《自然》杂志,446卷,871页)。

他们发现,莱格特公式也违反了:即便你允许即时的作用,量子实验的结果还是与客观实在性的观念不符。这是很令人惊讶的,因为你也许认为,只要允许幽灵般的非定域行为,你就能解释两个粒子之间的几乎任何关联,如此则不必抛弃我们的真实性的概念。“并非如此。”阿斯佩尔迈耶说。

虽然还有一些漏洞——并非所有的非定域模型都已经排除——但我们现在不得不面对这样的可能性:我们所观测的目标的属性没有任何内在真实的东西。换句话说,对这些属性进行的观测本身使它们成为存在。

“我们并不是在被动地观察现实,实际上我们创造了它。” 量子研究者英国利兹大学的弗拉特科·费德拉(Vlatko Vedral of the University of Leeds, UK)说。

这个观点也许并非是新的,但是支持它的证据是新的。而且这可能会对万有理论带来重大影响:它告诉我们,我们原本以为是真实的不一定是真实的。阿斯佩尔迈耶(Aspelmeyer)说:“从我们的经验里,我们得知有一个‘真实’的世界,其中发生着‘真实’的物理事件——从一个实验室探测器的喀嗒声,到喝了太多啤酒后感到头疼等等。”他指出,但这并不意味着我们的物理理论也必须盲从这些经验——也许他们应该更深入地探究。

量子研究者们也许对此感到满意,但同时这也给探究宇宙大统一的人们带来深深的顾虑。广义相对论,即爱因斯坦关于引力的理论,是完全现实的,它依赖于独立于观测而存在的东西。

因此,对万有理论的探寻也许会比我们所预想的更加困难,它需要把量子物理和广义相对论统一起来。“怎么建构一个非真实的引力理论还毫无头绪,但如果我们想要把引力量子化的话,这又是我们必须做的。”费德拉说。

幽灵般的时空

如同爱因斯坦几十年前所提出的那样,“纠缠”也许是关键。阿斯佩尔迈耶说:“理解纠缠意味着理解物理理论的基础原理中的很大一部分。”他的维也纳同事布吕克纳(?Caslav Brukner)走得更远。

布吕克纳指出,在二十多年中,人们一直在说,物理学已经接近收尾了,结果我们反而似乎陷入僵局。他说:“我们需要重新思考,并从根本上修改我们的基本物理概念,这样才能在物理学上取得下一个大的突破。”

有些从事统一理论研究的物理学家对此有清醒的认识。斯莫林(Smolin)说,就“量子引力的新想法”而言,“非定域性当然是处于核心的”。他的专门领域,即环量子引力(loop quantum gravity),并不假定空间和时间表现为爱因斯坦的相对论所规定的那样(《新科学家》杂志,2006年8月12日,28页)。

他们允许幽灵般即时穿越时空的信号传递,同样,在研究类似模型时,也在重新考察量子力学基础的方方面面。比如,斯莫林与圆周(Perimeter)研究所的同事弗提尼·马可波罗(Fotini Markopoulou)在最近写的论文中指出,环量子引力也许与众所周知的纠缠概念相冲突(www.arxiv.org/abs/gr-qc/0702044)。

把这些研究转变为一个更深入的理论不会是一件易事。牛津大学的物理学家大卫·多伊奇(David Deutsch)警告说,即便我们重新审查纠缠,也未必会帮助我们找到万有理论的出路。根据多伊奇,阻碍我们的是比这个更基本的东西。

他说,纠缠是真的,但它所告诉我们的,更多的是关于信息如何从量子系统中提取,而并非关于这个物理宇宙的本质。他补充说,所有这些关于纠缠的哲学上的困扰都是基于这样一个“错觉”:

我们已经掌握了量子理论的根本。从经典世界跨出一大步并不等于我们已经抵达量子真理的中心。“定域实在论这个东西只是关于经典世界观是否可能,”多伊奇说,“但这是个毫无意义的争执,它早在1950年代就应该结束了。”

多伊奇的世界观显然是量子的,他对万有理论的看法是,它很有可能来自在更基础的层次上对量子理论和相对论进行统一,而不是在目前的纠缠实验所允许的这个层次上。

当然,这正是我们仍然在寻找线索的地方。“从根本上来说,整个这个问题的关键是,在量子和引力效应都有关系的领域中,我们缺乏实验观察,”费德拉(Vedral)说,“引力理论在其自己的领域中很出色,量子物理也是如此。”他说,我们需要确定的是,引力理论和量子理论哪一个更基本。

那么,宇宙独立于观测而存在吗?这是个我们必须面对的问题。如果我们真心地想揭示宇宙的基本原理的话,也许我们是该重新回到一度终止的爱因斯坦的探索上了。在诸如大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的粒子对撞机(particle smashers)上的花费也明确示意我们应该如此。

也许我们应该把量子纠缠和现实的本质移到对万有理论的探索的核心了。曾经显得怪诞的枝末事件也许将被证明是主要事件。

实在性的终结

想要证明你认为是真实的所有东西实际上并非真实吗?从一些常识性的假定出发:在人们观测某些东西之前,它们就具有真实的、可以观测的属性。然后尝试一个量子实验。

利用光子的极化。假定一个光子是极化的,它的电磁场沿一个很确定的方向振动。现在假定每一个光子的极化将造成一个可以预测的效应:当你把一个偏振镜放在光束前时,你可以预测所能得到的光的强度。

这些假设已经由奥地利维也纳大学马库斯·阿斯佩尔迈耶和 安东·蔡林格(Anton Zeilinger)的小组在一个里程碑式的实验中进行了检验(《自然》杂志,第446卷,871页)。

研究者们测试了从一个晶体发出的很多对纠缠的光子(见插图)。以前的实验观测的是处于一个平面上的极化,而阿斯佩尔迈耶的实验是三维的,这样可以排除更多的关于光子客观实在性的可能性。

这个实验的机制在于极化测量的和、差和乘积之间的一个数学关系,是由伊利诺大学香槟分校的安东尼·莱格特(Anthony Leggett of the University of Illinois, Urbana-Champaign)推导出来的。它简化为称为关联函数(correlation function)的一套结果,说明了对纠缠光子进行的相关的极化测量将会如何。

两个实验者,名为爱丽丝(A)和鲍勃(B),进行观测。爱丽丝可以选择把她的偏振镜置于两个角度之一,而鲍勃则可以选择三个角度之一。两人选择的极化平面都互相垂直。这样你就可以检验实在论——即粒子的状态存在于客观现实中的观点——以及非定域论,即粒子间可以有远程、即时作用的观点。

其中的机关是,看量子理论加上这些假设能否预言其关联。莱格特公式说明了不同观测结果的组合应该取决于爱丽丝和鲍勃所选的角度。如果预言与观测结果吻合,那么你的假设是对的。否则,你只有放弃你关于现实的观点。

“如果把所有所涉及到的理论都考虑进来,所允许的数值将限于一个确定的范围,”维也纳大学的一位研究者布吕克纳说,“如果测量值超出那个范围,你就知道自然界不能由那些理论描述。”

结果是,如果假定光子在观测之前就有明确的极化,则那些数字不符合期望值。但是,如果假定量子理论是对的,并且你只能统计性地描述属性,则与预言完美相符。这些研究者们认为,这意味着我们必须放弃客观实在性的观点。

“也许玻尔和海森堡结果是对的,”阿斯佩尔迈耶说,“物理学并没有告诉我们自然界是怎样的,它只告诉我们,关于自然界,我们能说些什么。”

文章来源:《新科学家》杂志 2007年6月23日

智悲翻译中心

翻译:圆杨

2011年12月11日