目前分類:量子物理史話 (60)

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  • Aug 19 Fri 2011 16:13
  • 後記

這個有關量子論的系列自去年開始動筆,其間因為各種原因(包括本人不可思議的懶惰),寫寫停停,到最後完成時用了正好差不多一年時間。最需要感謝的是讀者們異乎尋常的熱情和支持,不然我很可能半途而廢。

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在統一廣義相對論和量子論的漫漫征途中,物理學家一開始採用的是較為溫和的辦法。他們試圖採用老的戰術,也就是在征討強、弱作用力和電磁力時用過的那些行之有效的手段,把它同樣用在引力的身上。在相對論裡,引力被描述為由於時空彎曲而造成的幾何效應,而正如我們所看到的,量子場論把基本的力看成是交換粒子的作用,比如電磁力是交換光子,強相互作用力是交換膠子...等等。那麼,引力莫非也是交換某種粒子的結果?在還沒見到這個粒子之前,人們已經為它取好了名字,就叫「引力子」(graviton)。根據預測,它應該是一種自旋為2,沒有品質的玻色子。

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但量子論的道路仍未走到盡頭,雖然它已經負擔了太多的光榮和疑惑,但命運仍然註定了它要繼續影響物理學的將來。在經歷了無數的風雨之後,這一次,它面對的是一個前所未有強大的對手,也是最後的終極挑戰--廣義相對論。

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好了各位,到此為止,我們在量子世界的旅途已經接近尾聲。我們已經流覽了絕大多數重要的風景點,探索了大部分先人走過的道路。但是,正如我們已經強烈地感受到的那樣,對於每一條道路來說,雖然一路上都是峰迴路轉,奇境疊出,但越到後來卻都變得那樣地崎嶇不平,難以前進。雖說「入之愈深,其進愈難,而其見愈奇」,但精神和體力上的巨大疲憊到底打擊了我們的信心,阻止了我們在任何一條道上頑強地沖向終點。

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按照退相干歷史(DH)的解釋,假如我們把宇宙的歷史分得足夠精細,那麼實際上每時每刻都有許許多多的精粒歷史在「同時發生」(相干)。比如沒有觀測時,電子顯然就同時經歷著「通過左縫」和「通過右縫」兩種歷史。但一般來說,我們對於過分精細的歷史沒有興趣,我們只關心我們所能觀測到的粗粒歷史的情況。因為互相脫散(退相干)的緣故,這些歷史之間失去了聯繫,只有一種能夠被我們感覺到。

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1953年,年輕,但是多才多藝的物理學家穆雷‧蓋爾曼(Murray Gell-Mann)離開普林斯頓,到芝加哥大學擔任講師。那時的芝加哥,仍然籠罩在恩里科‧費米的光輝之下,自從這位科學巨匠在1938年因為對於核子物理理論的傑出貢獻而拿到諾貝爾獎之後,已經過去了近16年。蓋爾曼也許不會想到,再過16年,相同的榮譽就會落在自己身上。

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這已經是我們第三次在精疲力竭之下無功而返了。隱變數所給出的承諾固然美好,可是最終的兌現卻是大打折扣的,這未免教人喪氣。雖然還有玻姆在那裡熱切地召喚,但為了得到一個決定性的理論,我們付出的代價是不是太大了點?這仍然是很值得琢磨的事情,同時也使得我們不敢輕易地投下賭注,義無反顧地沿著這樣的方向走下去。

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阿斯派克特在1982年的實驗(準確地說,一系列實驗)是20世紀物理史上影響最為深遠的實驗之一,它的意義甚至可以和1886年的邁克爾遜-莫雷實驗相提並論。但是,相比邁克爾遜的那個讓所有的人都瞠目結舌的實驗來說,阿斯派克特所得到的結果卻在「意料之中」。大多數人們一早便預計到,量子論的勝利是不在話下的。

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玻爾還是愛因斯坦?那就是個問題。

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玻姆的隱變數理論是德布羅意導波的一個增強版,只不過他把所謂的「導波」換成了「量子勢」(quantum potential)的概念。在他的描述中,電子或者光子始終是一個實實在在的粒子,不論我們是否觀察它,它都具有確定的位置和動量。但是,一個電子除了具有通常的一些性質,比如電磁勢之外,還具有所謂的「量子勢」。這其實就是一種類似波動的東西,它按照薛定諤方程發展,在電子的周圍擴散開去。但是,量子勢所產生的效應和它的強度無關,而只和它的形狀有關,這使它可以一直延伸到宇宙的盡頭,而不發生衰減。

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我們終於可以從多世界這條道路上抽身而退,再好好反思一下量子論的意義。前面我們留下的那塊「意識怪獸」的牌子還歷歷在目,而在多宇宙這裡我們的境遇也不見得好多少,也許可以用德威特的原話,立一塊「精神分裂」的牌子來警醒世人注意。在哥本哈根那裡,我們時刻擔心的是如何才能使波函數坍縮,而在多宇宙那裡,問題變成了「我」在宇宙中究竟算是個什麼東西。假如我們每時每刻都不停地被投影到無數的世界,那麼究竟哪一個才算是真正的「我」呢?或者,「我」這個概念乾脆就應該定義成由此刻開始,同時包含了將來那n條宇宙岔路裡的所有「我」的一個集合?

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電腦的發明是20世紀最為重要的事件之一,這個新生事物的出現從根本上改變了人類的社會,使得我們的能力突破極限,達到了一個難以想像的地步。今天,電腦已經滲入了我們生活的每一個角落,離開它我們簡直寸步難行。別的不說,各位正在閱讀的本史話,便是用本人的膝上型電腦輸入與編輯的,雖然拿一台現代的PC僅僅做文字處理簡直是殺雞用牛刀,或者拿伊恩‧斯圖爾特的話說,「就像開著羅爾斯‧羅伊斯送牛奶」,但感謝時代的進步,這種奢侈品畢竟已經進入了千家萬戶。而且在如今這個資訊商業社會,它的更新換代是如此之快,以致人們每隔兩三年就要不斷地開始為自己「老舊」電腦的升級而操心,不無心痛地向資本家們掏出那些好不容易積攢下來的銀子。

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令人毛骨悚然和啼笑皆非的「量子自殺」實驗在80年代末由Hans Moravec,Bruno Marchal等人提出,而又在1998年為宇宙學家Max Tegmark在那篇廣為人知的宣傳MWI的論文中所發展和重提。這實際上也是薛定諤貓的一個真人版。大家知道在貓實驗裡,如果原子衰變,貓就被毒死,反之則存活。對此,哥本哈根派的解釋是:在我們沒有觀測它之前,貓是「又死又活」的,而觀測後貓的波函數發生坍縮,貓要麼死要麼活。MWI則聲稱:每次實驗必定同時產生一隻活貓和一隻死貓,只不過它們存在於兩個平行的世界中。

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在多世界奇境中的這趟旅行可能會讓大家困惑不解,但就像愛麗絲在鏡中讀到的那首晦澀的長詩Jabberwocky,它無疑應該給人留下深刻的印象。的確,想像我們自身隨著時間的流逝不停地分裂成多個世界裡的投影,而這些分身以幾何數目增長,以至無窮。這樣一幅奇妙的景象實在給這個我們生活其中的宇宙增添了幾分哭笑不得的意味。也許有人會覺得,這樣一個模型,實在看不出有比「意識」更加可愛的地方,埃弗萊特,還有那些擁護多世界的科學家們,究竟看中了它哪一點呢?

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針對人們對MWI普遍存在的誤解,近來一些科學家也試圖為其正名,澄清這種稀奇古怪的「宇宙分裂」並非MWI和埃弗萊特的本意(如Tegmark1998),我們在這裡也不妨稍微講一講。當然要準確地描述它需要用到非常複雜的數學工具和數學表達,我們的史話還是以史為本,在理論上儘量淺顯一點。這裡只是和諸位進行一點最膚淺的探討,用到的數學保證不超過中學水準,希望各位看官也不要望而卻步。

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吃一塹,長一智,我們總結一下教訓。之所以前頭會碰到「意識」這樣的可怕東西,關鍵在於我們無法準確地定義一個「觀測者」!一個人和一台照相機之間有什麼分別,大家都說不清道不明,於是給「意識」乘隙而入。而把我們逼到不得不去定義什麼是「觀測者」這一步的,則是那該死的「坍縮」。一個觀測者使得波函數坍縮?這似乎就賦予了所謂的觀測者一種在宇宙中至高無上的地位,他們享有某種超越基本物理定律的特權,可以創造一些真正奇妙的事情出來。

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我們在「意識問題」那裡頭暈眼花地轉了一圈回來之後,究竟得到了什麼收穫呢?我們弄清楚貓的量子態在何時產生坍縮了嗎?我們弄清意識究竟是如何作用於波函數了嗎?似乎都沒有,反倒是疑問更多了:如果說意識只不過是大腦複雜性的一種表現,那麼這個精巧結構是如何具體作用到波函數上的呢?我們是不是已經可以假設,一台足夠複雜的電腦也具有坍縮波函數的能力了呢?反而讓我們感到困惑的是,似乎這是一條走不通的死路。電子的波函數是自然界在一個最基本層次上的物理規律,而正如我們已經討論過的那樣,「意識」

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意識使波函數坍縮?可什麼才是意識呢?這是被哲學家討論得最多的問題之一,但在科學界的反應卻相對冷淡。在心理學界,以沃森(John B.Watson)和斯金納(B.F.Skinner)等人所代表的行為主義學派通常樂於把精神事件分解為刺激和反應來研究,而忽略無法用實驗確證的「意識」本身。的確,甚至給「意識」下一個準確的定義都是困難的,它產生於何處,具體活動於哪個部分,如何作用於我們的身體都還是未知之謎。

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我們已經在科莫會議上認識了馮‧諾伊曼(John Von Neumann),這位元現代電腦的奠基人之一,20世紀最傑出的數學家。關於他的種種傳說在科學界就像經久不息的傳奇故事,流傳得越來越廣越來越玄:說他6歲就能心算8位數乘法啦,8歲就懂得微積分啦,12歲就精通泛函分析啦,又有人說他過目不忘,精熟歷史,有人舉出種種匪夷所思的例子來說明他的心算能力如何驚人。有人說他10歲便通曉5種語言,並能用每一種來寫搞笑的打油詩,這一數字在另一些人口中變成了7種。不管怎麼樣,每個人都承認,這傢伙是一個百年罕見的天才。

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