出品:科普中國(guó)
作者:欒春陽(yáng)(清華大學(xué)物理系)
監(jiān)制:中國(guó)科普博覽
在上回故事中,我們回顧了以愛(ài)因斯坦為代表的量子物理學(xué)派,和以波爾為代表的經(jīng)典物理學(xué)派的理論,并且感受到了第一次量子巔峰對(duì)決的精彩。
愛(ài)因斯坦堅(jiān)信經(jīng)典物理學(xué)中樸素的哲學(xué)觀點(diǎn),即物理世界應(yīng)該是“確定性”的,并且物理規(guī)律也必須遵循嚴(yán)格的“實(shí)在性”和“局域性”。而波爾則強(qiáng)調(diào),微觀世界不應(yīng)該再用宏觀世界中的經(jīng)典物理理論進(jìn)行描述,而是需要采用量子力學(xué)中的“概率性”。因此,我們不能再?gòu)慕?jīng)典物理的角度出發(fā),來(lái)思考微觀的量子世界的奇妙事件。
量子“波函數(shù)”示意圖
(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
雖然在第一次量子巔峰對(duì)決中,愛(ài)因斯坦身處的經(jīng)典物理學(xué)派并沒(méi)有占到上風(fēng)。然而,愛(ài)因斯坦靈機(jī)一動(dòng),準(zhǔn)備從他更擅長(zhǎng)的狹義相對(duì)論出發(fā),來(lái)向波爾發(fā)起第二次更加精彩的量子巔峰對(duì)決!
愛(ài)因斯坦:我就不信,誰(shuí)能比我更懂狹義相對(duì)論?
雖然早在1921年,愛(ài)因斯坦就因?yàn)榻鉀Q了光電效應(yīng)的問(wèn)題,而榮獲當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是,愛(ài)因斯坦更為世人所熟知的科學(xué)成就,卻是他提出的狹義相對(duì)論原理。
狹義相對(duì)論中“時(shí)光錐”的示意圖
(圖片來(lái)源:Wikipedia)
可以說(shuō),狹義相對(duì)論是愛(ài)因斯坦最擅長(zhǎng),也是最滿意的理論之一。雖然狹義相對(duì)論的理論十分深?yuàn)W和復(fù)雜,但是我們不必處處深究其推導(dǎo)和論證過(guò)程,只需要知道其中最為重要的一點(diǎn)即可。
那就是,光速是宇宙中最快的速度,任何信息傳遞的速度都不可能超過(guò)光速。因此,愛(ài)因斯坦十分肯定地強(qiáng)調(diào),對(duì)于兩個(gè)相距很遠(yuǎn)的物體,它們之間傳遞信息的最快速度不可能超過(guò)光速。
EPR佯謬——經(jīng)典物理學(xué)派的第二次挑戰(zhàn)
大家還記得量子糾纏的含義嗎?之前我們說(shuō)到,在量子力學(xué)的理論體系中,當(dāng)一對(duì)微觀粒子在相互作用后,無(wú)論這相距多遠(yuǎn),其中一個(gè)微觀粒子的變化都會(huì)立即導(dǎo)致另外一個(gè)微觀粒子也發(fā)生改變。從我們身處的宏觀世界角度來(lái)看,這對(duì)處于量子糾纏的微觀粒子,無(wú)論相距多遠(yuǎn),似乎總是存在一種瞬間的信息溝通。
然而,根據(jù)狹義相對(duì)論中的核心觀點(diǎn),即“光速是宇宙中最快的速度”,這對(duì)處于量子糾纏狀態(tài)的微觀粒子之間,就不可能存在超光速的瞬間信息溝通。因此,量子糾纏這一概念一定是錯(cuò)誤的。
于是在1935年,愛(ài)因斯坦(Einstein)找到了兩位得力的幫手,分別是波多爾斯基(Podolsky)和羅森(Rosen)。他們兩位和愛(ài)因斯坦合作,組建了一支以他們?nèi)豢茖W(xué)家名字首字母為組合的“EPR挑戰(zhàn)團(tuán)”,準(zhǔn)備發(fā)起經(jīng)典物理學(xué)派的第二次挑戰(zhàn)。
愛(ài)因斯坦,波多爾斯基和羅森
(圖片來(lái)源:Wikipedia)
他們?nèi)惶岢隽艘粋€(gè)絕妙的思想實(shí)驗(yàn)。這次他們有充足的自信可以勝利,因?yàn)榧热华M義相對(duì)論是對(duì)的,那么量子糾纏就是不存在的。這個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn),也被稱為“EPR佯謬”。
1935年,《紐約時(shí)報(bào)》報(bào)道的“EPR佯謬”頭條新聞
(圖片來(lái)源:Wikipedia)
EPR佯謬的實(shí)驗(yàn)設(shè)想是這樣的:假如地球上的某個(gè)不穩(wěn)定的大粒子發(fā)生衰變,那么衰變的大粒子就會(huì)生成A和B兩個(gè)小粒子,并且從原點(diǎn)開(kāi)始向著兩個(gè)相反的方向飛出去。然而,物理量總是滿足守恒的關(guān)系,也就是說(shuō),由于A和B兩個(gè)粒子是由同一個(gè)大粒子衰變形成的,那么A和B粒子的物理量總和應(yīng)該始終保持不變。
量子糾纏概念圖
(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
然而,有趣的事情馬上就開(kāi)始出現(xiàn)了!
當(dāng)A和B這兩個(gè)粒子向著相反的方向,并且已經(jīng)飛出了足夠遠(yuǎn)的距離(比如A粒子飛到了金星,而B(niǎo)粒子已經(jīng)飛到火星),這時(shí),即使A和B粒子之間要用光速來(lái)傳遞彼此間的信息,也需要一段的時(shí)間,而不可能是瞬間完成的相互作用。
此時(shí),如果金星上的A粒子的某個(gè)物理量被測(cè)量出來(lái),那么根據(jù)物理量守恒的原理,我們就可以立刻知道遠(yuǎn)在火星上的B粒子的狀態(tài)。而根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論基本原理,這種A和B粒子之間的超距相互作用是不可能瞬間發(fā)生的。
如果以上內(nèi)容你都認(rèn)可,那么只有一種可能,就是A和B粒子在彼此分開(kāi)前的那一刻,就各自處于確定的狀態(tài),而不是所謂概率性的疊加態(tài)。
因此經(jīng)典物理學(xué)派強(qiáng)調(diào),量子力學(xué)中的概率性原理并非本質(zhì)的特征,而只應(yīng)該是一種表面的現(xiàn)象。
波爾的反擊——不是我不懂狹義相對(duì)論,而是你不理解量子力學(xué)
面對(duì)經(jīng)典物理學(xué)派發(fā)起的第二次對(duì)決挑戰(zhàn),以波爾為代表的量子物理學(xué)派不由得緊張起來(lái)。這是因?yàn)?,EPR佯謬這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)看起來(lái)實(shí)在是很有說(shuō)服力,并且狹義相對(duì)論已經(jīng)被驗(yàn)證是正確的。這難道說(shuō),量子力學(xué)中的量子糾纏真就是錯(cuò)誤的嗎?
波爾很快就從慌張中鎮(zhèn)靜下來(lái),并且重新審視EPR佯謬。不久之后,波爾敏銳地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中的巨大漏洞!
假設(shè)還是一個(gè)不穩(wěn)定的大粒子衰變成A和B兩個(gè)粒子,A和B粒子沿著相反的方向飛行一段時(shí)間后,A粒子到達(dá)金星,B粒子也到達(dá)火星。愛(ài)因斯坦說(shuō)的沒(méi)錯(cuò),由于A和B粒子之間滿足物理量守恒的關(guān)系,我們只需要測(cè)量金星上的A粒子的狀態(tài),就可以立刻知道遠(yuǎn)在火星上的B粒子的狀態(tài)。
量子糾纏概念圖
(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
這看似違背了狹義相對(duì)論中光速最快的原理,但實(shí)則不然。這是因?yàn)椋?strong>我們不應(yīng)該再?gòu)暮暧^世界的角度來(lái)理解量子糾纏。其實(shí),量子糾纏只存在于微觀世界內(nèi),并且用來(lái)描述整個(gè)系統(tǒng)的物理量。也就是說(shuō),遠(yuǎn)距離的兩個(gè)粒子的隨機(jī)行為之間,總是存在某種關(guān)聯(lián)性,而且需要作為一個(gè)整體進(jìn)行描述,而不能將其視作兩個(gè)獨(dú)立的粒子,再去考慮兩個(gè)粒子之間的信息傳遞問(wèn)題。
因此,如果我們?nèi)匀粡慕?jīng)典物理的角度,來(lái)分別觀察兩個(gè)粒子各自的狀態(tài),那么就會(huì)出現(xiàn)“EPR佯謬”中的錯(cuò)誤。也就是說(shuō),“EPR佯謬”中的量子糾纏并不違背狹義相對(duì)論,而只是愛(ài)因斯坦錯(cuò)誤地從宏觀世界中的角度,來(lái)理解微觀世界中量子糾纏的含義。
很顯然,在第二次巔峰對(duì)決中,以愛(ài)因斯坦為代表的經(jīng)典物理學(xué)派并沒(méi)有取得勝利。但是,也正是由于經(jīng)典物理學(xué)派提出的一系列有趣的思想實(shí)驗(yàn),促使量子物理學(xué)派不斷思考并且完善量子力學(xué)的“量子糾纏”理論。
從某種程度上來(lái)說(shuō),這一次次的巔峰對(duì)決已經(jīng)不單是物理學(xué)理論的爭(zhēng)辯,而是新舊時(shí)代的兩種思維方式的碰撞。而量子力學(xué)中量子糾纏的奇妙,使得愛(ài)因斯坦都感慨,“我不相信,連上帝都要擲骰子”。
宏觀世界中隨機(jī)掉落的骰子
(圖片來(lái)源:veer圖庫(kù))
結(jié)語(yǔ)
在一次次的巔峰對(duì)決之后,物理學(xué)家不得不承認(rèn)量子物理學(xué)派的觀點(diǎn),但是內(nèi)心還是難以接受。這是因?yàn)榱孔恿W(xué)的“量子糾纏”理論雖然十分奇妙,但是真的太違反我們?cè)诤暧^世界中的感受了!
因此,美國(guó)物理學(xué)玻姆(Bohm)提出了一個(gè)有趣的“隱變量”假設(shè),希望能夠?qū)⒔?jīng)典物理學(xué)派和量子物理學(xué)派的觀點(diǎn)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一種雙方都能滿意的和解。
那么,玻姆會(huì)成功嗎?請(qǐng)讓我們?cè)凇傲孔蛹m纏三部曲”的最后一篇中,為大家揭曉謎底吧!