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哥本哈根研究所100岁了 量子力学基础部分等待被发掘

2021-06-17 16:57:21    来源:科技日报

玻尔创造的“哥本哈根精神”是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个与主张。

1900年,为了解决黑体辐射疑难,德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。彼时,爱因斯坦21岁,刚从大学毕业;玻尔才刚15岁,可能还在中学学

1905年,爱因斯坦提出“光量子”假说,通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个光微粒,成功解释了光电效应。紧随其后,玻尔在1913年提出了量子化的原子结构,成功解释了氢原子的能级结构和光谱,获得了当年的诺贝尔奖。

1921年,玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请,决定创建哥本哈根大学理论物理研究所,继续深入研究量子力学。研究所一成立,玻尔的人格魅力很快就像磁场一样,吸引了一大批杰出的青年物理学家,海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。除了玻尔外,这个研究所出了9位诺贝尔物理学奖获得者,盛况空前。到现在,100年过去,哥本哈根仍是物理学家的“朝拜圣地”。

“上帝掷骰子吗?”

哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面思考量子问题。光和电子时而像波,时而像粒子的“波粒二象”到底意味着什么?其本源是什么?为什么我们每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”?最终,量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面:

——一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述。波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部信息,量子系统的描述是概率的。

——在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定。

——物质具有波粒二象,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为。但不能同时展示出两种行为。

——测量仪器是经典仪器,只能测量经典质,如位置、动量等。

——大尺度宏观系统的量子物理行为应该似于经典行为。

哥本哈根学派对量子力学的“概率诠释”,其核心观点还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体,它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”;在未被测量之前,我们完全无法预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机;一旦启动了测量,物体就会“塌缩”成一种可能状态,仿佛它一直就是那种状态一样。

虽然“概率诠释”类似于“骰子实验”,但量子力学更纯粹。骰子的随机其实是伪随机,“出千高手”完全可以掌控掷骰子的结果。但哥本哈根学派认为,回到微观的量子世界,再荒谬至极的事实,都可能在量子世界中出现。

于是,科学史上那段著名的论战拉开了序幕。以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击,每次针锋相对都闪耀着智慧甚至是艺术的火花。

爱因斯坦:上帝不掷骰子!

玻尔:请不要告诉上帝应该怎么做!

这段经典的对话,便是这场论战的开端与往后争论的核心。

与爱因斯坦同一阵线的薛定谔,更是为了反驳“概率诠释”学说而举了一个他本人认为“荒诞至极”的例子:把一只猫和一套通过放射元素驱动的毒药释放系统一起放在盒子里,在打开盒子观察前,猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中,这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。

值得一提的是,薛定谔肯定没有想到,自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说,认为其荒谬、与现实格格不入的实验,被不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

一般认为,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定会有另一个人代替他成功。但是玻尔创造的“哥本哈根精神”却是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个与主张。

如今,距离那场世纪论战已经过去了许多年,物理学界中最受普遍认可的哥本哈根学派“概率诠释”学说也依然面对许多争议。

尽管玻尔与爱因斯坦终生都在争辩,却丝毫不影响两人的友谊。无论谁离开了谁,这条量子银河都会变得黯淡无光。

“没有人真正理解量子力学”

在1958年出版的《物理学与哲学:现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了在与尼尔斯·玻尔进行那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于理查德·费曼说出了关于那句著名的话:“没有人真正理解量子力学。”

尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:除了哥本哈根诠释外,科学界还有对量子理论的诸多诠释。

多世界诠释认为波函数是物理上真实的,薛定谔方程恰恰就是一种对现实的描述。当你对同时处于不同位置的叠加的粒子进行测量时,被测量的粒子事实上在不同版本的现实中在所有那些位置出现。换句话说,这就意味着,你所处的两个“现实”分叉成了两个不同的分支。这听起来像是,如果你在这个现实里做了什么糟糕的

决定,别担心,也许在另一个现实中,你仍然可以获得一个完美的结果。多世界诠释也是经常被流行文化借用的一种。多世界诠释带来了一个问题——它让概率失去了意义。

为了解决多世界诠释在概率上的问题,一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释认为,如果有无穷个宇宙,那么多世界诠释一定成立,因为有无穷个“你”正在进行实验,而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来,经典概率就仍然存在意义。

还有科学家提出“隐变量”的猜想:也许粒子的质具有一些“秘密”的变量,它其实是一种确定的状态,只是我们不知道而已,而直到我们测量才会发现。

科学家在隐变量理论的基础上提出了“非定域隐变量理论”,也就是德布罗意—玻姆诠释。这种诠释认为粒子是真实存在的,它们在我们看不见的导波的引导下运动。

此外,还有量子贝叶斯主义、量子达尔文主义、交易诠释、关系诠释等,许多物理学家提出了不同的想法和观点。但也有一些科学家因此相信,这么多种不同诠释的出现,恰恰意味着,量子力学中还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。

“多个世界”与“多个历史”

人们提出了上述各种各样量子力学诠释,其核心思想本质上来自于逻辑简练、物理寓意深远、但图像十分反直觉的多世界诠释。多世界理论表达的是“一个波函数,多个世界”,而由它发展出来的各类诠释,大都基于自洽历史,讲的是“一个世界,多个历史”,只不过各自的着眼点与侧重点不同。

由于不当解释和以讹传讹,多世界诠释被污名化了许久。特别是目前不少人觉得哥本哈根诠释的正确是天经地义的,而多世界诠释则被认为是形而上学,甚至是伪科学。

正是由于量子力学的哥本哈根诠释强调必须借助经典世界,从逻辑上讲是不自洽的。从哲学角度讲,量子力学的哥本哈根版本是一种二元论,而一个理想的完美的理论应该是一元论:一切源于量子,经典只是量子体系宏观极限下的“衍生”现象。

无论如何,把不可观测的特引入到物理学中,物理学就变成了玄学。当务之急是给波函数找到一个可以测量验证的、观测不会导致波函数坍缩的解释。

量子力学在多个领域为世界带来变化。从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”,然后期待“新物理学”的诞生,为探求世界宇宙开启新的篇章。(记者吴长锋)

标签: 哥本哈根 研究所

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