永远改变我们对“实在”之认识的实验

译者:physics门徒 | 发布: | 发布时间:2014-02-9,星期日 | 阅读:1,784
原文:The Experiment That Forever Changed How We Think About Reality – Wired Science
原作者:Aatish Bhatia

【译者按:文中的“实在”(reality)是一个哲学/物理学概念,可以理解为“实体”、“实质”、“存在” 。特此指出。】

不确定性原理[1]告诉我们,我们不可能在同一时刻弄清一个量子体系内的某些性质。例如,你不能同时知道一个粒子的位置和动量。那么,这暗示了“实在”的什么?如果我们能够透过量子力学的帷帐,那我们是否会看到事物确实具有确定的位置和动量呢?还是说,不确定性原理的意义就是,在基础层面上,物质就是不能够同时具有明确的位置和动量呢?换言之,模糊的那个,是我们的理论,还是实在本身?

情形1:眼镜模糊,对象清晰

第一个可能性是,用量子力学看世界就像戴着一副模糊的眼镜。如果我们可以用某种方式拿开这副眼镜,悄悄地窥视一眼基本层面的实在,那么一个粒子理所当然地必定具有某个确定的位置和动量。归根结底,这是发生在宇宙中的一件事,就算我们不知道,宇宙也会知道某物在哪里、它要去往哪里。照这么说,量子力学就不是对实在的完备描述——我们在用一件粗糙的工具来探检自然的精细之处,因此我们注定会遗漏一些细节。

这一观点符合我们对世上万物运行之道的看法。假如我脱下鞋子让你看到我红色的袜子,你肯定不会认为你在看到我的袜子之前,它处在一个颜色具有变数,可以是蓝色、绿色、黄色或粉红色的不确定状态。疯子才有这想法。你会(正确地)认为我的袜子一直就是红色的。那么,粒子凭什么会不一样?事物的性质,自然是独立于我们是否“检测”了它们的,是吧?

情形2:眼镜清晰,对象模糊

另一种情形就是,我们的眼镜看得很清楚,但实在自身是模糊的。照这种说法,量子力学就是这一层面上对实在的完全描述,宇宙的万物确实没有同时明确的位置和动量。这是大部分量子物理学家所倾向的观点。工具并不粗糙,而是实在固有地模糊不堪。这和我红袜子的例子不一样,你若要测量一个粒子身处何处,那么在你测量它之前它并不具有一个确定的位置。测量位置这一行为迫使粒子具有一个确定的位置。

此时此刻,你也许会觉得这是一个“如果森林中倒下了一棵树”[2]式的形而上学问题,没法找到一个确切的答案。不过,这个问题和大部分哲学问题不一样,我们有一个实际的实验可做,来终结这场争论。还不止哦,这个实验其实已经做了很多次了。在我看来,这是我们一般大众在理解物理学时最没被充分重视的思想之一。这个实验相当简单,却又相当深刻,它告诉了我们关于实在之本性中一些深邃而惊人的信息。

上面就是实验装置。屋子中间有一个光源,每分钟它都会朝相反的方向发射两个光子,并且这对光子处在一种叫做“量子纠缠态”的特殊状态。这是说,这对光子都以某种量子的方式联系在一起,这样的话,你对其中一个光子进行的测量,不仅会改变这个光子的量子态,而且也会同时改变另一个光子的量子态。

我说得不难吧?

房间左右有两台相同的探测盒,用来接收光子。每个盒子都有一盏灯。每一分钟,当光子进入盒子里时,灯都会亮出红绿两色之一。分分钟看下来,灯亮的颜色似乎很随机,时而红色时而绿色,并没有一种确切的模式。如果用手挡在光子的路径上,灯就不会亮。这表明这个盒子探测的是光子的某种性质。

因此,你在看某个盒子时,它都完全随机地闪现为红色或绿色。至于下一刻会出现的颜色,就难说了。不过还是有一件奇怪的事情:不论某个盒子出现的是何种颜色,另一个盒子总是会出现与之相同的颜色。不论你把盒子拿到离发射源多远,就算是到了太阳系的两端,它们还是会准确无误地闪现同一颜色。

感觉就像是两个盒子串通好了要显示一样的结果。怎么会这样呢?(如果你对这些盒子的运作有自己的理论想法,先别急着说出来,稍等片刻,你便能用实验来检验你的看法了。)

“啊哈!”量子支持者欢呼道,“我可以说明它发生了什么。每当光子打到一个探测盒时,盒子都会测量光子的量子态,然后闪红灯或绿灯告诉我们结果。而每对光子是靠量子纠缠联系在一起的,所以如果我们测到一个光子在红色态,那么我们就会迫使另一个光子也跳入同样的状态!所以两个盒子闪的颜色总相同。”

“起开,”坚持传统的经典物理学家发话了,“粒子像的是桌球,不是诅咒娃娃。在一边的测量会立即影响到另一边完全无关的地方,简直扯淡。我看到我一只袜子是红的,这个‘看到’不会立即改变另一只袜子的状态、迫使它也变成红的。解释可以更简单,就是这个实验里的光子和袜子一样,是一对对产生的,有时它们都处在红色态,其它时候则处在绿色态。探测盒只是测量了光子的这种‘隐藏态’而已。”

这里提到的实验和推理,是爱因斯坦、波多尔斯基和罗森最早提出的一个思想实验的变种,这个思想实验现在被称为“EPR实验”[3]。他们论证的关键点,就是“在某处的测量会立即影响一个完全无关之处的测量”这一点似乎很没道理。更合乎逻辑的解释应该是,探测盒测量的是每对光子共同具有的某种隐含性质。从它们生成的一刻起,每对光子就带上了一种隐藏的标记,就像护照一样,可以认证它们是处于红色态还是绿色态。而探测盒测量的就是这种标记。爱因斯坦、波多尔斯基和罗森论证说,我们在实验中看到的随机性,是我们不完备的自然理论的一个体现。按照他们的说法,模糊的是我们的眼镜。用该领域的术语来说,这一思想叫做实在性的“隐变量理论”。

经典物理学家的解释更简单,也更有道理,看上去这一轮似乎是他们赢了。

第二天,两位物理学家收到了一对新的探测盒。新盒子有三扇窗,每次探测时只能打开其中的一扇。每扇窗后都有一盏灯,和之前一样,灯可以打成红色或绿色。

两位物理学家不断试探着这种探测盒,用它接受光子并打开窗口查看结果。在摸索了几个小时后,他们发现:

1、 如果他们两边都打开同一扇窗,亮的灯也总是同一颜色。

2、 如果他们两边随机地开窗,那么亮灯的颜色有一半的几率是相同的。

略加思索后,经典物理学家想到了一个简单的解释。“它基本上和昨天的盒子没什么不同。你看,这次我们可以说每对光子不止有一种标记,而是有三种,就好比持有多国护照那样。探测盒的每扇窗都只识别三种标记中的一种。假设三种标记分别为红、绿、红,会让第一扇窗的灯识别为红,第二扇为绿,第三扇为红。

照这个思路,当我们两边打开同一扇窗时,我们就会看到相同颜色的亮灯,因为两个盒子都探测的同一种标记。但当我们打开不同的窗口时,盒子探测的就是不同的标记,因此就产生了不同的结果。”

这一次,经典物理学家的解释还是那么直接,没有任何类似量子纠缠或不确定性原理之类的“幻想”观念。

“别急,”刚刚完成计算的量子物理学家说道,“当你我随机打开窗口时,我们发现两盏灯有一半的几率是同色的。一半这个数字正好完全符合量子力学的预测,但按照你的‘隐标记’说法,灯是同色的概率就要大于一半!”

我们的量子支持者已经火力全开。

“按照隐标记的说法,光子具有八种可能的标记组合。我们用单字简记之,比如,将‘红色、红色、绿色’记为‘红红绿’。

红红绿

红绿红

绿红红

绿绿红

绿红绿

红绿绿

红红红

绿绿绿

“现在我们来随机开窗,我们有三分之一的几率打开用一扇窗,而这时我们会看到相同的灯色。

另外三分之二的几率下,我们打开不同的窗口。先假设我们接收的光子是下面的标记组合:”

红红绿

“在这一组合下,如果我们打开一个探测盒的窗口1,打开另一个的窗口2,灯光的颜色相同(红和红)。如果我们分别打开窗口1和窗口3,或窗口2和窗口3,灯光的颜色就不同(红和绿)。所以在三分之一的情况下灯色是相同的。

总而言之,我们因选择相同的窗口而看到灯色相同的情况占三分之一,另外三分之二我们选不同的窗口,而这其中又有三分之一的情况下灯光同色。

加起来就是:

1/3+2/3×1/3=3/9+2/9=5/9≃55.55%

“所以,按照隐标记理论,55.55%才是随机开窗时探测盒闪光同色的几率。

“且慢!我们还只看了‘红红绿’这一种情形,其它情况下又如何呢?我们稍加考虑下的话,不难看出下列情况的计算是一样的:

红红绿

红绿红

绿红红

绿绿红

绿红绿

红绿绿

“这样就剩下两种情况:

红红红

绿绿绿

“在这两种情况下,不论我们怎么开窗,都会看到相同的颜色。所以它只会增加两个探测盒灯色相同的整体概率。

结论就是,按照隐标记的说法,在随机开窗的情形下,两个探测盒闪光颜色相同的概率至少都是55.55%。但按照量子力学,结果就是50%。实验数据支持量子力学,而排除了‘隐标记’理论。”

如果你到这都看懂了,那么现在就可以停下来想想我们上面到底说明了什么。

我们刚刚再现了量子力学中一个石破天惊的结论的论证,这个结论叫做贝尔定理。实际中探测盒并不闪现红光或绿光,但在相关细节上上述论证是符合实际实验的。实际实验测量的是纠缠光子的偏振。贝尔定理在奇异的量子世界与符合我们习惯认识、为我们熟知并热爱的经典世界之间划分了界限。它证明了爱因斯坦和他的伙伴们提出的那类隐变量理论是不正确的†。取而代之的是量子力学里粒子可以跨越极远的距离相互纠缠。当你扰动纠缠粒子对中的一个的量子态时,不论另一个粒子在宇宙中的何处,你也会立即扰动到后者。

一般粒子内部有少许不可见的结构,或标记,或记录,或别的什么,总之是一些我们无法接近的隐变量;而这些隐变量将粒子的“真实”位置和动量以及其它详情掩盖了起来:这种设想是很方便。我们也可以简单地认为在基础层面上,实在是以经典的方式运作,而我们不完备的理论没法让我们一窥其背后的内容。但贝尔定理却剥夺了我们这种简单方便的认识。实在是模糊的,我们只能接受这一现实。


原注:

† 从专业上讲,贝尔定理及后续实验排除的是隐变量理论中的一个大类,称为“定域隐变量理论”。在这种理论中,隐变量的传播速度不能超过光速。贝尔定理等不能排除那些隐变量以超光速传播的“非定域隐变量理论”,在这类理论中,“玻姆力学”是最成功的一例。

我最早是在布莱安·格林的《宇宙的结构》[4]一书中看到贝尔定理的探测盒-闪光灯解释的。贝尔实验的这个教科书式的版本可以追溯到物理学家大卫·莫尔明,这是他想出来的。如果你有兴趣一探他那种独特而杰出的物理阐述,可以在美国亚马逊买本他所著的Boojums all the way through


译注:

[1]不确定性原理:此原理描述一个体系非对易力学量之间的关系。最通常的表达式为一个粒子的位置的不确定度与其动量的不确定度满足不等式:ΔxΔp≥ħ/2。这里的Δ通常认为是取标准差。从式子可知,二者的精确值不可能同时知道,否则它们的积就不可能大于ħ/2了。(ħ为约化普朗克常量,是一个常数。)

[2]“如果森林中倒下了一棵树”:完整的论述是:如果森林中有一颗树倒下,而周围又没有人经过或发现,那么这棵树是否发出了声音?因为声音是空气振动通过人耳产生的一种感觉,这一论述提出了观测与现实之间关系的问题。详情可以参见/维基百科。

[3]EPR实验:“EPR”为三人姓氏首字母之组合(Einstein、Podolsky、Rosen)。三人并非否认量子力学,而是认为量子力学还有待完善。

[4]《宇宙的结构》:有中译本,参见豆瓣



 

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