解读《上帝掷骰子吗》9、黯淡了刀光剑影,远去了鼓角争鸣
 2.10万

解读《上帝掷骰子吗》9、黯淡了刀光剑影,远去了鼓角争鸣

00:00
15:38

上期节目我们说到,薛定谔用一个巧妙的思想实验,把看不到的微观世界的量子效应,放大到日常世界,用荒谬的又死又活的猫来攻击量子论。


同时哥本哈根解释无法定义观测者,人观测可以造成波函数的坍缩,那猫为什么不行?沿着这条路往下走,我们就会与说不清道不明的意识纠缠不清。还有,坍缩也是对实验结果的强行解释,并不符合薛定谔波动方程的演化方向。


为了解决上述的麻烦,物理学家们提出了惊世骇俗的多宇宙理论。真实的宇宙对我们来说一个无法理解的,极高纬度的存在。它严格按照薛定谔方程演化。我们所观察到的一切,其实是真实宇宙在我们这个低纬世界的投影。


薛定谔方程每一个可能的解,都对应了一种投影,一切可能发生的事情,都在某个世界真实的发生了。


根本哈根与多宇宙谁是真理呢?检验的方法竟然是一个更加疯狂的量子自杀实验。在人择原理的支撑下,如果多宇宙理论是正确的,那么作为主观的我来说,是无法被杀死的,我总是能活在我必然会活着的那个宇宙当中。但是实验的结果也只对我自己有意义。多宇宙无法相互干涉,我也没法把它公之于世。


讲到这里,我已经感觉脑洞开得比我自己的脑袋还要大了。今天我们还要聊量子论中的最后一个奥义,量子纠缠。故事还是要从爱因斯坦说起。

EPR佯谬

之前我们说,爱因斯坦坚决捍卫经典物理的世界观,从量子论的奠基人变成了其反对者,两次在索尔维会议上与玻尔互掐,可惜都落了下风。


爱因斯坦发现看来要打倒量子论没有这么容易,于是调整了策略,不再说量子论是错误的,而说它是不完备的。之所以我们看到量子系统表现出的不确定性,那只因为有隐藏变量我们没有发现,没有掌握。


比方说我们看到筛子的点数是随机的,但其实背后有一个武林高手在吹气,控制着筛子的点数。我们功力太浅,肉眼凡胎,发现不了这个武林高手,所以才觉得筛子是不确定的。如果我们能找他,把他考虑进去,那就没有什么随机可言了。


这个躲在背后的武林高手就是爱因斯坦所说的隐变量,找到他,那世界就不再是随机的,而是确定的,可预测的。


在两次失利之后,爱因斯坦准备提出第三次反驳,这一次他还找来了两个帮手,都是他在普林斯顿大学的同事,一个叫波多尔斯基,一个叫罗森,连同爱因斯坦,三个人姓氏的首字母分别是EPR,因此他们为了论证量子论不完备性所提出的这个悖论就叫做EPR佯谬。


怎么理解EPR佯谬呢?


我们可以通过一个比喻来简单描述一下。同学们想象一下有一双手套。既然是一双,那肯定是一左一右。现在我把两只分开,一只寄到北京,一只寄到上海。我寄出的时候完全没注意,我自己都不知道是左手套还是右手套寄到北京,哪一只寄到哪里是没人知道的。


但是按照我们的生活常识,手套在寄出的那一刻,是左是右就已经确定了。虽然我不知道,我没注意,但是上帝一定是知道的。


可是量子论对此不是这样认为的,量子论认为寄出的两只手套是不确定的,是处于左右叠加态的。只有寄到北京和上海之后,在打开盒子的一刹那才能确定他是左还是右。可是别忘了,这两只手套原本是一对,这意味着当寄到北京的盒子被打开,看到的是右手套的那一瞬间。上海的盒子就算没有打开,也已经决定了其中的必然是左手套。


问题出现了,一只手套的确定就决定了另一只手套的左右。如果两个箱子离得非常非常远,远到一个在火星,一个在海王星。发现火星上是左手套的一瞬间,海王星上盒子里的手套才从左右叠加态,坍缩为右手套。关于左右的信息是如何在如此遥远的距离之间瞬间传递的呢?


按照相对论,任何信息的传递速度都不可能超过光速,那这个超距作用怎么解释?一个盒子打开怎么决定另一只手套的左右的呢?


因此爱因斯坦提出质疑,只要我们还承认宇宙中不可能有超过光速的信息传递,那么这两只手套就一定是在寄出的时候就已经确定了。只不过在寄出的时候我们没有发现,才在打开盖子的时候大惊小怪。
这就是所谓的EPR佯谬。


什么叠加态,不确定性都是不完备的解释,我们要去找寻背后的隐变量,等我们找到了,就会发现世界还是符合经典物理规律滴。

量子纠缠
爱因斯坦在发表了EPR佯谬之后,引发了物理界的热烈讨论。为了解释这个悖论,量子论的支持者提出了一种比叠加态更加奇妙的量子性质,也就是量子纠缠。


就用手套来理解,因为手套是一对,所以必然是一只左,一只右。看到一只是左,另一只不用看也就知道是右。他们两个有高度的相关性,这叫做两只手套处于纠缠态。


在微观世界中,比如一个基本粒子π介子,它的角动量为0。在衰变之后会得到一个电子和一个正电子,这个时候两个粒子就处于纠缠态。因为角动量守恒,那么两个新粒子中,一个的角动量向上,另一个的则必然向下,他们两个必然相反。但是在观测之前,没人知道哪一个向上,哪一个向下。两个粒子都处在向上与向下的叠加态。


玻尔认为,爱因斯坦的质疑并没有太大的杀伤力,因为爱因斯坦是用经典物理的视角来看待手套,那当两只手套分别寄出之后,当然应该被看作是两个完全独立的个体。


但是站在量子的角度就不应该这么看,应该是手套在寄出之后,被开箱观测之前,都必须被看作是一个整体。就算两只手套被装在箱子里,都各自寄到了宇宙的两端,也依然是一个整体。这并没有违背相对论信息不能超光速的设定。


有人就设想,是不是可以利用量子纠缠超距离传递信息。假如我是三体人在地球的内应,地球与三体星距离4光年,我们事先将两个处于纠缠态的粒子,一个放在地球,一个放在三体星,地球上粒子状态为1,那另一个就必然状态为0。我们商量好了,由我在地球发动起义,1表示我成功了,0表示我失败了。这样一来不就可以让信息能跨越4光年的距离瞬间传递了吗?


但量子还有该死的叠加态,虽然两个粒子相互纠缠,就算我革命成功了,我来观测地球上的粒子,它不一定就坍缩成0,如果它坍缩成1,另一边三体人得到的信息就是0。那我就不传递了一个完全相反的错误信息了吗?


所以说,量子纠缠并不能超光速传递信息,它并没有反对相对论。


爱因斯坦提出EPR佯谬后不久便离开了人世,一个叫做贝尔的英国物理学家,他是爱因斯坦的忠实追随者,他也不喜欢哥本哈根解释中的概率与随机性,赞同爱因斯坦的隐变量理论。


经过研究,他提出了名垂千古的“贝尔不等式”,贝尔不等式的数学意义和推导我们不做过多的解释,主要是我也不懂,说也说不清楚。只需要知道他的出现,让实验验证EPR佯谬与量子纠缠成为可能。它能对我们这个宇宙的终极命运做出最后的裁决。


一直到了1982年,一位法国科学家所领导的科学团队,第一次作出了比较完整的关于贝尔不等式的检验实验。它的意义甚至可以与之前的迈克尔逊莫雷实验相提并论。


这时,爱因斯坦和玻尔早就离开人世了,如果他们两个神灵不昧,一定也在天国注视着这场试验。


最终实验的结果,完全符合量子论的预言。


爱因斯坦认为存在所谓的隐变量,量子纠缠不存在。但是实验的结果却证明两个纠缠的粒子哪怕远在天边,也保持着高度的相关性。


而就在不久之前,2015年10月,在荷兰进行了有史以来第一次对贝尔不等式的无漏洞验证实验。他们把两个金刚石色心放置在相距1.3公里的实验室,并以高达96%的测量效率检验了两者之间的纠缠。在严格的条件之下,量子论仍然获胜。我们最后的一丝怀疑都被消除,此后贝尔不等式正是更名为贝尔定律。


贝尔不等式并没有像贝尔期待的那样,斩断量子论的光辉,反而是击碎了爱因斯坦所执着关于经典物理世界的梦想!


黯淡了刀光剑影,远去了鼓角争鸣,爱因斯坦与玻尔长达半个世纪的论战硝烟散尽,量子论笑到了最后,只可惜爱因斯坦与玻尔早已作古。如果他们活到今天不知道会表达什么样的看法呢?我们似乎听到在遥远的天国,那段经典的对白仍然在不停的重复:


“玻尔,亲爱的上帝是不掷骰子的!”“爱因斯坦,你别去指挥上帝怎么做!”


现在,我们可以狂妄的用尼采的方式来宣布:爱因斯坦的上帝,已经死了!我们的故事讲到这里,也就接近尾声了。


通过9期节目,我们一起看到,量子论从诞生以来,经历了无数的风雨,就连爱因斯坦,薛定谔这些最伟大的物理学家都曾向他猛烈的开火,试图从根本上颠覆它,但这,却让量子论的光辉显得更加的耀眼夺目。


从实用的角度来说,量子论是有史以来最成功的理论,它不仅远超麦克斯韦的电磁理论,甚至超越了牛顿的经典力学。


他的出现,彻底改变了世界的面貌,比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……


如果要评选20世纪哪个事件最深刻的影响了人类社会,那毫不夸张的说,既不是两次世界大战,也不是共产主义运动的兴衰,更不会是联合国成立,女权运动、人类探索太空等等,都不是,而是量子力学的创立与发展。


许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现,相对论和量子论,争论他们究竟谁更伟大,其实所谓的伟大往往不具有可比性,正如人们争论李白与杜甫,莫扎特与贝多芬,罗马帝国与大汉王朝谁更伟大一样。


但是,如果仅从实用性的角度而言,我们到可以毫不犹豫的说,是的,量子论更加有的有用。


也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论,但它依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代,怀念那些因果关系一丝不苟,宇宙的本质简单易懂的日子,但这也仅仅只是一种怀念罢了。


正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说:“曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫作老南方。在这个美丽的世界里,绅士们最后一次风度翩翩地行礼,骑士们最后一次和漂亮的女伴同行,人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这是一个只能从书本中去寻找的旧梦,一个随风飘逝的文明。”虽然有这样的伤感,但人们依然还是会歌颂北方人最后的胜利,因为我们从他们那里得到更大的力量、更多的热情,还有对于未来更执着的信心。


量子论就是这么奇妙,它听上去是那么匪夷所思,甚至疯狂到不可理喻,有很多观点至今都还在争论。但他切切实实的改变了我们看待和理解这个世界的方式,也改变着我们所处的世界。


好了,解读《上帝掷骰子吗》这个系列终于是结束了,物理这个课题对我来说确实挺难的,每期节目做起来都异常的吃力,花费的时间也比较长。因此节目中肯定存在诸多的表达不够严谨和准确的地方,就还请同学们能多多包涵。


这本书讲完,我自己心里面其实也蛮开心的,算是又完成了一个小小的挑战吧,又在一个陌生的领域点亮了一盏灯,又收集到了一片精美的世界拼图。希望这次的旅程,你也喜欢。

下本书想要听什么,来留言区告诉我吧,每一条留言尽管我没法一一回复,但是每一条我都会看到的。我是晓书童,我在晓书童频道与您,不见不散。

用户评论