七、双缝实验——观察者问题
演示原子的干涉的原子应该有基本的德布罗意波长,即它们应有同样的速度。
双缝实验,作为最简单的量子现象展示,也遵循这意思路。我们认真对待装有原子的盒子对,然后将它推广到猫、意识乃至宇宙。
与扣碗游戏不同的是,在具体的盒子里并不存在“实际的原子”。划分到两个盒子的波函数已经是对物理状态的完整描述。现在的情形与扣碗游戏不同——观察会改变物理状态。
我们之所以用盒子来代表每个区域,纯粹是想让它更像前面的扣碗游戏。因此接下来,我们只需考虑原子已经在那里,正等着我们选择用它做什么,而不是让它通过双缝打到检测屏上。
因此你既可以选择证明每个原子全落在一个盒子里,也可以选择证明每个原子不是全在一个盒子里。您可以选择证明这两种相互矛盾的情形。
过去历史的创造要比目前情况的创造更有悖于直觉。这就是盒子对实验,或任一版本的双缝实验,所隐含的意义。量子理论可使观察创造与其相关的历史。
量子之谜则直接产生与实验。要忽略直接由实验观察引出的谜团要比忽略仅从理论产生的谜团苦难的多。
原子被称为这两个态的“叠加”。它同时处于这两个态。观察一个盒子后,这个和,或曰叠加,便随机坍缩到叠加态的其中一个态。
宏观测量仪器对微观事件的任何记录都定义为一种观察。
我们可以选择游戏,但不能选择特定的结果。波函数的坍缩具有随意性。(对量子力学的伪科学解释可以忽略随意性,这意味着你仅靠思想的选择就可以带来特定的期望结果。)
八、难言之隐
诺贝尔奖物理学奖获得者史蒂文•温伯格在他的著作《终极理论之梦》中写道:“如果说,我们今天的物理学里有些东西有可能在终极理论里不变地保存下来,那就是量子力学。”
约翰•贝尔觉得,量子力学揭示了我们的世界观的不完备性,而这很可能“因此开辟一条令我们震惊的、富有想象力飞跃的看待事物的新途径”。
我们的物理学家对所看到的东西给出了标准的量子理论的解释。这是一种能满足学习量子物理课的学生的解释。他们关注的是计算,因为考试要比他们了解计算的意义更重要。而另一方面,格鲁伯人则对这一切可能意味着什么很关注。
这些现象,今天正在越来越大的物体上显示出来。中等大小的蛋白质,甚至病毒,都是目前实验的对象。量子理论的适用范围对对象的大小不设限制。展示这种量子现象的对象大小似乎只受到技术和预算的制约。
请看好了,两个盒子的距离越远,它们出射的宝石在屏上形成的间隔就越接近。每颗宝石都服从这样的规则:每颗宝石被允许落在屏上的位置,取决于其所在盒子对的间距。因此每颗宝石“知道”这个间距,因为每颗宝石是待在每对的两个盒子里的。”
但前提是我们要用同一组盒子对来产生这两种结果才行。但我们实际演示用的是两组不同的盒子对,因此实验结果不存在逻辑上的矛盾。
在你看之前,宝石同时处在我们称之为两个盒子的“叠加态”中。是你获得的信息——宝石在某个盒子里——导致了它整个地处在该盒子中。
每个盒子里装的确实是宝石波函数的一半。波场就是发现宝石在一个盒子里的概率。但盒子里除了宝石的波函数,并没有“实际的宝石”。波函数是物理上唯一能够描述的东西。因此,它是唯一的物理的东西。”
波的这种相加和相减被称为“干涉”,它解释了我们看到的所谓“干涉条纹”。
做出自洽的正确预言是科学理论应满足的唯一标准。
未观测的东西都只是概率,没有什么是真实的,知道我们看到它?
这个做法对大的东西是不切实际的。我们的宝石非常非常小。因此,从实用的角度看,没必要予以关注。
九、全球经济的三分之一
在此我们将描述4项基于量子方面的技术:激光器、晶体管、CCD(电荷耦合器件)、磁共振成像(MRI)技术。
激光器
适当频率的光子打在处于激发态的原子上,引起入射方向上辐射出与入射光子完全相同的第二个光子——克隆。
晶体管
如今,在单个新篇章就集成了数十亿个晶体管,每个的成本不到一分钱的百万分之一,而且每个的大小只有白万分之一英寸。
设计激光和晶体管的工程师和物理学家们是如何将这些光子和电子有时看成比原子还要小的凝聚粒子,有时看成是扩展到宏观距离上的波的呢?他们养成了一种良性的精神分裂症。他们只需从实际目的出发,知道何时按这种方式考虑,何时按其他方式考虑就得了。
CCD(电荷耦合器件)
磁共振成像(MRI)
量子点
量子计算机
这种庞大的并行运算能力将使量子计算机能在几分钟内解决经典计算机需要花10亿年时间才能解决的某些问题。
当对象相互作用时,它们的波函数成为“纠缠”态,纠缠是量子计算机运行的基础。
太棒了,神奇的哥本哈根
哥本哈根学派通过将“观察”定义为微观客体(原子尺度的对象)与宏观客体(大尺度对象)之间的相互作用,从而拓展了“观察产生被观察属性”这一断言的内涵。
哥本哈根解释认为存在两个领域:由经典物理学支配测量仪器的宏观经典领域和由薛定谔方程支配原子以及其他小东西的微观量子领域。这种解释认为,由于我们永远无法直接与微观领域的量子客体打交道,因此我们不必担心它们有无物理实在性。它们作为能使我们的宏观仪器对其效应进行计量的一种“存在”,就足够了。
哥本哈根解释依赖于3个基本概念。
波函数的概率解释。
原子除了原子波函数之外不存在任何其他属性,因此如果一个原子的波函数分处在两个盒子中,那么这个原子本身就是同时处在两个盒子里。是随后对一个盒子的观察,才引起它完全处于(或不处于)该盒子里。
波函数给出的是我们在某一特定地点发现对象的概率。夸尔•约旦的论述强调正确的观点:观察不仅干扰被测对象,而且产生被测对象。”
哥本哈根解释一般采用这样的观点:只有微观物体观察到的属性是存在的。结论便是:微观物体本身不是真实的东西。根据这种观点,原子尺度的物体只是以某种抽象的形式存在,而非存在于物理世界中。
玻尔大胆断言:根本不存在量子世界。只存在一种抽象的量子描述。认为物理学的任务是要找出大自然如何运作的,这是错误的。物理学关注的是关于自然我们可以说的那些东西。
哥本哈根解释通过重新定义科学自古希腊以来的目标——解释现实世界——从而避开了物理学与有意识的观察者之间的关联。
玻尔曾经说:“正确陈述的反面是不正确的陈述,但一个伟大真理的反面则可能是另一个伟大的真理。
海森伯显微镜的故事说明,如果你看到每个原子从特定的一个盒子里出来,那你就不可能看到由两个盒子出来的每个原子所显示的干涉图样。
“海森伯测不准原理”:您将物体的位置测量的越准确,那么你得到的它的速度就越不确定。反之亦然,你将对象的速度测量的越准确,你得到的它的位置就越不确定。
底线是,对任何性质的观察对事物形成的扰动会大到足以使你无法反驳量子理论关于观察创造被观察的性质这一论断。
不确定性通过否认决定论为自由意志敞开了大门,但随机性、量子或其他一些东西则不是自由选择的。量子测不准关系无法建立自由意志。
互补性
虽然这些原子未受到物理上的扰动,但你已经确定了每个原子在哪个盒子里。显然,你获得的知识足以将每个原子完全集中于一个盒子里。
玻尔提出了互补性原理:微观对象的两个方面——粒子性方面和波动性——是“互补”的。对微观客体的完整描述需要对这两个矛盾的方面都进行阐述。但我们在做出观察时,进行实验时,同一时间只能考虑其中的一个方面。
换言之,虽然物理学家谈及原子呵其他微观实体的时候,好像它们是实际的物理的东西,但微观客体只是我们用以描述测量仪器行为的概念。我们不必超越限度去描述处理微观世界的行为。
我们可以选的做一个实验而不是我们实际做的实验带来了量子测量问题——量子之谜。
你不能实际地显示一个逻辑上的矛盾(盒子实验对这些原子的干扰足以排除用它们进行的干涉实验;同样,在干涉实验后,你不可能再用同样的这些原子进行盒子实验。)
物理学家在谈及微观客体,将它们形象化,并用模型对其进行计算时,就好像它们是一种真实的存在。但面临矛盾时,我们又随时撤回到哥本哈根解释上:微观客体的量子理论应能够解释我们的宏观仪器的理智行为,但微观客体自身不需要“有意义”。
对哥本哈根解释至关重要的是量子微观世界与经典宏观世界的明确分离。这种分离依赖于原子与我们直接处理的宏观物体之间存在的尺度上的巨大差异。因此认为宏观领域服从经典物理学,微观领域服从量子物理学似乎是可以接受的。
但是当今的技术已经进入这条无人地带。
哥本哈根解释最近被概括为“闭嘴,只管计算”这种认识过于简单化了,而且不尽公平。对于大多数物理学家来说,大部分场合下这确实是正确的禁令。
哥:不要担心“实在”或有关“意义”的问题。小东西只是个模型。模型不必有意义。模型只要有用就行。大的东西都是真实的。所以一切并无不妥。
异:但大的东西恰是一个个小东西——原子——的集合。要想说得通,量子力学就必须承认没有任何东西是实在的,直到它受到观察。
哥:科学不提供意义。科学是告诉我们会发生什么。它只预言我们会观察到的东西。
哥:科学不可能揭示出超出观察的真实世界。别的都仅仅是些哲学理念。这是“真理”——如归你必须有一个的话。
异:这是失败主义者的谬论!我永远也不会满足于这样一个肤浅的答案。你所说的科学放弃了其基本的哲学目标,它的使命只是解释物理世界。