http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2010-03-08
在量子世界当中，会出现“量子纠缠”、“平行宇宙”等神奇的状态。它们对当代的文学、哲学产生了重要影响。新京报制图/郭宇
“量子纠缠”示意图。当转动一个粒子，则与它处于纠缠状态的那个，也会相应转动。
著名剧集《星际迷航》中的“时空穿梭”过程，可以用“平行宇宙”理论来解释。
漫画家笔下的“薛定谔的猫”，猫真的会处于“既是活的，又是死的”状态吗？
量子论被公认为是科学史上最成功的、被实验结果符合最好的理论，但另一方面，它却和人类日常生活的经验如此格格不入。
如今，很多实验物理学家还在验证这一理论在80年前所做的基本假设。物理学家们依然还在为这个理论头疼不已。著名物理学家费曼就曾说：“我敢肯定，现在没有一个人能够懂得量子力学。”尽管已经走过百年历史，它还有无数的谜尚待解开。
1
微观与宏观，水火不兼容
物理学家常常会说“传统物理学认为如何如何，量子物理学则认为如何如何”或者“客观现实中如何如何，但量子世界里却如何如何”这样的“鬼话”。量子物理学家告诉我们，物质在被测量之前是不确定的。“不确定性”是量子世界的基本法则。“观测”是在不确定的量子世界和确定的现实之间转化的关键。那么，神秘的量子世界和日常的现实世界到底能否兼容呢？在经典极限情况下，通过合理的近似，量子理论可以自动过渡到经典世界的物理理论。但如何描述这两个世界的交界面，成了量子论过不去的一个坎。直到现在，理论物理学家仍然未能将两者恰当地联系起来。
“哥本哈根学派”认为，物质在被观测之前，是处于一种不确定的叠加态的。为了反驳这种观点，证实量子力学在宏观层面是不完整的，德国物理学家薛定谔设计出物理学史上最著名的动物：薛定谔的猫。
这是一个思想实验：不透明的箱子里装着一只猫，箱子中另外还有一个原子衰变装置，原子会随机发生衰变，一旦衰变发生，就会激发一系列连锁反应，最终打破箱子里的毒气罐而毒死猫，反之猫则活。在打开箱子观测那一瞬间之前，原子的衰变和猫的死活都处于一种叠加态，只有当打开箱子的一刹那，猫的死活才确定下来。所以，在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。问题是，现实中的猫怎么可能是“既死又活”的呢？我们的常识中，猫要么是死的，要么是活的。量子论无法解释现实世界，这成了量子论无数个困惑之谜中最神秘的一点。
“薛定谔的猫”出现之后，物理和哲学界就客观世界和人的意识的决定因素产生了一场大讨论：如果人的观测能决定猫的生死，那是否人的意识也会决定客观世界的走向呢？
2
同一个世界，很多个宇宙？
“虽然我支持在无数个宇宙中存在着无数个Sheldon的‘平行宇宙理论’，我还是像你保证，没有任何一个宇宙中的我会和你跳舞。”《生活大爆炸》中，“宅男”Sheldon这么回复美女Penny的邀舞请求。
为了解决与现实世界兼容的问题，无数物理学家尝试了各种理论，最著名的恐怕就是上世纪50年代兴起的“平行宇宙”(多世界理论)。
支持这个理论的科学家认为，“薛定谔的猫”实验中，箱子在被打开观测之前，与其说猫处于一种既死又活的状态，不如说这只猫同时处于不同的“宇宙”中。有的“宇宙”中猫是活的，有的“宇宙”中猫是死的。听起来是不是很奇怪？但这个理论的确成功避开了很多问题，将微观和宏观世界联系在了一起。
然而，即使到现在，这个理论依然如此前卫，令人无法理解。最近20年间，它才开始受到人们的关注，并成为量子力学的热门理论。霍金甚至将这一理论用到解释时空旅行中：因为平行宇宙的存在，时间线产生了分叉，出现了多重“历史”，人们因此可能可以进行时空旅行。这一解释也解决了此前人们在时空旅行中关于“杀死过去的我”的悖论。
现在，“多世界理论”演化出的“时空穿梭”已经成为很多科幻作品中的主题。但这个理论完全是严格遵循数学方程演化得来的结果，其前提认为所有“宇宙”都包容在同一个“时空”中，而这个“时空”是多维度的，霍金所提出的进行“时空旅行”的“虫洞”目前只存在于理论层面，还没有任何物理证据证明其真实存在。
3
量子纠缠，挑战光速
“量子纠缠”现象是说，一个粒子衰变成两个粒子，朝相反的两个方向飞去，同时会发生向左或向右的自旋。如果其中一个粒子发生“左旋”，则另一个必定发生“右旋”。两者保持总体守恒。也就是说，两个处于“纠缠态”的粒子，无论相隔多远，同时测量时都会“感知”对方的状态。那么，这两个粒子如何实现瞬间的沟通，这种感知是否是超光速的，这是否违背了相对论呢？
在量子力学中，微观物质很可能的确展现出和日常生活中的常识相悖的情况。“在物理世界中，某些定义的速度是可以超越真空光速的，但是到目前为止，还没有一个可以让人信服的实验结果支持‘物理信号可以超越真空光速’这一论断。”中科院量子信息重点实验室副主任周正威强调。
在现实世界中，不可能在人和石头之间建立某种感应，不经接触就令石头发生改变。但瞬间感应可能发生在量子世界中。爱因斯坦不满地将“量子纠缠”称为“遥远的鬼魅行为”。
20世纪下半叶至今的各类实验中，不断有人证实各种超光速现象的出现。1982年，巴黎大学的物理学家证实，亚原子粒子在向相反方向发射后，在运动时依然可以彼此互通信息。2008年，日内瓦大学的物理学家再次进行类似实验。这次，两个相互感应的粒子距离超过17千米。奥地利科学家蔡林格(Anton Zeilinger)甚至在两个相距144千米的岛屿之间观测到光子的量子纠缠现象。
尽管如此，依然没人能让物理信号超越光速。
4
量子论不是
“绝对真理”
量子论是20世纪出现的最成功的理论，它和相对论成为现代物理学的两大基石，但这两个基石之间却互不包容，又都不完整。相对论很好地解释了时空扭曲等问题，改变了人类的时空观；量子论的各种假设虽然不断被实验所证实，它或许也能帮助人类理解宇宙为何凭空而生，但却始终没法解释量子世界和宏观世界的交界面上所发生的一切。
为了将量子论和相对论结合起来，理论界出现了如“量子引力”、“超弦”等更加复杂难懂的理论。可以肯定，如果将来出现一个能替代量子论的理论，它必定能首先解释，为什么现有的各种实验能够如此符合量子理论。
费曼曾说，“我们要记住，或许有一天量子理论会被证明是失败的，因为它和我们日常的生活经验、哲学是如此地不同。”
而理论物理学家曾谨言也在《物理》杂志所发表的《量子物理学百年回顾》一文中表达了他的看法：“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性，但这只表明：它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”
新知专题采写/本报记者 金煜
本专题感谢：
曾谨言(北京大学理论物理学家、
《量子力学导论》作者)
周正威(中科院量子信息重点实验室副主任)
周善贵(中科院理论物理研究所研究员)
曹天元(科学作家)
清华大学理论计算机研究中心
本专题图片均为资料图片
【新京报】
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量子力学“英雄时代”：上帝是不掷骰子的(图)
“有史以来最聪明的照片”，第五次索尔维会议与会者的合影。从左至右分别是：（第三排）皮卡尔德、亨里奥特、埃伦费斯特、赫尔岑、顿德尔、薛定谔、维夏菲尔特、泡利、海森堡、福勒、布里渊；（第二排）德拜、努森、布拉格、克雷默、狄拉克、康普顿、德布罗意、玻恩、玻尔；（第一排）朗缪尔、普朗克、居里夫人、洛伦兹、爱因斯坦、朗之万、古耶、威尔逊、理查森
双缝衍射实验示意图
作为物理学界的大明星，量子论其实已经100多岁了，比相对论的年纪还大。爱因斯坦的相对论刚出生，便受到世人的瞩目。而量子论呢？虽然已经超过100岁，但它或许尚未进入自己的“青春期”。
但是，这个被国际上公认为科学史上目前为止最成功的理论依然在过去的一个世纪内让科技爆发出巨大的能量，人类文明会被彻底重写。量子论的诞生充满了英雄气概，它改变了人类的一切，也像烛光一样，还会继续引导着人类走向更深、更广阔的真理世界。
1 量子诞生
世界不再是“连续的”
“量子”诞生于1900年12月14日。这个新词并非出现在原子核这个有关量子动力的研究中，而是首先出现在黑体辐射这个有关量子场的领域。上一世纪第一年年末出现的这个科学突破成为20世纪中物理学革命的第一个突破口。
就在那一天，德国物理学家马克思·普朗克(Max Planck)在德国物理学会会议上宣读了一篇论文，提出了“黑体辐射定律”，他认为原子在发射或吸收辐射时，存在着一个最小的固定单位，这个最小单位的能量叫做“能量子”(后改名为“量子”)，它和辐射频率成正比。
玻尔研究者戈革在《量子永寿》一文中做了有趣的解释：“原子吸收辐射，可以说是原子‘吃’辐射，它不是像吃牛奶那样地吃，而是像吃米粒那样地吃，每个饭粒就是食物的最小单位……” 此前，人们认知的世界是连续、确定的，但是放在原子这一最小单位的时候，量子效应令传统意义上的时空连续性丧失了，这颠覆了牛顿等人建立起来的传统物理观。
但是，新的问题也来了，当原子吸收了一个能量子之后，它的状态从A“跃迁”到了B，因为能量子已经是最小单位，不可分割了，因此这个“跃迁”是个瞬间发生的过程，没有人知道它是怎么发生的。“跃迁”开始了量子论神秘莫测的百年历程，也将人类认知的方式从已知、确定的宏观世界转向了未知、不确定的微观世界。
2 理论争端
既生“波”，何生“粒”
你可以做这样一个简单实验：将一支蜡烛放在两张纸前，第一张穿了小孔，第二张开出两道平行的缝隙。由第一张纸形成的点光源透过第二张纸的缝隙，投射到墙上，会出现一条条明暗交替的条纹。
说到这里你或许已经想到，这就是中学物理课上曾经提及的双缝衍射实验。科学家用弹珠、水波和其他光源来代替蜡烛，均证明了光呈现出波而非微粒的特性，当麦克斯韦的电磁学理论将光归入为电磁波后，更加巩固了光是一种波的主流说法。到了19世纪末，尽管有人说“物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵乌云”，但大家还是认为物理学研究已到尽头。
事实证明，这还只是开始。20世纪初期，经典物理学遭到了挑战，以量子力学和相对论为支柱的现代物理学开始蓬勃发展。
1905年，还在瑞士专利局任职员的青年爱因斯坦连续发表了6篇重要论文，不仅提出了狭义相对论、质能方程，而且也首次提出“光电效应”。在普朗克“能量子”的基础上，爱因斯坦提出了“光量子”的概念：光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积，一个光子打到金属上，会激发出一个对应的电子。爱因斯坦证明光依然还只是一种微粒(光子)。这令光是“波”还是“粒”的争吵再次成为物理学界的焦点。
直到丹麦物理学家玻尔领导的“哥本哈根学派”的出现，才在量子层面终结了这场争吵。在玻尔看来，电子的波和粒子属性在同一时刻是互斥的，却在更高的层次上统一起来，它具有“波粒二象性”。按照这个设想，假设我们将一个“量子弹球”射出去，面对两道缝，它可能通过一条缝，也可能通过另一条缝，如果在两道缝上安装探测器，则不是这条缝响，便是那条缝响，但在被测量之前，这个“量子弹球”处于一种不确定的“叠加态”。
电子走向哪里去？正确的答案是：不知道！在“哥本哈根学派”看来，微观粒子是不确定的，唯一确定的只是宏观意义上的统计概率。“不确定性”成了量子论的一个基础，也撼动了经典物理学大厦下的坚固基石。不确定性甚至令爱因斯坦也受不了了。坚信世间万物是可以通过因果关系，而非概率来解释的爱因斯坦在“第五次索尔维会议”上抛出了一句世人皆知的话：“上帝是不掷骰子的！”这句话成了象征量子物理学的名言。
玻尔反击的话同样有名：“你没法告诉上帝该做什么！”
3 理论前景
步入“量子世纪”？
接下来的半个多世纪中，物理学家们一直都忙着弄清爱因斯坦和玻尔究竟谁对谁错。物理学主流观点认为，从上世纪80年代到现在20多年中的无数次试验，都证明了正统的量子理论是对的，而不支持爱因斯坦。但并非说爱因斯坦是胡说八道，他是第一个把量子论深刻含义提出来的人。
另一方面，虽然量子力学在理论上远未达到成熟期，它令上世纪人类技术文明爆发出巨大的能量。很多持实用主义态度的科学家避开了理论上的讨论，而把量子力学放入到实际的研究中去，取得了很多成果。放眼望向20世纪的诺贝尔奖获得者，很多人都是因为和量子力学有关的实际科学成就而获奖。此外，量子力学还积极地促进了生物学、数学、核物理学、化学、甚至心理学、哲学的发展。
大部分物理学家认为，就对人类技术和日常生活来看，量子力学的影响可能是要超过相对论。相对论可能改变了人们的时空观，但量子论直接导致了晶体管的出现，如果我们想象没有量子论的今天，或许我们身边也根本不会出现电视机、收音机和计算机。它对新技术的促进，直接体现在量子信息学和量子工程学上。据中科院量子信息重点实验室副主任周正威介绍，上世纪40年代信息论被提出，但直到上世纪90年代前，处理的都是经典世界里的信息。此后，随着微电子工艺技术的迅速发展，人类对微观世界的操纵能力越来越深入，这时量子力学的研究才对信息论产生了巨大的影响，并直接导致通讯和计算机科学发生了革命性的变化，全球也进入信息时代。
量子理论依然看起来还是一个让物理学家头疼的神秘理论，但其推动人类科技文明的潜力依然无穷，或许真的如有人评价的那样，18世纪和19世纪是机械世纪，20世纪是信息世纪，而21世纪则是量子世纪。
量子力学“英雄时代”
【链接】
围绕着量子论的发展，涌现了无数物理天才，在普朗克和爱因斯坦之后，玻尔、薛定谔、泡利、狄拉克等人陆续登场。他们几乎都在30岁之前对量子论做出了重大诠释。当时有人把量子力学戏称为“男孩物理学”。
“电子自旋”的概念刚诞生时。有一次，玻尔出门旅行，经过汉堡火车站时，泡利和斯特恩就在站台上询问玻尔对此的看法，到达莱登以后，玻尔遇到了爱因斯坦和埃伦费斯特，继续讨论了这个问题。返程途中，玻尔经过哥廷根，海森堡和约尔又出现在站台上与他讨论了同样的问题。最后，当玻尔的火车抵达柏林时，泡利又出现了———他特地从汉堡一路赶到柏林，想听听玻尔一路上都有了些什么新想法。
伴随着这些讨论，量子论得到迅速发展，并令上世纪前30年出现了物理界的“英雄时代”。
索尔维会议
【新知补丁】
索尔维国际物理学化学研究会由比利时企业家索尔维于1912年创办，位于布鲁塞尔。此前一年他通过邀请方式举办了第一届国际物理学会议，即第一次索尔维会议。最著名的一次索尔维会议是1927年10月召开的第五次索尔维会议。此次会议主题为“电子和光子”。这次会议上爆发了“玻尔-爱因斯坦论战”。参加这次会议的29人中有17人获得或后来获得了诺贝尔奖。
【新京报】
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