原標題:量子力學將迎「二次革命」
「自量子力學誕生以來,人們主要在做一件事:求解薛丁格方程。這促使了雷射、電晶體、核能等的產生。」中科院院士、中科院量子信息重點實驗室主任郭光燦這樣評價量子力學的第一個100年:「人們只關注能『做什麼』,不去問『為什麼』。」
然而,量子信息的發展打破了僵局。量子糾纏、非局域性等新概念,促使科學家開始重新審視量子世界的本質。
「新實驗方法和手段的出現,提供了更多研究量子世界奧秘的有效工具,對量子力學的基礎問題進行實驗研究成為可能。」郭光燦說。
於是,在量子力學將進入新階段的大背景下,國內首屆「量子力學二次革命」論壇日前在合肥召開。
別問「為什麼」
美國著名物理學家理察·費曼會在第一堂課時告誡學生,不要問量子力學「為什麼」,因為沒人知道。
「量子力學仍有很多基礎問題亟待解決。」中國科學技術大學教授韓永建引用了量子力學創始人之一尼爾斯·玻爾的話:誰不對量子物理感到困惑,他肯定不懂它。
「微觀理論和經典世界的矛盾導致了愛因斯坦與玻爾之爭。」郭光燦說,愛因斯坦認為,量子力學理論的不完備導致了量子世界的概率性、非局域性;而堅持「眼見為實」的玻爾認為,量子世界是虛幻的,只有對量子世界進行測量後的結果才是真實的。
虛擬的微觀世界如何築成真實的宏觀世界?玻爾並未給出令人信服的解釋,愛因斯坦也沒找到能被實驗證實的更完備理論。
100年來,以玻爾為首的「哥本哈根學派」被認為是量子力學的正統詮釋。該詮釋雖不令人滿意,但其後一些企圖替代它的理論,漏洞並不比玻爾理論少。「哥本哈根學派是量子世界的『執政黨』,現在要看哪個『在野黨』有可能『革命』。」韓永建比喻說。
事實上,哥本哈根學派的「執政地位」已受到挑戰。先後有「量子惠勒延遲選擇——光的波粒疊加實驗」和「弱測量直接觀測波函數」挑戰了玻爾的互補原理和「波函數非物理實在」的觀念。
少數派的「二次革命」
玻爾曾將經典世界比作「一個四壁布滿探測器的房間」,這些探測器可解釋房間裡發生的所有事情——無論是氫原子光譜,還是多體系統的性質,都沒跳出這個房間。
「量子力學的二次革命,就是要打開房間裡的窗戶,看看外面到底是什麼。」韓永建說,量子信息發展的新技術、新概念,有可能對房間外面的信息進行實驗檢驗。
郭光燦表示,量子力學「二次革命」的號角吹響於2014年。為紀念貝爾不等式50周年,《自然—物理》雜誌發表量子力學專刊,提出「二次革命」的口號。隨後,《自然》雜誌刊登題為《「量子戰鼓」已經敲響》的周評。不過,「客觀地說,『二次革命』這個命題還不是主流,只有少數科學家關注。」郭光燦認為,在目前乃至相當一段時間裡,該領域將是學術界的「冷門」和「少數派」。
從事物理學哲學、物理學史研究的中科院自然科學史所副研究員高山對此頗為認同:「人們至今對量子理論的詮釋很多還停留在哲學層次。我相信有了(特別是實驗)物理學家的重視,這個領域在5~10年內會有重要進展。」
「反哺」基礎命題
郭光燦表示,當新的實驗事實積累到某種程度時,人類中的「愛因斯坦二世」就會誕生,新理論將應運而生。「這是我對量子力學第二次革命的期待。而當務之急是運用已發展的量子技術進一步研究量子世界,發現更豐富的實驗事實,為探索新理論打下紮實基礎。」
在北京大學物理學院現代光學研究所研究員何瓊毅看來,隨著量子技術的提高,是時候「反哺」一些量子力學的基礎命題了。
「在量子力學第一次革命中,中國人來不及,而現在我們處於國際同一水平,是作貢獻的時候了。」郭光燦說,100多年都沒人能回答清楚「為什麼」作量子力學研究,所以不能迷信權威。
「對量子力學『為什麼』的探索將是個艱苦的過程,研究者要勇於開拓。」郭光燦說:「我們目前處在學術研究空前自由活躍的時期,年輕人要有志氣抓住機遇去迎接這個歷史性挑戰。」