量子力學對我們究竟有何現實意義?科學家:還需要進一步研究
2020-11-22 前瞻網量子力學對我們究竟有何現實意義？科學家：還需要進一步研究
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推翻偉大科學家艾薩克·牛頓對光的本質的觀點只需要一個演示，而且這個演示還非常簡單。1803年11月，英國物理學家託馬斯·楊(Thomas Young)在倫敦對英國皇家學會(Royal Society)的成員們說，「無論在哪裡，只要有陽光，這個演示都可以非常輕鬆地重現。」楊當時描述的是現在被稱為雙縫實驗的東西，他並沒有過分誇張。他提出了一個優雅、明確且樸素的實驗來展示光的波狀性質，並以此反駁了牛頓的光是由微粒或粒子構成的理論。
但20世紀初量子物理學的誕生清楚地表明，光是由微小的、不可分割的單位，即能量量子構成的，我們稱之為光子。當用單個光子或甚至單個物質粒子(如電子和中子)進行楊的實驗時，這都會是一個難以理解的難題，它引出了關於現實本質的基本問題。有些人甚至用它來論證量子世界是受人類意識影響的，這在宇宙本體論中讓我們的大腦在其中有了一個中點站和位置。但這個簡單的實驗真的能證明這一點嗎?
在現代的量子形式中，楊的實驗涉及到將單個的光粒子或物質通過光束的形式發射到有兩條裂縫或兩個切割開口的不透明屏障，在屏障的另一邊是一個記錄粒子到達的屏幕(比如，光子的感光板)。常識告訴我們光子應該穿過一個狹縫或者另一個狹縫，然後在每個狹縫後面堆積起來。但是它們沒有，相反，它們會進入屏幕的某些部分，而避開其他部分，形成光和暗交替的波段。這些所謂的幹涉條紋，會在兩組波重疊時產生。當一個波的波峰與另一個波的波峰重合時，你會得到建設性的幹涉(亮帶)，當波峰與波谷重合時，你會得到破壞性的幹涉(暗帶)。
但是在任何時候都只有一個光子穿過儀器，就好像每個光子同時穿過了兩條狹縫並與自身幹涉一樣，這是不合常理的。
然而，從數學上講，通過這兩個狹縫的不是物理粒子或物理波，而是一種稱為波函數的東西——一種抽象的數學函數，它代表光子的狀態(在現在這種情況則中是它的位置)。波函數就像波一樣。它撞擊兩個狹縫，新的波則從另一邊的兩條狹縫發出，擴散並最終相互幹擾。組合波函數可以用來計算可能在哪裡找到光子的概率。
光子很有可能在兩個波函數波峰幹涉的地方被發現，而且不太可能在波谷幹涉的區域被發現。而記錄粒子屏幕的測量——在這種情況下則是波函數與照相底板的相互作用——被認為會使波函數「坍縮」，它在測量前被傳播開來，在測量時會在光子出現的某個地方達到峰值。
波函數的這種明顯由測量引起的坍縮是量子力學許多概念難題的根源。在坍塌之前，沒有辦法確定光子會落在哪裡;因為它可以出現在任何非零概率的地方。無法繪製光子從源頭到探測器的軌跡。光子並不是真實的，不像從舊金山飛往紐約的飛機那樣真實。Werner Heisenberg等人將數學解釋為：只有被人類觀察到，現實才存在。「客觀真實世界的最小部分就像石頭或樹一樣是客觀存在的，不管我們是否觀察到它們……這是不可能，」他寫道。約翰·惠勒(John Wheeler)也用了雙縫實驗的一個變體來論證：「沒有一個基本量子現象是一種現象，直到它成為一種被記錄下來(被觀察到、不可磨滅地記錄)的現象。」
但是量子理論完全不清楚什麼是構成了這種「測量」。它只是簡單地假設測量設備必須是經典的，而沒有定義經典與量子之間的界限在哪裡，因此為那些認為導致坍縮需要人類意識參與的人敞開了大門。去年5月，亨利·斯塔普(Henry Stapp)和他的同事在論壇上提出，雙縫實驗及其現代變體提供了證據，證明想要理解量子領域，那麼「有意識的觀察者可能是不可或缺的」，超個人意識是物質世界的基礎。
但這些實驗並不能作為這種說法的經驗證據。在單光子的雙縫實驗中，我們所能做的就是驗證數學的概率預測。如果這些預測在通過雙縫發送數萬個相同光子的過程中得到證實，該理論宣稱，由於一種被稱為測量的不明確過程，每個光子的波函數都會崩潰。
此外，還有其他解釋雙縫實驗的方法。以德布羅格利-玻姆理論為例，該理論認為現實既是波也是粒子。光子始終以確切的位置朝向雙縫，並穿過一條縫或另一條縫;所以每個光子都有一個軌道，光子利用導波，導波穿過兩個狹縫，幹涉然後引導光子到一個有建設性幹涉位置。
1979年，倫敦伯克貝克學院的Chris Dewdney和他的同事模擬了該理論對粒子通過雙縫軌跡的預測。在過去的十年裡，實驗者們已經證實了這種軌跡的存在，儘管他們使用了一種有爭議的技術——弱測量。儘管存在爭議，但實驗表明德布羅格裡玻姆理論仍然是量子世界行為的一種解釋。最重要的是，這個理論不需要觀察者、測量或者非物質意識。
所謂的坍縮理論也一樣，這種理論認為波函數是隨機坍縮的：量子系統中粒子的數量越多，坍塌的可能性就越大。觀察者僅僅發現了結果。馬庫斯·阿恩特(Markus Arndt)在奧地利維也納大學(University of Vienna)的團隊一直在往雙縫發送越來越大的分子來測試這些理論。坍縮理論預測，當物質的粒子變得比某個閾值更大時，它們就不能保持可以在時穿過兩條縫的量子疊加狀態，這將破壞幹涉圖樣。Arndt的團隊已經通過雙縫發送了超過800個原子的分子，他們仍然看到了幹涉的現象，對這個閾值的搜索仍在繼續。
羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)有他自己的坍縮理論，在這種理論中，由於引力不穩定，疊加狀態中的物體的質量越重，就會越快坍縮到一種狀態或另一種狀態。再次說明，這是一個獨立於觀察者的理論，並沒有意識的參與。加州大學聖巴巴拉分校的Dirk Bouwmeester正在用雙縫實驗的一個版本來測試彭羅斯的想法。
從概念上講，這個想法不僅僅是把一個光子置於可以同時穿過雙縫的疊加狀態中，而且還把一個狹縫置於兩個同時存在的位置的疊加狀態中。據彭羅斯說，在光子飛行時，移位的狹縫要麼保持疊加狀態，要麼坍塌，兩種結果都會導致不同類型的幹涉模式。坍塌將取決於裂縫的質量。Bouwmeester從事這項實驗已有十年之久，也許很快就能證實或駁斥彭羅斯的說法。
如果沒有別的情況發生的話，這些實驗將表明，我們還不能對現實的本質提出任何主張，即使這些主張在數學或哲學上具有充分動機。考慮到神經科學家和精神哲學家不同意意識的本質，在最好的情況下，主張認為意識的本質破壞了波的功能是不成熟的，在最壞的情況下，則可以是誤導的和錯誤的。
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