愛因斯坦-薛丁格VS玻爾-海森堡,誰的量子理論是對的?下

2020-12-26 小許愛學習

這個實驗相對來說其實非常複雜,這裡就給你把這個實驗抽象描述一下。總的來說就是耶魯大學的科學家準備了一個量子系統,這個量子系統有三個量子態,分別叫做基態、第一激發態和第二激發態。首先基態能量是最低的,第一激發態比基態高一點能量,第二激發態又比第一激發態的能量高。這個實驗的目標,其實就是去觀察第一激發態的量子態,有沒有被粒子填滿。

就是說第一激發態有沒有被粒子佔據,開始是不知道的,他處在同時被粒子佔據,又不被粒子佔據,兩種情況同時存在(這個就是量子力學的語言)。如果我們要去探測第一激發態的狀態,又不去破壞它,有粒子和沒有粒子這種狀態並存的量子態的話,我們就不能對第一激發態進行觀測。因為如果只要觀測,它一定會給出你一個確定的值,就是它會告訴你,它到底有沒有粒子把它填滿。

科學研究

所以說,如果要去觀察第一激發態,它這個狀態具體是怎麼變化的,我們反而不能去測量它。因為我們測量它之後,我們就看不出變化,它的所謂的量子態就崩塌了,所以一定記住我們不能直接去探測第一激發態。那麼,如果不能直接探測第一激發態,這個實驗又怎麼能夠給出第一激發態的信息呢?

首先我們要明確這三個量子態:基態、第一激發態和第二激發態,它們三個是相互獨立、互相不幹擾的。這個實驗的原理其實就是去研究第二激發態,我們可以去觀察第二激發態和第一激發態,這兩個量子狀態之間的相互作用,它們之間的相互作用的結果如何,其實是被第一激發態間接影響的。

你可以簡單的認為,第一激發態和基態有作用,第二激發態也跟基態也有作用,但是第一激發態跟第二激發態沒有作用,所以如果我們去探測第二激發態,它可以間接地給出第一激發態的信息,但是同時我又沒有直接去探測第一激發態。因此我就用一個間接的方法,通過一個反向推導的方法來判斷第一激發態到底處在一個什麼樣的狀態,就是實驗的基本原理。

粒子世界

那麼這個實驗的結果告訴我們,第一激發態,它的變化是連續。我們能夠在這個實驗當中清楚的看到,第一激發態其實是在兩個量子態之間來迴轉換的,它有一個連續的過程。且這個實驗能夠做到一定的預測性:通過看第二激發態的表現,預測到第一激發態馬上要發生一個改變,然後馬上再做一個實驗操作,可以把第一激發態馬上要發生的改變給阻止。

也就是說,這個實驗可以在不幹擾第一激發態狀態的情況下,去預測第一激發態的活動。這就充分的證明了所謂的量子態的轉變,或者說量子波函數坍縮的過程,不是瞬間的,它是有一個中間狀態的。所以,就此看來愛因斯坦這一派是正確的。這也是為什麼主流媒體上,包括很多科普的自媒體都會說量子力學被推翻了。

但是,這個論斷其實是不準確的,不能說量子力學被推翻了,你只能說海森堡跟波爾他們這種對量子力學,原來現有大部分人承認的這一套量子力學,有可能是不夠完備的。

量子力學

海森堡跟波爾真的錯了嗎?確實,實驗結果表明愛因斯坦薛丁格的觀點是正確的。量子態之間的轉化不是跳躍式的,它是連續的,它有一個因果律。那麼這種情況下,理論物理學家就有事做了,因為現有的物理學或者說現有的量子力學理論,沒有任何一個理論去描述這個中間態的,這完全是實驗上發現了一個全新的東西。以前的實驗跟理論都沒有描述過這個東西。

所以說如果被最終證明,愛因斯坦是對的,那麼就一定要發展一種新理論,沿著中間態的路線去描述中間態,現有的理論,完全沒有描述過這個中間態。

還有可能就是,這個實驗本質上不一定做對。因為現有的量子力學,去研究這些量子系統的時候,其實都會把它假設在一定的精度情況下,認為這些量子系統之間是相互獨立的,它們之間沒有一個很嚴格的相干性,所以才會出現間接探測第一激發態,可以不影響第一激發態的結論。

偉大的科學家們

但是,如果現有的量子力學是不夠牢靠的,它並不是本質。比如說目前一個很流行的量子理論叫量子糾纏,如果量子糾纏才是真正的量子力學的話,這就說明可能並不存在相互獨立的量子態,本質上它都是以一種微弱的方式去糾纏住的。如果是這樣的一個情況的話,這個實驗它是失敗的,因為儘管這個實驗是間接測量的,但它也是測量;因為基態、第一激發態以及第二激發態並不是獨立的,它們其實有內在聯繫,只不過現有的理論認為它們沒有內在聯繫。

所以,如果在這樣的一種情況下,這個實驗並不能說明什麼問題。但是,這種情況下,當前的理論依然要改:可能這種量子態之間相互獨立的這種假設就不對。反正,這兩種情況下,量子物理都要發生一定的改動。不管是不是承認量子力學的不可預測性(海森堡和波爾的理論就是說不可預測,量子力學的形態的轉化,完全無法預測它),即使海森堡跟波爾還是正確的,現有的量子力學還是要進行修改。

如果不可預測性不存在,愛因斯坦和薛丁格的對的,現有的量子理論也要修改。也就是說,不可預測性是否正確,現有的量子理論都有更多的事情要做,只能說明現在的量子理論還不夠完善:實驗上已經做出了我們的理論解釋不了的現象。

迷人的物理公式

還有一種情況,這個有點偏向於哲學的味道了,就是著名的德國哲學家康德提出了一個非常著名的概念,叫做物自體。「物自體」可以理解為,物質的本源存在,但是由於我們觀察物體的方式,是通過我們的感官去觀察的,所以我們並沒有辦法去觸及物體本身,也就是物自體。

我們能夠觸及到的,只不過是這個物體的屬性;我們的感官能夠跟物體的屬性耦合,所以能看到它的只是我們能看到的東西,它的本體是什麼樣,我們如果看不到的話,那它的本體就永遠不可知。這個是康德的不可知論了,這裡的問題就變成了,到底什麼叫做不可預測性?

康德

其實只要是感官之外,只要是真的不可知,那就是不可預測性。怎麼理解呢?就是說量子系統到底是不是不可預測性並不重要,重要的是能不能理解它不可預測性的機制。即便通過這個實驗知道量子系統是可預測的,但是如果從實際操作上我們沒有辦法去預測它。比如說,決定量子系統轉變的機制是小於普朗克尺度,那即使量子力學是可預測的,它也不在人類感官的可感知範圍;所以即便理論上知道它存在,但只要我們不知道,它對我們來說就是不可預測。

所以說從哲學意義上來講,量子力學依然有可能是不可預測的,就要看科學家能不能把不可預測給破解出來。如果能夠證明破解不了它,它依然是不可預測。

量子力學是否可知

所以,總的來說,耶魯大學的科學家發現的實驗結果,如果被論證是沒有問題的,那它其實是推翻了海森堡和玻爾關於量子力學不可預測性的這個理論。量子力學在理論上可能變得可預測了,但是可預測不代表我們能預測。

所以量子力學系統的實際操作層面的不可預測性,可能對於人類來說還是存在的。在這種情況下,去討論它是不是真的不可預測,就變得沒有意義了。

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