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不可能的六件事-电子书下载

人文社科 4周前 (07-14) 53次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

这是一次关于量子物理学核心观点的极简分享。
光究竟是粒子,还是波?
薛定谔的猫,怎么能既死又活?
相隔亿万光年的两个电子,为何可以“心有灵犀”?
世界只有在我们睁眼观察时才存在吗?
爱因斯坦,薛定谔,玻尔,泡利,德布罗意……名震寰宇的大师们争论不休,试图用他们天才的头脑解决量子物理问题,却陷入了一个谜团。
这本书提供的正是关于所有这些问题的解释,尽管这些解释无法彻底消除量子物理至今存在的神秘感,但是正如作者所言,每一种解释,都是一种不可或缺的慰藉。
在探索科学的过程中,我们即使终究不能获得完美解答,但是人类智慧的碰撞,却能带给我们莫大的启迪。

作者介绍

约翰·格里宾
英国科学读物专业作家,萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学,获天体物理学博士学位,现在是苏塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。他经常为《泰晤士报》《卫报》和《独立报》撰写科学文章。他的著作超过50部,包括《寻找薛定谔的猫:量子物理的奇异世界》《双螺旋探秘:量子物理学与生命》《寻找多重宇宙:平行宇宙的疯狂世界》《科学史话:改变世界的100个实验》等书。
部分摘录:
在继续本书之前,我们还有一项重要的事情要做,就是从双孔实验中学习另外一课。这不同于可以同时把电子视为波和粒子这类事情,它们在实验过程中穿行时似乎像波,但在到达检测屏时似乎像粒子。有时候它们表现得好像是波,有时候它们表现得好像是粒子,这里的“好像”二字很重要。我们无法知道量子实体“真正是什么”,因为我们不是量子实体。我们只能用一些我们有直接经验的东西做类比,如波和粒子。早在1929年,物理学家亚瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)便以令人难忘的风采指出了这一点,他在题为《物理世界的性质》(The Nature of the Physical World)的著作中说:
我们无法用自己熟悉的理念描述电子……这是我们未知的事物,它正在做我们不了解的事情。听上去(这)并不是一个特别能为人带来启发的理论。我在其他地方读过这类事情——
柔软滑腻的奇怪动物
旋转着在日晷周围的草地上打洞。[1]
确实,与考虑电子表现的波和粒子的行为相比,如果我们想象实验中有一些柔软滑腻的奇怪动物,它们旋转着打着两个洞,我们的日子或许会好过一些。为了避免过分渲染,我不会在每次提到量子世界中的一个事件或者实体时说到“好像”,但读者在阅读时应该假定这个词的存在。
人们在说到电子和其他“粒子”的一个基本性质时称其为“自旋”,但确实,“gyre”(卡罗尔杜撰的词,意思是“旋转”)是描述这种性质的更好的术语。与波和粒子一样,自旋是一个我们熟悉的温馨术语,但它也和波与粒子一样,会对人造成误导。原因之一是,量子力学的方程告诉我们,一个量子实体必须旋转两次才能回到初始位置,无论这在物理上有何意义(我当然想象不出)。但自旋在讨论许多量子现象时非常有用,因为它有两种形式,可以分别视为“向上”和“向下”。这样就简化了讨论,否则可能会复杂得难以驾驭。
例如概率。德国物理学家马克斯·玻恩(Max Born)以可靠的数学关系为基础,将概率的理念引入了量子力学的领域。我们在此不过多考虑数学问题,只是以电子自旋(或者像爱丁顿可能更愿意说的那样,是“奇怪动物的旋转”)为一个例子,感觉一下它的重要性。我们或许可以用量子力学的方程描述一个实验,其中一个原子发射一个电子,后者穿越空间(这是一个真实过程,人称贝塔衰变或β衰变)。在理想化的实验情况下,这个电子具有确定的自旋,或者向上,或者向下。但我们没有任何办法提前预知会是哪种情况,二者都有50∶50的机会。如果做这个实验1000次,或者同时用1000个原子做这个实验,你会发现500个电子(或许有正负几个的误差)自旋向上, 500个电子自旋向下。但如果你抓住单独一个电子并测量它的自旋,在查看结果之前你无法判断它会朝哪里旋。
到这里为止,没什么让人吃惊的地方。但爱因斯坦意识到,当两个电子反向飞出时,量子理论的方程预言了一件非常令人吃惊的事情。[2]我们可以在某些情况下应用一个守恒定律,其中说这两个电子的自旋必须相反,一个向上,另一个向下,于是它们实际上相互抵消。但量子力学的方程说,当母原子发射这两个电子时,它们并没有确定的自旋。每一个电子都以人称“态叠加”的状态存在,即向上和向下这两种状态的混合,而只是当它与其他事物相互作用时,电子才会根据概率论的规则,“决定”自己采取哪种自旋。爱因斯坦抓住的一点是,如果这两个电子的自旋必须相反,则当电子A“决定”自旋向上的那一瞬间,电子B必须自旋向下,无论这两个电子相隔多远。他将之称为“幽灵般的远程作用”(spooky action at a distance),因为乍一看,就好像这两个电子之间交流的速度超过了光速一样,而根据狭义相对论,这种情况是禁止的。
爱因斯坦发展了这个想法,并在鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和南森·罗森(Nathan Rosen)这两位同事的协助下写成了一篇论文(有些人或许会说是在他们的“妨碍”下而不是协助下,因为这篇论文的语言很差,没有清楚地表达论点),发表在1933年。根据他们的姓氏首字母,人们称这篇论文为EPR论文,而爱因斯坦试图阐述的观点人称EPR悖论,尽管它本身完全不是个悖论,而是个谜团。 1935年,薛定谔在一篇科学论文中创造了另一个著名的“悖论”,他在其中将两个量子系统之间似乎通过“幽灵般的远程作用”产生的联系命名为“量子纠缠”。 EPR论文说,量子理论“使(第二个系统的性质)的真实性取决于对第一个系统的测量过程,尽管这一过程不会以任何方式干扰第二个系统;我们无法想象,任何有关真实的合理定义能够容许这种情况发生”。他们破解这个谜团的方法是:“因此我们只能得到一个结论,即量子力学对于物理真实的描述……并不完备。”爱因斯坦认为,必定存在着一种叫作隐变量的内在机理,它能够确保,当这个例子中的电子从母原子飞离时,不会真正具有选择自旋向上或者自旋向下的能力,而是一切都有事先确定的规律。
尽管EPR论文的发表在专家们之间激起了热烈的争论,但此后三十年间,人们都没有在洞察量子纠缠方面取得真正的进展,其原因主要是, 1932年,在EPR论文发表以前,当时最著名的数学家之一约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann)出版了一部有关量子力学的很有影响的书,其中有一个错误。在这部书中,冯·诺伊曼“证明”,隐变量理论无法解释量子世界的行为,因此它们是不可能存在的。他实在太著名了,每个人都相信他,而没有去核实他的方程。哦,几乎每个人。一位名叫格雷特·赫尔曼(Grete Hermann)的年轻德国研究人员发现了诺伊曼的推理中的漏洞,并于1935年发表了一篇文章,提醒人们注意这个问题。但他的文章发表在一份物理学家们很少阅读的哲学期刊上,他们只是在很久之后才发现了它。正如我将在慰藉二中说到的那样,尽管冯·诺伊曼的错误并没有完全阻止人们研究“不可能”的隐变量理论,但直到20世纪60年代中期,才有一位物理学家剖析了诺伊曼的观点,说明了它的错误之处,这才让隐变量的理念获得了新生。但此人让隐变量复活一举或许未能让爱因斯坦高兴,因为他的文章同时证明,所有这类理论都必须包括爱因斯坦痛恨的幽灵般的远程作用,人们现在更正式地称这种作用为非局域性。
那位物理学家就是约翰·贝尔,他在欧洲粒子物理实验室[European particle physics laboratory (CERN)]任职,其间前往美国短期工作,可以就他感兴趣的任何课题进行几个月的研究。这次脱离了日常工作所做的短期科研产生了两篇论文,它们改变了有关量子世界中“人人都知道”的情况,其戏剧化程度不亚于波粒二象性发现以来的任何事件。首先,贝尔解释了冯·诺伊曼的观点错在哪里,然后,他说明了应该如何在原则上设计一种实验来检测非局域性效应。更准确地说,这种实验将检验“非局域性”这一假定。在这里,“局域”指的是幽灵般的远程作用不存在,即事物只能在其邻域影响其他事物,邻域的定义是光在某个时间内通过的距离。“真实”是这样一种想法,即确实存在着一个实在的世界,无论有没有人看着它或者测量它。出于量子世界的概率性质,贝尔建议的实验需要测量进入仪器的大量粒子对(如电子对或光子对)。依照贝尔的设计方式,在经过大量实验之后,这个假定的实验将产生两组测量值。如果其中一组的数目大于另一组,则将证实局域真实的假设是有效的,人们称这个比率为贝尔不等式, 称这一套理念为贝尔定理。但如果另一组中的数目较大,则贝尔不等式不成立,意味着局域真实的假定是不正确的。如果量子力学是正确的,贝尔不等式必定不成立。我们将有一个真实世界,其中包括幽灵般的远程作用。或者,我们可以有局域性,但其代价是必须同时承认:只有我们观察得到的事物才是真实的,其他一切都是虚妄。

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