 上一期我們介紹了那個惱人的偏振器實驗。很多聽眾向我提問，如果把 2 號偏振器拿掉，只放 1 號和 3 號偏振器，也就是放兩個一模一樣的偏振器，然后讓電子通過，這時候通過 1 號偏振器的電子會 100% 通過 3 號偏振器呢還是依然只有 50% 通過。這確實是一個好問題啊，為了回答這個問題，我特意去請教了理論物理學家李淼老師。他告訴我：答案是 100%。我說：這真的很費解啊。他說：費解不就對了嘛，你不費解我就郁悶了，玻爾不是常說“要是誰第一次聽到量子力學不惱火的話，他肯定是沒聽懂”嗎？我接著問：為什么會這樣呢？李老師說：坦白地說，我們物理學家也很希望知道為什么。不過這樣也很好，能多留一些為什么給我們的下一代，讓他們來告訴我們?yōu)槭裁窗伞?br> 在 1 號和 3 號中間放一個 2 號偏振器，電子就只剩下 50% 能通過了，這實在令人費解。愛因斯坦對此的解釋是 2 號偏振器對電子的測量影響了電子在另外一個方向上的自旋態(tài)。這算是一個普通人都能聽得懂的解釋。但我們不禁又要問，那為什么沒有 2 號偏振器的情況下，偏振器的測量就不影響電子的自旋態(tài)了呢？玻爾對此的解釋就是電子在測量前本身不具備確定的自旋態(tài)，因為電子自旋態(tài)并不是一個客觀實在的屬性。解決物理理論爭議的唯一方法就是物理實驗，打嘴炮是不行的。但遺憾的是，愛用斯坦 1955 年去世，玻爾 1962 年去世，這兩位宗師都過世了，實驗的方案依然沒有找到。 為了檢驗量子是否具備客觀實在性，很多實驗物理學家都非常的苦惱，他們絞盡腦汁地想要找到解決方案，但是苦苦尋覓了幾十年，都沒有找到辦法。直到玻爾去世的 2 年后，1964 年，出現(xiàn)了一個來自愛爾蘭的數(shù)學奇才，當時還是一個小伙子，名字叫約翰·貝爾（John Stewart Bell，1928 - 1990）（注意不是發(fā)明電話的那個貝爾），他發(fā)現(xiàn)了一個數(shù)學“不等式”，這個不等式被科學界稱為“貝爾不等式”，有些書上把它盛贊為“科學中最深刻的發(fā)現(xiàn)”。這個驚天地泣鬼神的貝爾不等式有一個巨大的魔力，可以對我們這個宇宙的本質(zhì)作出終極裁決，它可以使得EPR實驗從思維走向?qū)嶒炇?。只是很遺憾的是，愛因斯坦和玻爾只能在天國注視著人間發(fā)生的一切，他們過去耗費了無數(shù)個不眠之夜來研究分析但一直懸而未決的世紀大爭論，很快就要有一個終極判決了。愛因斯坦和玻爾在天國想必也在肅然起立，等待著那個莊嚴的時刻吧。要不是貝爾突然病逝，他很有可能因為這個公式獲得諾貝爾物理學獎。 為了讓普通人都能聽懂什么是貝爾不等式，李淼老師在他的著作《三體中的物理學》中，采用了貝爾不等式等價的一種數(shù)學表達式來講解，非常的通俗易懂，我在這里就把這個等價的數(shù)學形式介紹給大家。如果想看原文的話，可以購買李老師的《三體中的物理學》 我們先來看看什么叫客觀實在性，我們可以把地球上的人分成男人和女人，同樣，地球上的人還可以分成年人和兒童，中國人和外國人。如果男人、女人、成人、兒童、中國人、外國人這些屬性都是客觀實在的話，那么必然符合下面這不等式： 所有小男孩 + 所有外國成年人 ≥ 所有男性外國人 下面我們來證明這個貝爾不等式，一點都不難。 我們前面已經(jīng)說過，一個電子，在 X Y Z 三個方向上都有兩個相對的自旋態(tài)，且只有兩個自旋態(tài)。這就相當于，我們可以把 X 方向的兩個自旋態(tài)比作男和女，Y 方向的兩個自旋態(tài)比作成人和兒童，Z 方向的兩個自旋態(tài)比作中國人和外國人。那么，如果電子的這些屬性也是客觀實在的，就必然也符合上面這個不等式。 有了這個神奇的不等式，就可以在實驗室中檢驗電子的自旋態(tài)到底是不是一個客觀實在的屬性了。具體實驗怎么做呢？我們來看一下。 如果電子通過了，說明是“男”，通不過，說明是“女”。 如果電子通過了，說明是“成人”，通不過，說明是“兒童”。 如果電子通過了，說明是“中國人”，通不過，說明是“外國人”。 下面，我們來制造一對角動量總和為零的電子對，讓他們像愛因斯坦說的那樣分別飛向相距很遠的兩個偏振器。 如果是這樣設置兩個偏振器，就可數(shù)出有多少個“男孩” 如果這樣設置兩個偏振器，就可以數(shù)出有多少個“外國成年人” 如果這樣設置兩個偏振器，就可以數(shù)出有多少個“男性外國人” 這里我要特別說明的是，貝爾不等式是用嚴格的數(shù)學手段推導出來的，數(shù)學是凌駕于物理學之上的規(guī)律。這個貝爾不等式在EPR實驗中的含義是說：如果兩個量子是在分開的那一瞬間就已經(jīng)決定了自旋態(tài)的方向的話，那么我們后面的測量結果必須符合貝爾不等式。也就是說，假如上帝是愛因斯坦所想象的那個不擲骰子的慈祥老頭子，那么貝爾不等式就是他給這個宇宙所定下的神圣戒律，兩個分離后的量子決不敢違反這個戒律。其實這根本不是敢不敢的問題，而是這兩個量子在邏輯上根本不具備這樣的可能性。 我們回顧一下貝爾不等式用了哪三條假設：
如果貝爾不等式被破壞，證明以上三條假設至少有一條是錯誤的！ 上帝的最終命運取決于 EPR 實驗中量子的各個方向上自旋狀態(tài)的測量結果。如果貝爾不等式是仍然成立的，那么愛因斯坦就會長吁一口氣，這個宇宙終于回到了溫暖的、經(jīng)典的軌道上。但如果貝爾不等式不成立了，則上帝就摘下了慈祥的面具，變身為靠概率來玩弄宇宙的賭徒。用科學的語言來講的話，那就是要么放棄“定域性”要么放棄“實在性”，這兩個不可能兼得。到底要放棄哪個，你自己選擇，但你必須放棄一個。 這里特別有意思的是，貝爾是愛因斯坦的忠實擁護者，當他發(fā)現(xiàn)了貝爾不等式后，他興奮不已，躊躇滿志，他信心滿滿地認為：只要安排一個EPR實驗來驗證我的貝爾不等式，物理學就可以恢復光榮，恢復到那個值得我們驕傲和炫耀的物理學，而不是玻爾宣揚的那個玩弄骰子的上帝。物理學已經(jīng)被玻爾們的量子理論搞得混亂不堪、烏七八糟，現(xiàn)在整個天下都亂了，冒出來各種形形色色的搞不清是物理學家，還是哲學家，還是神秘主義者的人，什么超光速、量子心靈感應、多個歷史、多個宇宙、結果決定原因……我已經(jīng)厭倦了這些瘋狂的想法，是到了該做個了斷的時候了。 真的，也許就差那么一小步，真的只有一小步，我們就可以回到溫暖經(jīng)典的宇宙的懷抱了，我們多么渴望上帝是一個慈祥的老頭子啊。但是，當年麥克爾遜為了證明以太存在的悲劇，又在貝爾身上上演了。上世紀七十年代末到八十年代初，物理學家們在實驗室中一次次地重復實驗，一次次地把實驗的精度推向新的高度。其中最著名的一次實驗就是 1982 年在法國奧賽研究所，由阿斯派克特領導的那次實驗，這次實驗總共進行了三個多小時，兩個分裂的量子分離的距離達到了 12 米，積累了海量的數(shù)據(jù)。最后的結果與量子論的預言完全相符，愛因斯坦輸?shù)脧貜氐椎?，從此EPR實驗也被稱之為 “EPR佯謬”。從阿斯派克特開始，全世界各地的量子物理實驗室展開了一直持續(xù)到今天的 EPR 實驗競賽，實驗精度越來越高，實驗的原型越來越接近愛因斯坦最原始的想法，兩個量子分離的距離越來越遠，而且實驗對象甚至增加到六個量子。目前的世界記錄就是中國的墨子號量子衛(wèi)星的量子糾纏實驗。 還是要申明幾點：
量子理論已經(jīng)到了這樣一種地步：借用玻爾在某次會議上的說法，他說現(xiàn)在的問題已經(jīng)不是這個理論是否瘋狂，而是它是否足夠瘋狂了。著名的物理學家薛定諤，雖然自己本人就是量子理論的奠基人之一，他提出的波動力學可以很好地描述微觀粒子如何隨著時間演化，但是，薛定諤是愛因斯坦的堅定支持者，他也非常不喜歡玻爾的那些個正常人聽不懂的解釋。在某一次和愛因斯坦的通信中，薛定諤設計了一個著名的思想實驗來諷刺玻爾的那種所謂量子疊加態(tài)理論的荒謬，他本來只是和愛因斯坦互相通信調(diào)侃來著，哪知道薛定諤的這個思想實驗卻一炮走紅，天下皆知。這就是“薛定諤的貓”，很多完全不懂物理學的人也聽到過這個名詞，因為這個詞被編入了很多流行歌曲里面，以至于有很多人以為薛定諤是個喜歡養(yǎng)貓的貴婦人，或者以為薛定諤是喜歡虐貓的變態(tài)教授。再加上這個名字聽著像一個很古怪的中國名字，就更加堅定了某些人對薛定諤是某個文藝作品中的變態(tài)教授的認知。 薛定諤的思維實驗是這樣的：假設把一只貓關在一個密閉的盒子中，然后再放入一個放射性物質(zhì)的原子和一瓶氫氰酸。如果這個原子在一小時之內(nèi)衰變，則會觸發(fā)一個復雜的機械裝置打破瓶子毒死貓；如果不衰變，貓就能活著。因為按照玻爾他們那波人的解釋，我們永遠無法在打開盒子之前預測貓的生死狀態(tài)，因為這個原子處在衰變和不衰變的疊加態(tài)之中，那么是不是意味著貓也處在生和死的疊加態(tài)呢？這個思想實驗非常的惱人，它一直到今天還在困擾著物理學界。為了解決這只貓的生死問題，物理學界又是一番大辯論。在研究量子物理學的領域，呈現(xiàn)了一個很有趣的現(xiàn)象，對于量子理論的種種結論和數(shù)學公式，大家都能接受，因為它們很好地符合實驗的結果，直到今天，我們一直在小數(shù)點后面第 13 位的精度上也沒有發(fā)現(xiàn)任何反例。但是，如果解釋這些結論和數(shù)學公式背后的意義，卻分化出了很多詮釋陣營。而對薛定諤的貓的解釋就是一個非常好的站隊指征，一個粒子物理學家對這個思想實驗的解釋方法基本上就表明了它是傾向于哪個詮釋學派的。 正因為這種種的怪異，很多物理學家不喜歡量子理論，至少是它的某個方面，尤其是愛因斯坦。但又有點兒諷刺的是，正是因為愛因斯坦在 1905 年的那篇有關光電效應的論文中極有力地說明了光子具有波粒二象性，而這個理念卻又正是新理論的核心基礎。愛因斯坦對待量子理論時很有禮貌地評論：“量子理論很值得重視?！钡亲永锼鋵嵪喈斢憛掃@個理論，他的一句名言是：上帝不扔骰子。（原話是這樣的：“雖然我們無法窺視到上帝手里的牌，但要說他喜歡扔骰子和使用“傳心”大法，那我此時無論如何不能相信?！保?/strong>上帝創(chuàng)造了一個宇宙，但又讓有些事情永遠只能靠概率來預測。這種觀點是愛因斯坦所無法忍受的。 我們來總結一下，在 20 世紀的上半葉，量子物理學家把一種混亂引入到了物理學中，這是過去從未有過的事情。突然之間，你需要兩套定律來解釋宇宙的行為。在微觀世界，你要用量子理論；而在宏觀世界，你需要的是相對論。用相對論可以漂亮地解釋行星的繞日軌道，也可以解釋星系為何聚集成團。但是在粒子層面上，這套理論卻失效了。為了解釋原子的結構，物理學必須引入新的類型的“力”。20 世紀 30 年代發(fā)現(xiàn)了兩種：弱核力和強核力。強核力是把質(zhì)子束縛在原子核中的一種力。弱核力起到的作用非常多，其中最主要的作用是控制放射性衰變的速率。 弱核力盡管有一個“弱”字，但它的強度是引力的一千億億億億倍，也就是 10^35 次方倍。而強核力比這還要強 10 萬倍左右。但是它們的作用范圍卻極小，強核力所能達到距離僅有原子直徑的十萬分之一。這就解釋了為什么原子核是如此的密實，也解釋了為什么原子量越大的元素越不穩(wěn)定，因為強核力籠不住太多的質(zhì)子。 這一切的結果是物理學到了最后有了兩套定律，一套針對微觀的量子世界，而另一套針對的是宏觀宇宙，兩套定律似乎都各自活得不錯。但愛因斯坦卻很不喜歡，他把自己的余生都投入到尋找“大統(tǒng)一理論”上，試圖將兩套理論融合起來，但沒有成功。有很多次他都以為自己成功了，但最后又發(fā)現(xiàn)白費功夫。隨著時間的推移，他慢慢地淡出了，甚至有一點兒可憐?？茖W作家斯諾寫道：“他的同事們過去認為，現(xiàn)在也依然認為愛因斯坦浪費了他的后半生?！?/p> 然而在其他領域，卻不斷地有實質(zhì)性的進展。到了上世紀四十年代的中期，科學家們對于原子的理解已經(jīng)到達了一個足以令人震驚的程度。他們在 1945 年的 8 月充分展示了出來：兩顆原子彈在日本爆炸。 到了這個份上，物理學家們似乎有理由認為自己就快要征服原子了?？上В聦嵣狭Ｗ游锢韺W的所有方面都將變得更加復雜。但是，在繼續(xù)講述這個實在燒腦的故事之前，我們先切換到一個較為輕松的環(huán)保話題，換換腦子。 上期： |
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