 上一期我們介紹了那個(gè)惱人的偏振器實(shí)驗(yàn)。很多聽眾向我提問，如果把 2 號(hào)偏振器拿掉，只放 1 號(hào)和 3 號(hào)偏振器，也就是放兩個(gè)一模一樣的偏振器，然后讓電子通過，這時(shí)候通過 1 號(hào)偏振器的電子會(huì) 100% 通過 3 號(hào)偏振器呢還是依然只有 50% 通過。這確實(shí)是一個(gè)好問題啊，為了回答這個(gè)問題，我特意去請教了理論物理學(xué)家李淼老師。他告訴我：答案是 100%。我說：這真的很費(fèi)解啊。他說：費(fèi)解不就對(duì)了嘛，你不費(fèi)解我就郁悶了，玻爾不是常說“要是誰第一次聽到量子力學(xué)不惱火的話，他肯定是沒聽懂”嗎？我接著問：為什么會(huì)這樣呢？李老師說：坦白地說，我們物理學(xué)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(hào)和 3 號(hào)中間放一個(gè) 2 號(hào)偏振器，電子就只剩下 50% 能通過了，這實(shí)在令人費(fèi)解。愛因斯坦對(duì)此的解釋是 2 號(hào)偏振器對(duì)電子的測量影響了電子在另外一個(gè)方向上的自旋態(tài)。這算是一個(gè)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(hào)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(duì)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?yàn)殡娮幼孕龖B(tài)并不是一個(gè)客觀實(shí)在的屬性。解決物理理論爭議的唯一方法就是物理實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)的方案依然沒有找到。 為了檢驗(yàn)量子是否具備客觀實(shí)在性，很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(gè)來自愛爾蘭的數(shù)學(xué)奇才，當(dāng)時(shí)還是一個(gè)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(gè)貝爾），他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)學(xué)“不等式”，這個(gè)不等式被科學(xué)界稱為“貝爾不等式”，有些書上把它盛贊為“科學(xué)中最深刻的發(fā)現(xiàn)”。這個(gè)驚天地泣鬼神的貝爾不等式有一個(gè)巨大的魔力，可以對(duì)我們這個(gè)宇宙的本質(zhì)作出終極裁決，它可以使得EPR實(shí)驗(yàn)從思維走向?qū)嶒?yàn)室。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(fèi)了無數(shù)個(gè)不眠之夜來研究分析但一直懸而未決的世紀(jì)大爭論，很快就要有一個(gè)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(gè)莊嚴(yán)的時(shí)刻吧。要不是貝爾突然病逝，他很有可能因?yàn)檫@個(gè)公式獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 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(xué)》中，采用了貝爾不等式等價(jià)的一種數(shù)學(xué)表達(dá)式來講解，非常的通俗易懂，我在這里就把這個(gè)等價(jià)的數(shù)學(xué)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(xué)》 我們先來看看什么叫客觀實(shí)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(shí)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(gè)貝爾不等式，一點(diǎn)都不難。 我們前面已經(jīng)說過，一個(gè)電子，在 X Y Z 三個(gè)方向上都有兩個(gè)相對(duì)的自旋態(tài)，且只有兩個(gè)自旋態(tài)。這就相當(dāng)于，我們可以把 X 方向的兩個(gè)自旋態(tài)比作男和女，Y 方向的兩個(gè)自旋態(tài)比作成人和兒童，Z 方向的兩個(gè)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(shí)在的，就必然也符合上面這個(gè)不等式。 有了這個(gè)神奇的不等式，就可以在實(shí)驗(yàn)室中檢驗(yàn)電子的自旋態(tài)到底是不是一個(gè)客觀實(shí)在的屬性了。具體實(shí)驗(yàn)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(duì)角動(dòng)量總和為零的電子對(duì)，讓他們像愛因斯坦說的那樣分別飛向相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)偏振器。 如果是這樣設(shè)置兩個(gè)偏振器，就可數(shù)出有多少個(gè)“男孩” 如果這樣設(shè)置兩個(gè)偏振器，就可以數(shù)出有多少個(gè)“外國成年人” 如果這樣設(shè)置兩個(gè)偏振器，就可以數(shù)出有多少個(gè)“男性外國人” 這里我要特別說明的是，貝爾不等式是用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)手段推導(dǎo)出來的，數(shù)學(xué)是凌駕于物理學(xué)之上的規(guī)律。這個(gè)貝爾不等式在EPR實(shí)驗(yàn)中的含義是說：如果兩個(gè)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(jié)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(gè)不擲骰子的慈祥老頭子，那么貝爾不等式就是他給這個(gè)宇宙所定下的神圣戒律，兩個(gè)分離后的量子決不敢違反這個(gè)戒律。其實(shí)這根本不是敢不敢的問題，而是這兩個(gè)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(shè)：
如果貝爾不等式被破壞，證明以上三條假設(shè)至少有一條是錯(cuò)誤的！ 上帝的最終命運(yùn)取決于 EPR 實(shí)驗(yàn)中量子的各個(gè)方向上自旋狀態(tài)的測量結(jié)果。如果貝爾不等式是仍然成立的，那么愛因斯坦就會(huì)長吁一口氣，這個(gè)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(xué)的語言來講的話，那就是要么放棄“定域性”要么放棄“實(shí)在性”，這兩個(gè)不可能兼得。到底要放棄哪個(gè)，你自己選擇，但你必須放棄一個(gè)。 這里特別有意思的是，貝爾是愛因斯坦的忠實(shí)擁護(hù)者，當(dāng)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(rèn)為：只要安排一個(gè)EPR實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證我的貝爾不等式，物理學(xué)就可以恢復(fù)光榮，恢復(fù)到那個(gè)值得我們驕傲和炫耀的物理學(xué)，而不是玻爾宣揚(yáng)的那個(gè)玩弄骰子的上帝。物理學(xué)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(gè)天下都亂了，冒出來各種形形色色的搞不清是物理學(xué)家，還是哲學(xué)家，還是神秘主義者的人，什么超光速、量子心靈感應(yīng)、多個(gè)歷史、多個(gè)宇宙、結(jié)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(gè)了斷的時(shí)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(gè)慈祥的老頭子啊。但是，當(dāng)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(jì)七十年代末到八十年代初，物理學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室中一次次地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，一次次地把實(shí)驗(yàn)的精度推向新的高度。其中最著名的一次實(shí)驗(yàn)就是 1982 年在法國奧賽研究所，由阿斯派克特領(lǐng)導(dǎo)的那次實(shí)驗(yàn)，這次實(shí)驗(yàn)總共進(jìn)行了三個(gè)多小時(shí)，兩個(gè)分裂的量子分離的距離達(dá)到了 12 米，積累了海量的數(shù)據(jù)。最后的結(jié)果與量子論的預(yù)言完全相符，愛因斯坦輸?shù)脧貜氐椎祝瑥拇薊PR實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室展開了一直持續(xù)到今天的 EPR 實(shí)驗(yàn)競賽，實(shí)驗(yàn)精度越來越高，實(shí)驗(yàn)的原型越來越接近愛因斯坦最原始的想法，兩個(gè)量子分離的距離越來越遠(yuǎn)，而且實(shí)驗(yàn)對(duì)象甚至增加到六個(gè)量子。目前的世界記錄就是中國的墨子號(hào)量子衛(wèi)星的量子糾纏實(shí)驗(yàn)。 還是要申明幾點(diǎn)：
量子理論已經(jīng)到了這樣一種地步：借用玻爾在某次會(huì)議上的說法，他說現(xiàn)在的問題已經(jīng)不是這個(gè)理論是否瘋狂，而是它是否足夠瘋狂了。著名的物理學(xué)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(dòng)力學(xué)可以很好地描述微觀粒子如何隨著時(shí)間演化，但是，薛定諤是愛因斯坦的堅(jiān)定支持者，他也非常不喜歡玻爾的那些個(gè)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(shè)計(jì)了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)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(gè)思想實(shí)驗(yàn)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(xué)的人也聽到過這個(gè)名詞，因?yàn)檫@個(gè)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(gè)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(gè)名字聽著像一個(gè)很古怪的中國名字，就更加堅(jiān)定了某些人對(duì)薛定諤是某個(gè)文藝作品中的變態(tài)教授的認(rèn)知。 薛定諤的思維實(shí)驗(yàn)是這樣的：假設(shè)把一只貓關(guān)在一個(gè)密閉的盒子中，然后再放入一個(gè)放射性物質(zhì)的原子和一瓶氫氰酸。如果這個(gè)原子在一小時(shí)之內(nèi)衰變，則會(huì)觸發(fā)一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械裝置打破瓶子毒死貓；如果不衰變，貓就能活著。因?yàn)榘凑詹査麄兡遣ㄈ说慕忉?，我們永遠(yuǎn)無法在打開盒子之前預(yù)測貓的生死狀態(tài)，因?yàn)檫@個(gè)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(gè)思想實(shí)驗(yàn)非常的惱人，它一直到今天還在困擾著物理學(xué)界。為了解決這只貓的生死問題，物理學(xué)界又是一番大辯論。在研究量子物理學(xué)的領(lǐng)域，呈現(xiàn)了一個(gè)很有趣的現(xiàn)象，對(duì)于量子理論的種種結(jié)論和數(shù)學(xué)公式，大家都能接受，因?yàn)樗鼈兒芎玫胤蠈?shí)驗(yàn)的結(jié)果，直到今天，我們一直在小數(shù)點(diǎn)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(jié)論和數(shù)學(xué)公式背后的意義，卻分化出了很多詮釋陣營。而對(duì)薛定諤的貓的解釋就是一個(gè)非常好的站隊(duì)指征，一個(gè)粒子物理學(xué)家對(duì)這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)的解釋方法基本上就表明了它是傾向于哪個(gè)詮釋學(xué)派的。 正因?yàn)檫@種種的怪異，很多物理學(xué)家不喜歡量子理論，至少是它的某個(gè)方面，尤其是愛因斯坦。但又有點(diǎn)兒諷刺的是，正是因?yàn)閻垡蛩固乖?nbsp;1905 年的那篇有關(guān)光電效應(yīng)的論文中極有力地說明了光子具有波粒二象性，而這個(gè)理念卻又正是新理論的核心基礎(chǔ)。愛因斯坦對(duì)待量子理論時(shí)很有禮貌地評(píng)論：“量子理論很值得重視。”但骨子里他其實(shí)相當(dāng)討厭這個(gè)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(shí)無論如何不能相信?！保?/strong>上帝創(chuàng)造了一個(gè)宇宙，但又讓有些事情永遠(yuǎn)只能靠概率來預(yù)測。這種觀點(diǎn)是愛因斯坦所無法忍受的。 我們來總結(jié)一下，在 20 世紀(jì)的上半葉，量子物理學(xué)家把一種混亂引入到了物理學(xué)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(duì)論。用相對(duì)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(tuán)。但是在粒子層面上，這套理論卻失效了。為了解釋原子的結(jié)構(gòu)，物理學(xué)必須引入新的類型的“力”。20 世紀(jì) 30 年代發(fā)現(xiàn)了兩種：弱核力和強(qiáng)核力。強(qiáng)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(gè)“弱”字，但它的強(qiáng)度是引力的一千億億億億倍，也就是 10^35 次方倍。而強(qiáng)核力比這還要強(qiáng) 10 萬倍左右。但是它們的作用范圍卻極小，強(qiáng)核力所能達(dá)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(shí)，也解釋了為什么原子量越大的元素越不穩(wěn)定，因?yàn)閺?qiáng)核力籠不住太多的質(zhì)子。 這一切的結(jié)果是物理學(xué)到了最后有了兩套定律，一套針對(duì)微觀的量子世界，而另一套針對(duì)的是宏觀宇宙，兩套定律似乎都各自活得不錯(cuò)。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(fèi)功夫。隨著時(shí)間的推移，他慢慢地淡出了，甚至有一點(diǎn)兒可憐。科學(xué)作家斯諾寫道：“他的同事們過去認(rèn)為，現(xiàn)在也依然認(rèn)為愛因斯坦浪費(fèi)了他的后半生?！?/p> 然而在其他領(lǐng)域，卻不斷地有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。到了上世紀(jì)四十年代的中期，科學(xué)家們對(duì)于原子的理解已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)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(gè)份上，物理學(xué)家們似乎有理由認(rèn)為自己就快要征服原子了?？上?，事實(shí)上粒子物理學(xué)的所有方面都將變得更加復(fù)雜。但是，在繼續(xù)講述這個(gè)實(shí)在燒腦的故事之前，我們先切換到一個(gè)較為輕松的環(huán)保話題，換換腦子。 上期： |
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