量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantumpdf+txt+mobi+epub+azw3

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爱因斯坦沿未完成的科学革命 当代物理学领军人李·斯莫林量子理论新见解 量子力学的真相 The Search for What Lies Beyond the Quantum

《量子力学的真相》封面

什么是量子比特?什么是量子干涉?为什么会有量子干涉?

先来看经典的钱币问题,把正面的面积定义为-1,反面的面积定义为-1,观察方向上的法线和角度的角度定义为θ。很容易发现,在任意方向上观察到的区域区域都被投影成cosθ。但量子世界中的硬币并非如此,在一个任意方向上可以观察到的面积不是1,也就是-1,只有两个值,没有-1和1之间的值。但是,在观察多个相同的硬币时,平均值会倾向于cosθ。这种“量子钱币”即为量子位。有些人问,这怎么可能?但这就是量子世界啊。

量子力学的干涉并不是量子世界所特有的,干涉是所有波都具有的特性。不过量子干涉的波并不能被直接看见和接触,它只是一种概率波,它的平方在数学上代表着找到粒子的概率。在计算两列概率波迭加粒子的概率时,首先要把波函数加在平方上,而不是直接求出概率(平方)和。这就产生了过多的项,是干涉效应的直接数学解释。

不能解释量子位元为何如此,或解释量子干涉的根源。但科学家们很清楚如何准确地使用数学来描述这种不正常的直觉。然而,应该指出的是,这种奇怪的、随机的、纠缠的、非定域的性质,正是量子世界的本质特征,与我们描述量子世界的工具是无关的。

《量子力学的真相》目录

薛定谔的猫可怕在哪里

简述量子力学主流学派的观点:以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根阐释。

我们先以电子双缝实验为例,回顾量子力学的“诡异”现象——量子悖论。双缝试验中,电子被一个电子逐个发射到“双缝”附近(就像发射子弹)。根据传统的观点,电子是不可分离的,而且电子之间不会相互干扰。然而,实验结果显示,电子束在屏幕后部产生干涉条纹。所以,这是一种量子效应,说明电子像光一样,也是粒子和波,同时具有粒子与波动性的双重性质,即波粒二象。

Debrown引入了“物质波”的概念,即一切物质都具有二象性,而子弹(经典粒子)射入双缝后,无法观察到干涉条纹,这是因为子弹的质量太大,波长太小。于是,微细电子便可以观察到干涉现象。由薛定谔(Schrödinger,1887-1961)推导出的方程更加深入,为微粒(或者说量子系统)提供了相应的“波函数”。

在电子双缝实验中,这种干涉条纹足够奇怪,而更诡异的行为则显示出电子的“测量”行为!

为探讨电子双缝实验中干涉产生的原因,物理学家将两个粒子探测器放置在双缝实验的两条缝隙处,尝试测量每一个电子究竟走哪条缝,形成干涉条纹。但是,诡异的事情发生了:一旦想要以某种方式观测到电子穿过哪一条缝隙,干涉条纹就立刻消失,波粒二象性似乎不存在,实验给出了和经典子弹实验相同的结果!

这些奇异的量子现象都已通过无数试验得到了证实。但是,这种量子悖论如何从理论上加以解释?由此产生了不同的解释,让我们来看看哥本哈根派是如何表达的。

在哥本哈根派看来,微观世界中的电子通常处于一种不确定、经典物理无法描述的叠加态:这就是彼。比方说,被测前的电子,是一种特定的(位置)叠合状态:A和B都是狭缝位置。然后,“每一个电子同时通过两个缝隙!”出现了干扰现象。

但当量子系统在中途被测时,就会发生“波函数崩塌”,最初表示叠加态不确定性的波函数塌缩为固定的本征态。也就是说:波函数崩塌改变了量子系统,使它不再是最初的量子系统。一旦量测到量子叠加态,就会按一定的概率法则回到经典世界。本文所谓的“机率规则”,叫做“波恩律定则”,一个量子系统崩塌到一个特定值的概率和波函数的平方有关。

上述解释性的物理意义与大众都知道的“薛定谔的猫”相同:在打开盖子之前,猫是既死又活,只有在打开盖子后观察,才能判断出猫的死亡状态。

这一解释引发了许多问题(其他解释也存在其他问题),而哥本哈根解释直接令人困惑:如何理解度量的本质?哪些人可以衡量?难道只有“人”可以衡量?量度与非量度边界在哪里?

物理学家约翰•惠勒(1911-2008)引述玻尔的名言:“任何一个基本的量子现象,只有在它被记录下来以后,才是一种现象。这个绕口令式的话语引起了人们对哥本哈根诠释的质疑:难道月亮只存在于我们回首时吗?

再者,由于波函数崩溃发生在所有位置的同一时刻,存在于量子纠缠中的两个粒子,这就造成了爱因斯坦关于“像幽灵一样的超距行为”的困惑。总之,对量子力学的解释似乎有悖于确定性、实在和局限性。古典物理一直认为物理学的研究对象是不依赖于“观察手段”存在的客观世界,而量子力学的测量则把观察者的主观因素与客观世界掺合在一起,这两者似乎不可分割。