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《上帝掷骰子吗》

分节阅读_61

作者:曹天元 字数:4775 热度:18
这样的问题,管它通过了哪条,这和我们又有什么关系呢?一个小小的光子是如此不起眼,它的世界和我们的世界相去霄壤,根本无法联系在一起。在大多数情况下,我们甚至根本没法看见单个的光子(有人做过实验,肉眼看见单个光子是有可能的,但机率极低,而且它的波长必须严格地落在视网膜杆状细胞最敏感的那个波段),在这样的情况下,大众对于探究单个光子究竟是“幽灵”还是“实在”无疑持有无所谓的态度,甚至觉得这是一种杞人忧天的探索。
真正引起人们担忧的,还是那个当初因为薛定谔而落下的后遗症:从微观到宏观的转换。如果光子又是粒子又是波,那么猫为什么不是又死而又活着?如果电子同时又在这里又在那里,那么为什么桌子安稳地呆在它原来的地方,没有扩散到整间屋子中去?如果量子效应的基本属性是叠加,为什么日常世界中不存在这样的叠加,或者,我们为什么从未见过这种情况?
我们已经听取了足够多耐心而不厌其烦的解释:猫的确又死又活,只不过在我们观测的时候“坍缩”了;有两只猫,它们在一个宇宙中活着,在另一个宇宙中死去;猫从未又死又活,它的死活由看不见的隐变量决定;单个猫的死活是无意义的事件,我们只能描述无穷只猫组成的“全集”……诸如此类的答案。也许你已经对其中的某一种感到满意,但仍有许多人并不知足:一定还有更好,更可靠的答案。为了得到它,我们仍然需要不断地去追寻,去开拓新的道路,哪怕那里本来是荒芜一片,荆棘丛生。毕竟世上本没有路,走的人多了才成为路。
现在让我们跟着一些开拓者小心翼翼地去考察一条新辟的道路,和当年扬帆远航的哥伦布一样,他们也是意大利人。这些开拓者的名字刻在路口的纪念碑上:Ghirardi,Rimini和Weber,下面是落成日期:1986年7月。为了纪念这些先行者,我们顺理成章地把这条道路以他们的首字母命名,称为GRW大道。
这个思路的最初设想可以回溯到70年代的Philip Pearle:哥本哈根派的人物无疑是伟大和有洞见的,但他们始终没能给出“坍缩”这一物理过程的机制,而且对于“观测者”的主观依赖也太重了些,最后搞出一个无法收拾的“意识”不说,还有堕落为唯心论的嫌疑。是否能够略微修改薛定谔方程,使它可以对“坍缩”有一个让人满意的解释呢?
1986年7月15日,我们提到的那3位科学家在《物理评论》杂志上发表了一篇论文,题为《微观和宏观系统的统一动力学》(Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems),从而开创了GRW理论。GRW的主要假定是,任何系统,不管是微观还是宏观的,都不可能在严格的意义上孤立,也就是和外界毫不相干。它们总是和环境发生着种种交流,为一些随机(stochastic)的过程所影响,这些随机的物理过程——不管它们实质上到底是什么——会随机地造成某些微观系统,比如一个电子的位置,从一个弥漫的叠加状态变为在空间中比较精确的定域(实际上就是哥本哈根口中的“坍缩”),尽管对于单个粒子来说,这种过程发生的可能性是如此之低——按照他们原本的估计,平均要等上10^16秒,也就是近10亿年才会发生一次。所以从整体上看,微观系统基本上处于叠加状态是不假的,但这种定域过程的确偶尔发生,我们把这称为一个“自发的定域过程”(spontaneous localization)。GRW有时候也称为“自发定域理论”。
关键是,虽然对于单个粒子来说要等上如此漫长的时间才能迎来一次自发过程,可是对于一个宏观系统来说可就未必了。拿薛定谔那只可怜的猫来说,一只猫由大约10^27个粒子组成,虽然每个粒子平均要等上几亿年才有一次自发定域,但对像猫这样大的系统,每秒必定有成千上万的粒子经历了这种过程。
Ghirardi等人把薛定谔方程换成了所谓的密度矩阵方程,然后做了复杂的计算,看看这样的自发定域过程会对整个系统造成什么样的影响。他们发现,因为整个系统中的粒子实际上都是互相纠缠在一起的,少数几个粒子的自发定域会非常迅速地影响到整个体系,就像推倒了一块骨牌然后造成了大规模的多米诺效应。最后的结果是,整个宏观系统会在极短的时间里完成一次整体上的自发定域。如果一个粒子平均要花上10亿年时间,那么对于一个含有1摩尔粒子的系统来说(数量级在10^23个),它只要0.1微秒就会发生定域,使得自己的位置从弥漫开来变成精确地出现在某个地点。这里面既不要“观测者”,也不牵涉到“意识”,它只是基于随机过程!
如果真的是这样,那么当决定薛定谔猫的生死的那一刻来临时,它的确经历了死/活的叠加!只不过这种叠加只维持了非常短,非常短的时间,然后马上“自发地”精确化,变成了日常意义上的,单纯的非死即活。因为时间很短,我们没法感觉到这一叠加过程!这听上去的确不错,我们有了一个统一的理论,可以一视同仁地解释微观上的量子叠加和宏观上物体的不可叠加性。
但是,GRW自身也仍然面临着严重的困难,这条大道并不是那样顺畅的。他们的论文发表当年,海德堡大学的E.Joos就向《物理评论》递交了关于这个理论的评论,而这个评论也在次年发表,对GRW提出了置疑。自那时起,对GRW的疑问声一直很大,虽然有的人非常喜欢它,但是从未在物理学家中变成主流。怀疑的理由有许多是相当技术化的,对于我们史话的读者,我只想在最肤浅的层次上稍微提一些。
GRW的计算是完全基于随机过程的,而并不引入类如“观测使得波函数坍缩”之类的假设。他们在这里所假设的“自发”过程,虽然其概念和“坍缩”类似,实际上是指一个粒子的位置从一个非常不精确的分布变成一个比较精确的分布,而不是完全确定的位置!换句话说,不管坍缩前还是坍缩后,粒子的位置始终是一种不确定的分布,必须为统计曲线(高斯钟形曲线)所描述。所谓坍缩,只不过是它从一个非常矮平的曲线变成一个非常尖锐的曲线罢了。在哥本哈根解释中,只要一观测,系统的位置就从不确定变成完全确定了,而GRW虽然不需要“观测者”,但在它的框架里面没有什么东西是实际上确定的,只有“非常精确”,“比较精确”,“非常不精确”之类的区别。比如说当我盯着你看的时候,你并没有一个完全确定的位置,虽然组成你的大部分物质(粒子)都聚集在你所站的那个地方,但真正描述你的还是一个钟形线(虽然是非常尖锐的钟形线)!我只能说,“绝大部分的你”在你所站的那个地方,而组成你的另外的那“一小撮”(虽然是极少极少的一小撮)却仍然弥漫在空间中,充斥着整个屋子,甚至一直延伸到宇宙的尽头!
也就是说,在任何时候,“你”都填满了整个宇宙,只不过“大部分”的你聚集在某个地方而已。作为一个宏观物体的好处是,明显的量子叠加可以在很短的时间内完成自发定域,但这只是意味着大多数粒子聚集到了某个地方,总有一小部分的粒子仍然留在无穷的空间中。单纯地从逻辑上讲,这也没什么不妥,谁知道你是不是真有小到无可觉察的一部分弥漫在空间中呢?但这毕竟违反了常识!如果必定要违反常识,那我们干脆承认猫又死又活,似乎也不见得糟糕多少。
GRW还抛弃了能量守恒(当然,按照相对论,其实是质能守恒)。自发的坍缩使得这样的守恒实际上不成立,但破坏是那样微小,所需等待的时间是那样漫长,使得人们根本不注意到它。抛弃能量守恒在许多人看来是无法容忍的行为。我们还记得,当年玻尔的BKS理论遭到了爱因斯坦和泡利多么严厉的抨击。
还有,如果自发坍缩的时间是和组成系统的粒子数量成反比的,也就是说组成一个系统的粒子越少,其位置精确化所要求的平均时间越长,那么当我们描述一些非常小的探测装置时,这个理论的预测似乎就不太妙了。比如要探测一个光子的位置,我们不必动用庞大而复杂的仪器,而可以用非常简单的感光剂来做到。如果好好安排,我们完全可以只用到数十亿个粒子(主要是银离子)来完成这个任务。按照哥本哈根,这无疑也是一次“观测”,可以立刻使光子的波函数坍缩而得到一个确定的位置,但如果用GRW的方法来计算,这样小的一个系统必须等上平均差不多一年才会产生一次“自发”的定域。
Roland Omnes后来提到,Ghirardi在私人的谈话中承认了这一困难。但他争辩说,就算在光子使银离子感光这一过程中牵涉到的粒子数目不足以使系统足够快地完成自发定域,我们谁都无法意识到这一点!如果作为观测者的我们不去观测这个实验的结果,谁知道呢,说不定光子真的需要等上一年来得到精确的位置。可是一旦我们去观察实验结果,这就把我们自己的大脑也牵涉进整个系统中来了。关键是,我们的大脑足够“大”(有没有意识倒不重要),足够大的物体便使得光子迅速地得到了一个相对精确的定位!
推而广之,因为我们长着一个大脑袋,所以不管我们看什么,都不会出现位置模糊的量子现象。要是我们拿复杂的仪器去测量,那么当然,测量的时候对象就马上变得精确了。即使仪器非常简单细小,测量以后对象仍有可能保持在模糊状态,它也会在我们观测结果时因为拥有众多粒子的“大脑”的介入而迅速定域。我们是注定无法直接感觉到任何量子效应了,不知道一个足够小的病毒能否争取到足够长的时间来感觉到“光子又在这里又在那里”的奇妙景象(如果它能够感觉的话!)?
最后,薛定谔方程是线性的,而GRW用密度矩阵方程将它取而代之以后,实际上把整个理论体系变成了非线性的!这实际上会使它作出一些和标准量子论不同的预言,而它们可以用实验来检验(只要我们的技术手段更加精确一些)!可是,标准量子论在实践中是如此成功,它的辉煌是如此灿烂,以致任何想和它在实践上比高低的企图都显得前途不太美妙。我们已经目睹了定域隐变量理论的惨死,不知GRW能否有更好的运气?另一位量子论专家,因斯布鲁克大学的Zeilinger(提出GHZ检验的那个)在2000年为Nature杂志撰写的庆祝量子论诞生100周年的文章中大胆地预测,将来的实验会进一步证实标准量子论的预言,把非线性的理论排除出去,就像当年排除掉定域隐变量理论一样。
OK,我们将来再来为GRW的终极命运而担心,我们现在只是关心它的生存现状。GRW保留了类似“坍缩”的概念,试图在此基础上解释微观到宏观的转换。从技术上讲它是成功的,避免了“观测者”的出现,但它没有解决坍缩理论的基本难题,也就是坍缩本身是什么样的机制?再加上我们已经提到的种种困难,使得它并没有吸引到大部分的物理学家来支持它。不过,GRW不太流行的另一个重要原因,恐怕是很快就出现了另一种解释,可以做到GRW所能做到的一切。虽然同样稀奇古怪,但它却不具备GRW的基本缺点。这就是我们马上就要去观光的另一条道路:退相干历史(Decoherent Histories)。这也是我们的漫长旅途中所重点考察的最后一条道路了。
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  书籍名称:上帝掷骰子吗  作者:曹天元
 
  本书籍由网友“he_luke”上传  日期:2010/6/19 22:25:39
 
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