搅乱物理疆界的猫和盐

茂名资讯网 / 2018年01月14日 10:10

     牛顿的经典物理学在相对论和量子论的打击下,控制的物理学疆域已经不多了。但即便如此,量子论似乎仍 " 宜将剩勇追穷寇 ",对经典物理学的疆域继续攻击着。

" 半壁江山 " 还是 " 一统江山 "?

相对论和量子论是现代物理学的两大基石。这两位 " 兄弟 " 在二十世纪初联手造反,对几百年来占统治地位的牛顿的经典物理学疆域发起了进攻。结果,牛顿的经典物理学一方面成了相对论在速度比光速低得多情况下的近似;另一方面又成了量子论在描述宏观行为时的一种近似。从原先的统治 " 宝座 " 上跌落下来,经典物理学想必很受委屈吧。

不过,更大的委屈还在后头呢!

按一般教科书的说法,量子论是统治微观世界的法则:物体都是由微观世界的量子构成的,在量子的世界里,存在着不确定性,比如一个量子出现在某个位置是不确定的,我们只能说,它出现在此处的概率是多少,出现在彼处的概率又是多少。

量子论能描述粒子、原子和分子的行为,但在面对篮球、人或者月亮这样的宏观物体时,就要让位给经典物理学了,因为在宏观世界里,我们很难观察到量子效应。于是,在奇异的量子世界和我们所熟悉的、经典物理学描述的世界之间,似乎划了一条不可逾越的鸿沟。这样一来,经典物理学似乎还维持着 " 半壁江山 "。

但从理论上讲,既然经典物理学只是量子论的近似,量子论自然应该延伸至经典物理学的半壁江山,也就是说,整个世界本质上应该都是 " 量子的 "。可为什么在宏观世界很难观察到量子效应呢?为什么量子论不能用于解释宏观世界呢?

一只既活又死的猫

不是没人想过让量子论一统天下,只是量子论一旦跟宏观世界联系起来,荒唐的事情就发生了。

    让我们先去探访一只猫。这是一只可怜的猫。它被密封在一个箱子里,箱子里除了食物,还有一个毒气瓶。毒气瓶上方有一把锤子,锤子由电开关控制,而电开关又由一个放射性原子控制。如果这个原子核衰变,放出 α 粒子,就触动电开关,锤子落下,砸碎毒气瓶,释放出毒气,此猫就必死无疑。

按照量子论的看法,一个放射性原子,它何时衰变是完全不确定的,所以,当我们没去测量它时,只能知道它衰变的概率,比如说今天它衰变的概率是 40%,那也就是说还有 60% 的概率它今天不衰变。所以在没测量时,它事实上处于衰变和不衰变的混合状态,只有当测量时,它才选择一种确定的状态:要么衰变了,要么没衰变。

一个粒子你不去测量它,它竟然可以同时处于衰变和不衰变这两种截然对立的状态中,这正是量子论有别于经典物理学的吊诡的结论之一。类似的结论还有,一个粒子当我们没去测量时,它可以同时处于空间的不同位置……等等。

不过在我们熟悉的世界里,可不会出现这类荒谬的事情。试问,你见过一个物体同时存在又不存在吗?在同一时刻,既在这个房间又在隔壁房间吗?……所以,对于古怪的粒子行为,一般人的态度是,让微观世界的那些粒子们玩出各种 " 骇人听闻 " 的时髦花样去吧,只要我们生活其中的世界不发生此类事情就够了。

但是奥地利物理学家薛定谔偏要让我们不得安生,他煞费苦心把量子世界跟这只无辜的猫联系了起来(由此,这只猫得了个 " 薛定谔猫 " 的名字)。按他的看法,只要我们不去观察,由于原子的状态是不确定的,而猫的生死又取决于原子的状态,所以连猫的生死状态也不确定了;由于原子可以同时处于衰变和不衰变的混合状态,所以连猫也处于生与死的混合状态了。一只猫同时既是活的,又是死的,有比这更荒谬的事情吗?

量子论的 " 魔爪 " 一旦伸进了宏观世界,会引出多么荒谬的结论啊!

把 " 薛定谔猫 " 隔离开来

为了把这些荒谬的结论解释清楚,一代又一代物理学家想尽了办法。

比如 1980 年代,牛津大学的物理学家罗杰?彭罗斯提出,在质量超过 20 毫克的体系中,引力的作用可能导致量子论拱手让给经典物理学;后来一群意大利物理学家又提出,大量粒子会自动表现出经典物理学所预言的行为来。总之,他们采用的还是老办法,就是继续在量子世界和宏观世界之间划一条疆界,不让量子世界的 " 魔鬼 " 跑到宏观世界去捣乱。

让我们来听听他们对于薛定谔猫有何高见。

如果这是一只 " 量子猫 ",那么毫无疑问它要遵守量子世界的法则,也就是说,它可以同时处于既生又死的状态;但现在这是一只宏观的猫,量子法则在它身上失效了,所以即便我们没去观察,它也只能生与死必取其一,只是没做观察,就不能确切知道它属于哪种情况而已,并不意味着它处于生死混合状态。

其实这种观点也正是我们在日常生活中所秉持的观点,比如说一个人失踪了,我们肯定会认为这个人要么活着,要么死了,两者必取其一,只是我们一时还不知道他到底属于何种情况而已,但没人会说,失踪的人处于既生又死的 " 混合状态 "。

他们这么解释,似乎也行得通,甚至更符合我们的思维习惯。不过很不幸,他们划出了疆界,想把那只讨厌的猫控制住,却不成想天上掉下一块 " 盐 " 来,又一次搅乱了物理学的疆界。

盐搅乱了疆界

量子论里有个很古怪的现象,叫做量子纠缠:假设一个粒子衰变出一对正反粒子,由于动量守恒,衰变之后正反粒子朝着相反的方向运动,最后它们相隔数十光年。但即使相距如此遥远,两者之间还是存在一种神秘的、不受距离影响的作用。比如说当其中一个被改变状态时,另一个也会即刻做出反应,调整自己的状态。按理说它们相距数十光年,一个粒子哪怕以宇宙间最快的速度——光速 " 通知 " 另一个粒子,至少也需要数十年时间。诡异的是,另一个粒子好像不需要时间,即刻就可以做出反应。

这种鬼魅似的量子纠缠现象,在量子领域人们早已经司空见惯。目前,科学家已经能够让两个相距 16 千米的粒子保持量子纠缠,不过,之前的实验中量子纠缠只发生在微观体系中,发生纠缠的粒子最多也不过十来个,而现在,我们所说的 " 盐 " 登场了,科学家在一大块氟化锂盐里都观察到了量子纠缠,参与的粒子竟达 1020 个之多!

实验是这样的:在接近绝对零度的低温下,将一小块氟化锂盐放进磁场中;我们可以把氟化锂盐中的原子想象成一个个小磁针,外加一个磁场,这些 " 磁针 " 都倾向于沿着外磁场的方向平行排列。这个过程被称为磁化。根据经典物理学,原子之间存在相互作用,它们就像一个服从纪律的团队一样行动,纪律促使它们更快地向外磁场 " 屈服 "。

科学家测量了原子趋向外磁场的反应速度。他们发现,氟化锂盐原子对外磁场做出反应的速度之快,远非经典的原子之间的相互作用所能解释,而一旦把量子纠缠考虑进来,理论和实验就符合得很完美。

为什么的?原因可能是,在量子纠缠的作用下,原子的 " 纪律性 " 进一步加强了,所以向外磁场 " 屈服 " 的速度也更快了。这块盐里包含大约 1020 个原子,这就是说,整整 1020 个原子都参与了量子纠缠!

这个实验结果等于是在经典物理学的 " 伤口 " 上加了一把盐。因为既然宏观物体都能表现出量子效应,那么在量子世界和经典物理学世界之间人为地划条鸿沟就没有根据了。至于那只 " 薛定谔猫 ",还真可能处于既生又死的状态。

这样一来,物理学家未来的任务可艰巨了。既然量子规律既控制了微观世界,也控制了宏观世界,那么他们如何解释 " 一只猫既死又活 " 的荒谬呢?

本文源自大科技〈科学之谜〉 杂志文章 欢迎您关注大科技公众号:hdkj1997