“量子互文性”是物理定律的边界吗?

作者: 董唯元

来源: 公众号:返朴

发布日期: 2023-04-02 12:19:29

量子互文性揭示了量子理论与经典实在性之间的根本差异,即量子测量结果并不依赖于经典意义上的客观实体,而是具有不可消减的天然随机性。这一特性挑战了包括爱因斯坦在内的许多物理学家的经典观念,推动了量子理论的发展,并在量子计算等领域展现出独特的优势。

量子互文性是又一个量子的神奇性质。经典物理学中的每个对象,不管是铅球还是电磁场,都有若干自身固有的属性,比如动量或者能量。这些属性在每个时刻都有唯一确定的值,我们可以随时对其进行测量。即使我们不进行测量,属性的数值也一直存在。所谓测量,只是去发现一个已存在的事实。

然而量子理论却在使用另外一套语言来描述这个世界:首先,属性的取值并不唯一确定,而是具有不可消减的天然随机性;其次,那些数值只在测量时才存在,而不进行测量时压根就没有数值。

对于习惯了经典世界的头脑来说,第一条还勉强可以忍受,毕竟我们经常听到天气预报用一个百分数概率来告知明天是否下雨。但是第二条实在过于挑战,难道量子测量不是“发现”了测量结果,而是参与“创造”了它吗?

包括爱因斯坦在内的许多物理学家都极不愿意接受这个观念,并尝试了各种回归经典图景的努力。那些假设不进行测量时,物理属性仍然具备数值的理论被统称为“隐变量理论”。从某种意义上说,量子理论基本诠释方面的发展史,就是一个逐渐否定各类隐变量理论的历史。

经过几十年对量子现象抽丝剥茧的细致研究,尤其是近几年来量子计算领域的研究,目前所有可能的隐变量理论几乎已被排除一空。而硕果仅存的玻姆力学虽然仍占据一隅,但它需要引入的“量子势”概念却是个对经典观念更大的挑战。总之,当下科学界对量子理论的主流解读和认知中,量子测量结果确实就像柴郡猫的微笑一样,并不依赖于经典意义上的客观实体。

不过这并不妨碍测量结果的客观实在性,我们仍然可以使用量子理论对各种现象进行足够精准的预测,当然我们所预测的只是不同测量结果之间的关联关系。至于那个被测量的对象本身,无论称其为“波函数”也好,“量子态”也罢,都只是一个服务于计算的数学对象,而不具有物理意义上的实在性。物理学家之所以否定量子态的实在性,并不是因为它看不见摸不着。

电磁场也是一种看不见摸不着的物理对象,但是我们可以通过检验电荷来探知它的存在。既然量子测量也能产生可观测的现象,为什么我们不能像认可电磁场那样接纳量子态的真实存在呢?

一句话解释就是,量子测量结果中存在诡异的概率分布,无法与实在性在逻辑上相容。这个道理有点像由神迹推知神灵的超自然性,只不过神迹既无理论又无实验验证,而量子理论中的各种诡异表现和逻辑悖论,却在不断得到验证。

量子理论的“神迹”1935年,爱因斯坦(A. Einstein)、波多斯基(B. Podolsky)和罗森(N. Rosen)提出了EPR悖论,这个思想实验在各类介绍量子纠缠的科普文章中已经反复出现,这里就不再赘述具体内容。需要指出的是,这个悖论在提出之初原本是想证明隐变量一定存在。

粗看起来,一对距离很远的纠缠粒子之间,之所以在测量结果上存在关联关系,那一定是因为这对纠缠粒子就像一副手套一样,他们的测量结果由底层的某种隐变量事先确定。

1964年,贝尔(J. Bell)仔细研究之后提出了著名的贝尔不等式,如果量子的状态像手套那样由局域的隐变量事先决定,那么测量结果必然要遵循这个不等式。可是量子理论所给出的计算结果,却允许违背贝尔不等式的情况发生。也就是说,量子态并不是像手套那样在测量之前就已然确定了结果。这部分“溢出”贝尔不等式的概率,就相当于量子态所表现出的“神迹”,彰显出量子理论从根本上就无法与经典实在性相容。

1967年,数学家Simon Kochen和Ernst Specker在贝尔及更早些时候Gleason的工作基础上,提出了Kochen-Specker定理,把量子态的“神迹”扩展到了更一般的层面。贝尔的结论只是说,对一个量子系统进行的多个测量,如果他们之间类空间隔的话,那么测量结果就存在经典实在观念无法解释的关联关系。

而KS定理则不需要类空间隔这个限制,只要是对量子系统进行多管齐下的测量,那么各测量结果之间就存在超越经典实在观念的关联。

量子互文性可对易的多个测量之间的这种关联关系,很像语言中多义词的含义随着周边语境搭配的变化而变化,所以就被命名为“量子互文性”(Quantum contextuality)。这个特性所揭示的不仅仅只是量子系统中暗戳戳的相互影响,它甚至可以带领我们走进一个逻辑混乱的迷宫。

总之,当下科学界对量子理论的主流解读和认知中,量子测量结果确实就像柴郡猫的微笑一样,并不依赖于经典意义上的客观实体。不过这并不妨碍测量结果的客观实在性,我们仍然可以使用量子理论对各种现象进行足够精准的预测,当然我们所预测的只是不同测量结果之间的关联关系。至于那个被测量的对象本身,无论称其为“波函数”也好,“量子态”也罢,都只是一个服务于计算的数学对象,而不具有物理意义上的实在性。

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