对于量⼦⼒学,有些⼈痴迷于其中的奇妙现象,希望⼀窥量⼦世界的奥秘;也有些⼈将量⼦⼒学视作天书,⼀听到各种复杂的概念就会满头雾⽔。其实,量⼦⼒学并没有那么神秘,它已经发展成为⼀⻔成熟的物理学分⽀。早在19世纪末,随着对微观世界的不断探索,物理学家逐渐意识到,适⽤于宏观世界的经典物理理论,⽆法解释微观世界中的运⾏规律和某些奇妙现象。
于是,经过物理学家的不懈努⼒,终于找到了⽤以描述微观世界的物理理论,这就是“量⼦⼒学”。正是因为量⼦⼒学所描述的微观世界,不同于我们身处的宏观世界,因此,我们总是习惯性地采⽤经典物理理论来思考问题,⽽很难理解量⼦⼒学。然⽽,要想把握量⼦⼒学的精髓,我们就只需要弄清楚“量⼦纠缠”这⼀核⼼概念就可以了。
在量⼦⼒学的理论体系中,当⼏个微观粒⼦在相互作⽤后,⽆论之后彼此相距多远,这⼏个微观粒⼦所具有的物理量都只能当作⼀个整体来进⾏描述,⽽⽆法再单独描述单个微观粒⼦的物理量。这种只存在于微观世界内,并且描述整个系统的物理量的现象,就叫作“量⼦纠缠”。在这⾥我们举个例⼦,来更加直观地体会量⼦纠缠的奇妙之处。⽐如,物理学家可以将⼀个正电⼦和⼀个负电⼦对撞,从⽽发⽣湮灭并且释放出⼀对光⼦。
由于这对光⼦的总物理量始终守恒,因此⽆论这两个光⼦相距多远,其中⼀个光⼦的变化都会⽴即导致另外⼀个光⼦也发⽣改变。因此,这对光⼦⽆论相距多远,都始终处于“量⼦纠缠”的状态。
在19世纪末到20世纪初,当时的物理学界出现了影响⾄今的两⼤学派,其中⼀派是以爱因斯坦、薛定谔为代表的“经典物理学派”,⽽另外⼀派则是以波尔、海森堡为代表的“量⼦物理学派”。
经典物理学派始终坚持从经典物理理论的⻆度出发,⽤宏观世界中的经验来思考物理问题。例如,爱因斯坦就⼀直强调,我们身处的物理世界应该是“确定性”的,⽽不能是充满随机性的概率。此外,⼀个完备的物理理论也应该遵循严格的“实在性”和“局域性”。⽽以波尔、海森堡为代表的量⼦物理学派却不这样认为。
针对经典物理学派提出的确定性,量⼦物理学派强调,微观世界中应该遵循统计意义上的概率性质,⽽不再像宏观世界⼀样总是对应确实的结果。因此,微观世界的本质上就是“概率性”的。
为了⽀持经典物理学派,薛定谔构思了⼀个有趣的思想实验,即“薛定谔的猫”思想实验,来反驳量⼦物理学派的“概率性”观点。简单⽽⾔,薛定谔假设⼀只猫被放在完全密闭的箱⼦内,这个箱⼦的内部状态⽆法被外界所探测。
箱⼦的内部也同时存在可以概率性衰变的放射性物质,以及⼀套探测放射性衰变的毒⽓释放装置。如果在⼀段时间内,放射性物质没有发⽣衰变,那么毒⽓释放装置就不会被触发,因⽽猫仍然会存活;然⽽,如果放射性物质发⽣衰变,那么该装置就会探测到衰变这⼀事件,从⽽触发毒⽓释放的开关,那么可怜的猫就会死去。也就是说,在箱⼦未被打开之前,这只猫的⽣死状态取决于放射性物质的是否衰变。但是,奇怪的事情发⽣了!
按照量⼦⼒学的观点,在微观世界中,放射性物质的衰变与否本身就是⼀个概率性的事件,⽽⽆法被准确地预测。因此,我们可以惊奇地发现,这只猫在未被观测之前,竟然⽆法处于⼀个确定的状态,只能说是处于存活/死亡的概率性叠加状态之中!
薛定谔希望,将量⼦物理学派信奉的微观世界中“概率性”,关联放⼤到宏观世界中,来违反⼈们⽣活中的常识,从⽽体现出量⼦理论的荒谬之处。
按照我们身处的宏观世界来理解,薛定谔的假设当然是正确的,⽽这种概率性的事件简直是⽆⽐的荒谬。以⾄于连爱因斯坦都感叹道:“我不相信只是因为我没有去看⽉亮⼀眼,夜空中的⽉亮就有可能消失”。然⽽,量⼦物理学派并不认可薛定谔的这种思想实验。波尔认为,经典物理学派并没有真正体会到微观世界中的概率性本质,⽽是仍然采⽤经典物理理论的思维,来套⽤量⼦物理理论的框架。
⾸先,微观世界中的概率性特征,不应该对应着宏观世界中的具体事物,⽽是应该存在⼀种失效的边界。也就是说,薛定谔思想实验中的“放射性物质随机衰变”这⼀微观事件,不能够⽆限地拓展到我们身处的宏观世界中。因此,我们不能对箱⼦中的猫采⽤量⼦⼒学的概率性进⾏描述,也就不存在处于存活/死亡叠加状态的猫。其次,薛定谔思想实验中的“毒⽓释放装置”需要探测到放射性物质发⽣衰变,才能够被触发并导致猫的死亡。
然⽽,这个探测过程⼀定是⼤量放射性物质发⽣衰变的统计过程。也就是说,单个衰变的过程发出的放射量太低,是⽆法被探测器有效探测的,只有⼤量的放射性物质发⽣衰变,才能超过探测器的最低阈值。因此,这个⼤量衰变事件发⽣的过程,仍然是⼀个统计意义上的宏观事件,⽽⾮量⼦理论所描述的微观事件。最后,探测器来探测放射性物质是否发⽣衰变,这⼀事件本身就是⼀种观察的⽅式。
也就是说,虽然我们没有打开盒⼦观察内部状态,但是发⽣衰变与否这⼀事件,其实在毒⽓装置被触发的⼀瞬间就确定下来了。因此,后续猫的状态也只是⾃然⽽然顺延发⽣的事件,也就没有所谓的存活/死亡的叠加状态了。