十一、眾說紛紜的薛定諤貓

薛定諤提出的故事是要表明，量子理論不僅奇怪，而且荒謬。然而，這一理論又是這么有效，以至于大多數(shù)物理學(xué)家都忽略了這種荒謬性。

由原子構(gòu)成的東西是什么樣的？例如椅子是不是？尚未觀察到的星系就不是真實(shí)的存在了？像這樣的問題屬于物理學(xué)的難言之隱，我們通常鎖在衣柜里。

薛定諤卻感到困擾：如果量子理論能夠否認(rèn)原子的實(shí)在性，那么從邏輯上說就必須否定由原子構(gòu)成的事物的實(shí)在性。他確信，像這樣的不理性的東西不可能成為大自然的普遍規(guī)律。

如果您發(fā)現(xiàn)貓還活著，由于它已經(jīng)8小時(shí)沒進(jìn)食，因此你發(fā)現(xiàn)這是一只饑餓的貓；如果您發(fā)現(xiàn)貓死了，經(jīng)獸醫(yī)檢查確定貓是在8個(gè)小時(shí)前死的。這樣，你的觀察不僅創(chuàng)造了當(dāng)前的實(shí)在性，而且還創(chuàng)造了與此實(shí)在性相關(guān)的歷史。

你可能會(huì)認(rèn)為這一切很荒繆。這正是薛定諤要的結(jié)果。

量子理論將未觀測到的物理世界描述成一種潛在的疊加態(tài)。這與我們有意識地觀察所告訴我們的“物理世界是一個(gè)確定的狀態(tài)”這一點(diǎn)是相沖突的。

你能確信的是，你是波函數(shù)坍縮的觀察者。我們其他人也許都處于受量子力學(xué)支配的疊加態(tài)，只有通過你對我們的觀察，我們才坍縮到具體的實(shí)在狀態(tài)。當(dāng)然，由于我們中的其他人或多或少都像你一樣在看和行動(dòng)，因此你確信我們也有資格作為觀察者。

在大分子和人類意識之間的某種尺度上，存在著這種觀察和坍縮的神秘過程。我們至少可以相信，最后一步確實(shí)與意識有關(guān)。

驗(yàn)證或者駁斥薛定諤的貓的故事實(shí)際上是不可能的。有些物理學(xué)家在聽到這個(gè)故事時(shí)甚至激怒了。史蒂芬?霍金就叫道：“拿我的槍來?！?/p>

大的物體不可能是孤立的，它始終與世界其他東西想聯(lián)系。接觸就是一種觀察。

貓的故事提出了一個(gè)誤導(dǎo)性的不成其為問題的問題。

因此他（還有愛因斯坦）在哥本哈根聲稱的科學(xué)的作用僅僅是預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而不是去探索到底發(fā)生了什么這一問題上拒絕承認(rèn)是失敗主義者。

奧地利物理學(xué)家安東?蔡林格已經(jīng)用含有七十個(gè)碳原子的足球形大分子“巴基球”進(jìn)行了這種實(shí)驗(yàn)。他現(xiàn)在正準(zhǔn)備用中型蛋白和病毒來做同樣的實(shí)驗(yàn)。在最近的一次會(huì)議上，有人問他：“有什么限制嗎？”他的回答是“只有預(yù)算?！?/p>

含有數(shù)十億電子的真正的宏觀疊加態(tài)已被證明其中的每個(gè)電子都同時(shí)在兩個(gè)方向移動(dòng)。玻色—愛因斯坦凝聚已制造出來，其中的幾千個(gè)原子每個(gè)都延伸超過幾個(gè)毫米。

十二、尋求真實(shí)世界EPR

玻爾和愛因斯坦在他們的有生之年里作為友好的對手不止一次地為此進(jìn)行過交鋒。

您可以演示這兩種相互矛盾的情況。海森伯的測不準(zhǔn)原理的為這種看似矛盾的理論免遭駁斥提供了保護(hù)。因此你不能證明這里就存在邏輯上的矛盾。

EPR認(rèn)為，量子理論沒有描述物理上真實(shí)的世界。它要求一種觀察者創(chuàng)造的實(shí)在，僅僅是因?yàn)樗皇枪适碌娜俊?/p>

孌態(tài)光子

根據(jù)量子理論，沒有任何性質(zhì)是物理上真實(shí)的，直到它被觀察為止。

那么，特定的偏振并不是存在一種物理的實(shí)在。在愛麗絲觀察到她這邊光子的偏振之前，鮑勃那邊的光子并沒有偏振取向。但在愛麗絲這邊觀察的瞬間，鮑勃那邊的光子不費(fèi)任何物理力就獲得了同樣的偏振取向。你說怪不怪？

如果一個(gè)對象的物理性質(zhì)不被觀察就可以知道，則該性質(zhì)不可能借助觀察被創(chuàng)造出來。如果這種性質(zhì)不是通過觀察創(chuàng)造出來的，那么它必然是在對其觀察前就作為一種物理實(shí)在存在著。

EPR的實(shí)在性條件心照不宣地假設(shè)為，如果兩個(gè)對象彼此之間不施加任何物理力，那么在一個(gè)對象上發(fā)生的事情不可能以任何方式“干擾”到另一個(gè)對象。

玻爾同意，愛麗絲的觀察對鮑勃的光子不存在任何“機(jī)械的”干擾。不過，他仍堅(jiān)持認(rèn)為，即使沒有物理上的干擾，愛麗絲的遠(yuǎn)程觀測也會(huì)瞬間“影響”到鮑勃的光子所發(fā)生的行為。

我們用玻爾提出的神秘的術(shù)語來表達(dá)：愛麗絲“影響了”鮑勃的光子的行為。

盡管存在這種“非物理”的影響，但為了捍衛(wèi)量子理論，玻爾后來重新定義了科學(xué)的目標(biāo)。這個(gè)新目標(biāo)不是要解釋大自然，而只是要描述我們可以說的大自然。

他們只是以不同方式來解釋這些結(jié)果。愛因斯坦—玻爾的論戰(zhàn)被認(rèn)為“只是哲學(xué)上的?！?/p>

十三、幽靈作用——貝爾定理

物理學(xué)家很少注意到EPR或玻爾的回應(yīng)。量子力學(xué)是否完備不重要，它只要有用就成。誰還關(guān)心原子在被觀測到之前是否是一種“物理實(shí)在”。

貝爾定理被稱為“20世紀(jì)后半葉最深刻的科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。它使得量子力學(xué)的奇異性質(zhì)不斷地刺激著物理學(xué)的神經(jīng)。

只有物理的力能夠影響到物體的行為。由于沒有任何物理效應(yīng)可以比光速更快，因此我們可以分開兩個(gè)物體，使一個(gè)的行為在小于光速在二者間所需的時(shí)間內(nèi)不能夠影響到另一個(gè)。EPR對實(shí)在的論證中蘊(yùn)含著可分性假設(shè)。

為了反駁EPR，玻爾否認(rèn)可分性。發(fā)生在一個(gè)對象上的作用確實(shí)可以同時(shí)“影響到”另一個(gè)對象的行為，即使二者間沒有物理上力的聯(lián)系。愛因斯坦譏諷玻爾的這種“影響”為“幽靈作用”。

假設(shè)我們的世界具有不由對其觀察而產(chǎn)生的物理上的真實(shí)屬性，同時(shí)我們進(jìn)一步假設(shè)物體可以相互分離，使得在一個(gè)物體上發(fā)生的事情不能同時(shí)影響到其他物體。（為簡單起見，我們稱這兩個(gè)假設(shè)分別為“實(shí)在性”和“可分性”。）某些可觀察量不可能大于另一些可觀察量。貝爾定理的這個(gè)實(shí)驗(yàn)上可驗(yàn)證的結(jié)論成為“貝爾不等式”，它在任何具有實(shí)在性和可分性的世界里都是真實(shí)的。

在我們稱之為“合理”地世界中，物體具有物理上真實(shí)的屬性。物體是可分的，它們只能借助物理力而彼此作用，這種作用的傳遞速度不可能超過光速。

實(shí)驗(yàn)完成后，貝爾不等式遭到破壞。實(shí)在性和可分性假設(shè)在我們的現(xiàn)實(shí)世界力產(chǎn)生了錯(cuò)誤的預(yù)言。我們的世界不是既有實(shí)在性又滿足可分性。在這個(gè)意義上說，我們這個(gè)世界是“不合理”的世界。

在實(shí)際的貝爾定理實(shí)驗(yàn)中，愛因斯坦的“隱變量”和玻爾的“影響”的結(jié)果是不同的。

貝爾不等式可以表述為：轉(zhuǎn)過2β角造成的失配率不可能大于轉(zhuǎn)過β角所造成的失賠率的2倍。

遭到破壞的是貝爾不等式。而貝爾定理，即從實(shí)在性和可分性假設(shè)給出的對貝爾不等式的推導(dǎo)，是一個(gè)數(shù)學(xué)證明，不受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的制約。

這種物理實(shí)在地定義帶有哲學(xué)意味。然而，這種定義卻被大多數(shù)物理學(xué)家不加言明的接受下來。因此，我們只能剔除我們的現(xiàn)實(shí)世界中的可分性。

我們的現(xiàn)實(shí)世界不具有可分性這一點(diǎn)現(xiàn)在已經(jīng)被普遍接受了，雖然這顯得神秘。原則上，任何帶有相互作用的客體永遠(yuǎn)是糾纏在一起的，因此，發(fā)生在一個(gè)物體上的事情一定會(huì)影響到另一個(gè)。量子理論則將這種連通性延伸到整個(gè)宇宙。

由于真正的宏觀物體幾乎是不可能是孤立的。因此它們很快就會(huì)與其環(huán)境中的一切事物形成糾纏。折中復(fù)雜的糾纏效應(yīng)一般是檢測不到的。

歸納推理有效性的唯一論據(jù)就是假設(shè)了待確立的結(jié)論，而這從邏輯上說是無效的。然而，所有的科學(xué)都是建立在歸納基礎(chǔ)上的。我們都假設(shè)了我們具有自由意志。

人們可以通過下述做法來逃避量子謎團(tuán)：認(rèn)為甚至對那些事實(shí)上沒做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考慮都是沒意義的，同時(shí)宣稱我們可以做這些實(shí)驗(yàn)的這種感知也是毫無意義的。意味著存在一個(gè)完全確定和預(yù)先設(shè)定的世界，一個(gè)在其中我們想象的自由選擇被編程為與外部物理狀況同步的世界。

世界的表現(xiàn)分離的各部分之間可能是串通一氣糾纏在一起的，我們表現(xiàn)出的自由意志也將與它們糾纏在一起。

在與玻爾的爭論中，愛因斯坦在所有的細(xì)節(jié)上錯(cuò)了。不過，再物理學(xué)哲學(xué)方面，在關(guān)于所有事實(shí)的本質(zhì)方面，以及我們正在做和應(yīng)該做得等方面，愛因斯坦絕對令人欽佩……毫無疑問，在我看來，一個(gè)人應(yīng)如何思考物理學(xué)問題，他是典范。

十四、實(shí)驗(yàn)形而上學(xué)

實(shí)驗(yàn)表明，不存在什么未來的理論可以將我們的現(xiàn)實(shí)世界解釋成一種“合理”的世界。未來任何正確的理論都必須能夠說明這樣一種世界：描述對象不具有與對其“觀察”相分離的獨(dú)立屬性。原則上，這種判斷適用于所有對象。那是不是也包括我們自身呢？

宏觀結(jié)果

1997年，麻省理工學(xué)院的研究人員把一叢數(shù)百萬鈉原子置于低溫條件下，形成一種成為玻色—愛因斯坦凝聚體的量子態(tài)。

2009年，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的物理學(xué)家演示了由兩個(gè)大到肉眼足以分辨的物體之間形成的量子糾纏。

最大的分子有430個(gè)原子。這個(gè)新紀(jì)錄將單個(gè)對象同時(shí)置于兩個(gè)地方。此外，該分子有幾百攝氏度的內(nèi)部溫度，這表明，位置波函數(shù)不一定要通過與內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的耦合來實(shí)現(xiàn)退相干。他們將這種分子稱為“迄今為止實(shí)現(xiàn)的最胖的薛定諤貓”。

宏觀方案

鏡子的量子疊加

薛定諤的鼓

生物學(xué)中的量子現(xiàn)象？

葉片必須處于極低的溫度下，方可使振動(dòng)的原子不打擾疊加態(tài)，這是多原子對象顯現(xiàn)量子效應(yīng)所需的一個(gè)必要條件。

科學(xué)家們提出，將活性生物體置于量子疊加態(tài)，即同時(shí)處于兩個(gè)地方。

光合作用過程中。從經(jīng)典物理的角度看，電子通過隨機(jī)躍遷的方式能找到各自向光合系統(tǒng)傳輸?shù)穆窂?。但這種機(jī)制所顯示出的高效率表明，電子的概率波能夠同時(shí)取樣許多路徑并坍縮到最佳路徑。

量子相干效應(yīng)：即疊加和糾纏。

超越傳統(tǒng)智慧

從使用角度看，在與宏觀物體發(fā)生相互作用后，任何糾纏都將徹底消退。

然而最近的研究表明，糾纏持續(xù)的時(shí)間要比傳統(tǒng)計(jì)算給出的更持久。

復(fù)雜的糾纏本質(zhì)上變成沒有糾纏。