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奇闻轶事
从「量子纠缠」看感性认知的局限
文/泊文
自古以来,人们一直在探索人类存在的空间,我们把周围称之为环境,大一点的我们称之为世界,再大一点,我们称之为宇宙。当我们仰望星空,看着那寂静而深邃的太空充满著繁星点点……你是否会自然产生一丝联想:我究竟来自那颗星星?难道一个人的命运真的和自己的星座有关联吗?人真的受某种命运的主宰吗?宇宙中到底有没有高级生命的存在?难道人真是传说的万物之灵,是宇宙中唯一智慧的生命?我们幸而为人,可是为什么人类又有那么多悲剧和痛苦?说人有智慧,为什么我们不知道自己的起源?掌握不了自己的命运?
一位从来不相信神学的物理学家,如是说:「量子纠缠可能是当今科学最大的迷,也是最有可能和神学搭上关系的问题。」
何为「量子纠缠」
维基百科对「量子纠缠」比较浅显易懂,引用于此:「在量子力学里,当几个粒子在彼此相互作用后,由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质,无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质,则称这现象为量子纠缠。量子缠结是一种纯粹发生于量子系统的现象,在经典力学里,找不到类似的现象。」
简言之,对于二个相互缠结的粒子分别测量其物理属性参数,则会发现量子关联现象。以二颗向相反方向移动,但速率相同的电子为例,即使一颗行至太阳边,一颗行至冥王星边,在如此遥远的距离下,它们仍保有关联性,亦即当其中一颗被操作(例如:量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即时发生相应的状态变化。
此外,还会出现貌似「佯谬」般的现象:当对其中一个粒子做测量,另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果,尽管二个粒子相隔甚远。之所以以「佯谬」称之,是因为科学家尚不清楚这种「超距」式信息传递机制。
「量子纠缠」缘起
量子力学是描述微观世界物理规律的理论,他和经典力学对宏观物体的物理描述非常不同,在人类日常生活中,一个物体在地点A就在地点A,但是在微观世界,一个粒子同一时刻,是在地点A,还是在地点B,是用概率来描述的。
爱因斯坦不接受量子力学的机率解释,他为此说过一句很有名的话:「上帝不会跟人类投骰子!」
1935年在普林斯顿高等研究院,爱因斯坦和其他二位研究人员(P&R)写了一篇非常有名的论文,以思想实验(EPR佯谬)质疑量子力学理论的完备性。这是最早探讨量子力学理论对于强关联电子系统所做的反直觉预测。
这篇论文引发德国物理学家薛定谔很多感想,他用德文写了一封信给爱因斯坦,在这封信里,他最先使用术语Verschrankung(纠缠)来形容EPR思想实验里的二个暂时偶合的粒子,不再偶合之后,彼此之间仍旧维持的关联。
薛定谔意识到这一概念的重要性,不久他发表了一篇重要论文,对于「量子纠缠」这术语给予定义,并且探索相关概念。他阐述了「量子纠缠」不只是量子力学的某个很有意思的性质,而是量子力学的特征性质。
「量子纠缠」在量子力学与经典物理概念上做了一个完全的切割,「量子纠缠」被认为是微观世界的普遍特性,是宏观世界完全的现象。
爱因斯坦错了吗
爱因斯坦是一位伟大的物理学家,他创立的「相对论」,即使我们没有目染,也定有耳闻。简单的说,他发现了经典物理学(牛顿力学和经典电磁学)的局限性,经典物理学只在我们存在的周围世界适用,在更广阔的宇宙空间,则须要用他创立的相对论理论才能解释。
爱因斯坦的伟大在于他通过高度的理性(数理逻辑)的推理,结合他的宇宙哲学,突破人类感性认知的局限,发现了新的物理规律。在我们日常感知中,觉得时间、空间是均匀流逝和均匀分布的。但爱因斯坦告诉你,宇宙根本不是这么简单!你能设想光不是直线传播吗?你能设想时光倒流吗?这一切都远远地超过了人类日常生活的经验感知。
在「量子纠缠」这个问题上,爱因斯坦坚持经典物理学的「局域唯实论」:认为一个粒子在局域范围内携带了其全部性质,对其进行测量的所有结果构成粒子的物理真实。而根据量子理论的观点得出的结论是--相隔很远的二个粒子之间可以瞬间发生相互作用,对其中一个粒子的测量结果受远处的另一个粒子的操控。这在爱因斯坦看来是不可能的。「量子纠缠」似乎违反了在相对论里,对于信息传递所设定的速度极限,爱因斯坦甚至讥讽量子纠缠为「鬼魅般的超距作用」。
鉴于「局域唯实论」不断受到科学实验的否定,有人认为爱因斯坦这次似乎也难逃日常直觉的限制!
「量子纠缠」引起的反思
「量子纠缠」既然是现代物理学的前沿,自然有其高深艰难之处,科学前沿都是少数尖端科学家的事,不是每一个普罗大众都搞得明白的。
尽管人们更关心自己的命运,可是谁又能说清楚人类和自己的命运呢?物理学家主要是探索自然现象,并没有可以去探索人类的命运,可是科学往往是其发现带来一个意外的结果。「量子纠缠」的发现也是如此。
人们很容易想到:既然「量子纠缠」是普遍的超距现象,那么宇宙就不像我们看到的由一个个独立无关的星球组成,宇宙中的万事万物是紧密关联的,「纠缠」在一起的。这也包括我们人类在内,因为我们的肉身也是由无数微观粒子组成的。更进一步,既然「量子纠缠」是粒子的普遍特性,是否我们人身也可能完整的映射到另一个遥远的地方?那里还有一个一样的我?
稍作推演,你也许意识到,这似乎和宗教中讲的很接近了:人类是来自宇宙空间的,「天上人间」时空不同,「天上方一日,地上已千年」,科学的发现在证实宗教学说?宇宙中有更高级的生命存在?在爱因斯坦看来,似乎就是如此,他那句著名而诙谐的话最能说明这一点:「当科学家登上一座高山后,却发现神学家早就坐在那里了!」
人类生活在地球上,基本上是靠感知生活。即使是爱因斯坦这样伟大的科学家在认识世界时,也难免受感知的限制,何况我们作为一个普通人。
爱因斯坦对人类观念一经形成就难以接受新的知识有深刻的体验,他说:「我知道很多人,会无法接受,因为这方面的信息接触得太少了。多接触一些现在最前卫的科学发现,你就会慢慢明白,人类对宇宙、对地球和对人体是多么的无知。人体对现在的科学家来说,还是一个谜!永远的谜。」