施郁:继续量子科学革命

选择字号:   本文共阅读 247 次 更新时间:2017-09-26 14:59:49

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施郁  

   爱因斯坦打开了量子纠缠的大门,首次揭示它的深刻意义。笔者认为这是一个伟大的贡献,而且他和助手关于定域实在性与量子力学完备性矛盾的推理没有错,只是在二者之间的选择上与后来实验不符。

   笔者强调,量子纠缠虽然是一种非定域关联,但并不违反相对论,因为没有超光速信号的传输。如果不将a的测量结果通知b处的观测者,后者是观测不到b的任何变化的,观测结果与塌缩前的量子态也是完全自洽的。对相对论的遵守也体现在量子隐形传态中,甲必须将测量结果告诉乙。所以量子纠缠和量子隐形传态都不可能瞬间传递信息。

   在量子力学早期,波函数曾经被当作三维物理空间中一种物理的波,但是这种说法很快被摈弃,因为波函数可以是很多粒子的位置的函数。现在对于波函数或者说量子态的诠释可以分为两类。一类是将它当作关于微观客体的知识或者信息,而量子态的塌缩反映了知识或信息的变化。另一类是将量子态当作一个客观实在,虽然它不是一个物理量。

   第一类中首先是长期占主导地位的以玻尔为代表的哥本哈根诠释。在哥本哈根诠释中,测量仪器必须用经典物理描述,而不能用量子力学描述。如果用量子力学描述测量仪器,就不会有不可逆的随机塌缩。但是哥本哈根诠释又认为经典测量仪器与量子系统的分界线可以根据需要改变。爱因斯坦等人的质疑对它的形成起了很大的推进作用,对爱因斯坦提出的理想实验,玻尔提出的解决方法主要就是将不确定关系用到仪器。

   从物理规律的普遍性来说,量子力学应该有明确的适用范围,而且仪器也是由原子组成的。冯·诺依曼讨论了测量的量子理论,测量仪器也是量子的,然后被另一个量子测量仪器所测量,如此延续下去。他和威格纳等人都将意识作为终结的仪器而实施随机塌缩。在笔者看来,这些用意识实现随机塌缩的做法是说不通的,也没有解决问题。首先,现代实验中的测量不需要意识去直接与实验过程耦合,而且引进意识的做法只是形式上引进与系统量子态相纠缠的意识量子态,并没有解释为什么意识能导致塌缩。再者,不懂该实验的人的意识能不能导致塌缩呢?用科学的方法研究意识及其与量子力学的关系、探索其中的客观规律是有意义的,但这与测量问题中的意识导致量子态塌缩这种诠释不是一回事。

   姑且不论它合理与否,在意识导致量子态塌缩的诠释中,量子态是观测者关于量子系统的知识,不是量子系统本身,所以意识改变的只是主观知识,而不是客观世界。如果忽略这里的意识是与量子测量耦合的意识,甚而将它归为念头,又将主观知识等同于客观世界,说“人类主观意识是客观物质世界的基础”之类的话,则是荒谬的误解或歪曲。

   即使没有测量,世界在一定尺度之上是经典的。有一个方法叫作“退相干”(相干就是指系统处于量子态)。它假设量子力学原则上适用于所有尺度所有情况,考虑到实际上大部分系统不是孤立系统,论证通过环境的影响,系统表现出表观的经典性质和哥本哈根解释。所以薛定谔猫瞬间就塌缩为明确的死活状态。退相干在很多具体情况取得了极大成功,而且对于量子信息及其它一些领域很重要。但是,对于退相干能不能彻底解决基本的量子测量问题,还有不同意见。

   另一个假设量子力学适用于所有情况的诠释是所谓“多世界理论”,属于第二类诠释,也就是说,它将量子态本身看作客观性质,而且不存在塌缩,所有的可能性都包含在整个世界的巨大的量子态中。在笔者看来,这个诠释背负着沉重的形而上学包袱,不同的世界之间有没有联系?如果有物理联系,那不就是一个世界了吗?如果没有物理联系,不同的多世界共存于怎样的一个“超世界”里?

   笔者同意诺贝尔奖得主温伯格所说,似乎每种诠释都有自己的问题。笔者还觉得,各种诠释的问题可能本质上是同一个问题的不同表现。希望在继续量子革命中,这些问题能得到解决。也有可能量子力学在某些条件下真正被取代,这需要未来的实验确定。

   量子力学没有动摇科学的一个基本方针,即客观世界和客观规律不依赖于人的意志。这也将引导量子力学的进一步完善。

  

   (作者:施郁,系复旦大学物理学系教授)

  

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文章来源:光明日报

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