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嗯,这听上去的确不错,既符合常识,也没有引入什么惊人而疯狂的假设。太好了,现在我们有了一个统一的理论,可以一视同仁地解释微观上的量子叠加和宏观上物体的不可叠加性。
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但是,GRW自身仍然面临着许多严重困难,这条大道并不是那样顺畅的。他们的论文发表当年,海德堡大学的E.Joos就向《物理评论》递交了关于这个理论的点评,并于次年发表,对GRW提出了质疑。自那时起,对GRW的疑问声一直很大,虽然有的人非常喜欢它,但是从未在物理学家中变成主流。怀疑的理由有许多是相当技术化的,对于我们史话的读者,我只想在最肤浅的层次上稍微提一些。
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GRW的计算是完全基于随机过程的,而并不引入类如“观测使得波函数坍缩”之类的假设。他们在这里所假设的“自发”过程,虽然其概念和“坍缩”类似,实际上是指一个粒子的位置从一个非常不精确的分布变成一个比较精确的分布,而不是完全确定的位置!换句话说,不管坍缩前还是坍缩后,粒子的位置始终是一种不确定的分布,必须为统计曲线(高斯钟形曲线)所描述。所谓坍缩,只不过它是从一个非常矮平的曲线变成一个非常尖锐的曲线罢了。在哥本哈根解释中,只要一观测,系统的位置就从不确定变成完全确定了,而GRW虽然不需要“观测者”,但在它的框架里面没有什么东西是实际上确定的,只有“非常精确”“比较精确”“非常不精确”之类的区别。比如说,当我盯着你看的时候,你并没有一个完全确定的位置,虽然组成你的大部分物质(粒子)都聚集在你所站的那个地方,但真正描述你的还是一个钟形线(虽然是非常尖锐的钟形线)!我只能说,“绝大部分的你”在你所站的那个地方,而组成你的另外那“一小撮”(虽然是极少极少的一小撮)却仍然弥漫在空间中,充斥着整个屋子,甚至一直延伸到宇宙的尽头!
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也就是说,在任何时候,“你”都填满了整个宇宙,只不过“大部分”的你聚集在某个地方而已。作为一个宏观物体的好处是,明显的量子叠加可以在很短的时间内完成自发定域,但这只是意味着大多数粒子聚集到了某个地方,总有一小部分的粒子仍然留在无穷的空间中。单纯地从逻辑上讲,这也没什么不妥,谁知道你是不是真有小到无可觉察的一部分弥漫在空间中呢?但这毕竟违反了常识!如果必定要违反常识,那我们干脆承认猫又死又活,似乎也不见得糟糕多少。
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同时,GRW还抛弃了能量守恒。自发的坍缩使得这样的守恒实际上不成立,但破坏是那样微小,所需等待的时间是那样漫长,使得人们根本不注意到它。抛弃能量守恒在许多人看来是无法容忍的行为。我们还记得,当年玻尔的BKS理论遭到了爱因斯坦和泡利多么严厉的抨击。
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人和病毒观测的结果不同?
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还有,如果自发坍缩的时间是和组成系统的粒子数量成反比的,也就是说组成一个系统的粒子越少,其位置精确化所要求的平均时间越长,那么当我们描述一些非常小的探测装置时,这个理论的预测似乎就不太妙了。比如要探测一个光子的位置,我们不必动用庞大而复杂的仪器,而可以用非常简单的感光剂来做到。如果好好安排,我们完全可以只用到数十亿个粒子(主要是银离子)来完成这个任务。按照哥本哈根的解释,这无疑也是一次“观测”,可以立刻使光子的波函数坍缩而得到一个确定的位置,但如果用GRW的方法来计算,这样小的一个系统必须等上平均差不多一年才会产生一次“自发”的定域。也就是说,如果我们进行这样的“观测”的话,就可能在“观测”后仍然保有一个长达一年的叠加态!
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Roland Omnès后来提到,Ghirardi在私人通信中承认了这一困难(9) 。但他争辩说,就算在光子使银离子感光这一过程中牵涉到的粒子数目不足以使系统足够快地完成自发定域,我们也无法意识到或者观察到这一点!如果作为观测者的我们不去观测这个实验结果,谁知道呢,说不定光子真的需要等上一年来得到精确的位置。可是一旦我们去观察实验结果,这就把我们自己的大脑也牵涉进整个系统中来了。关键是,我们的大脑足够“大”(有没有意识倒不重要),包含了足够多的粒子!足够大的物体与光子的相互作用使它迅速地得到了一个相对精确的定位!
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推而广之,因为我们长着一颗大脑袋,所以不管我们看什么,都不会出现位置模糊的量子现象。要是我们拿复杂的仪器去测量,那么当然,测量的时候对象就马上变得精确了。即使仪器非常简单细小,测量以后对象仍有可能保持在模糊状态,它也会在我们观测结果时因为拥有众多粒子的“大脑”的介入而迅速定域。这样看来,我们是注定无法直接感觉到任何量子效应了,不知道一个足够小的病毒能否争取到足够长的时间来感觉到“光子又在这里又在那里”的奇妙景象(如果它能够感觉的话)?
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最后,原版的薛定谔方程是线性的,而GRW用密度矩阵方程将它取而代之以后,实际上把整个理论体系变成了非线性的!这使它会作出一些和标准量子论不同的预言,而它们可以用实验来检验(只要我们的技术手段更加精确一些)!可是,标准量子论在实践中是如此成功、如此灿烂辉煌,以至任何想和它在实践上比高低的企图都显得前途不太美妙。我们已经目睹了定域隐变量理论的惨死,不知GRW能否有更好的运气?另一位量子论专家,因斯布鲁克大学的Zeilinger(提出GHZ检验的那个)在2000年为Nature 杂志撰写的庆祝量子论诞生100周年的文章中大胆地预测,将来的实验会进一步证实标准量子论的预言,把非线性的理论排除出去,就像当年排除掉定域隐变量理论一样。
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OK,我们之后再来为GRW的终极命运担心,我们现在只是关心它的生存现状。GRW保留了类似“坍缩”的概念,试图在此基础上解释微观到宏观的转换。从技术上讲它是成功的,避免了“观测者”的出现,但它没有解决坍缩理论的基本难题,也就是:坍缩本身是什么样的机制?再加上我们已经提到的种种困难,使得它并没有吸引到大部分物理学家来支持它。不过,GRW不太流行的另一个重要原因,恐怕是很快就兴起了另一种解释,可以做到GRW所能做到的一切。虽然同样稀奇古怪,但它却不具备GRW的基本缺点。这就是我们马上要去观光的另一条道路:退相干历史(Decoherent Histories)。这也是在我们的漫长旅途中所重点考察的最后一条道路了。
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(1) 美国经典影片《雌雄大盗》里的两位主人公。
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(2) 《复乐园》卷一,1—7。这里用的是笔者自己的翻译。
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(3) 见Zeh,Found of Physics Letters 13,2000,p.22。
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(4) 这句话或许不是他的原创,至少罗森菲尔德就曾经表达过类似的意思。
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(5) 即南门二。它的一颗伴星是离我们地球最近的恒星,就是“比邻星”。很多读者来信询问,这个例子是不是在说刘慈欣的著名科幻小说《三体》,但本书最初写成时,《三体》尚未出版,因此,只能算是巧合。从量子论的角度来看,《三体》中智子利用量子纠缠来传递超光速信号的设想应该是不能实现的,不过,我们也不必以这样严苛的眼光来对待虚构类的科幻小说。
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(6)Nature V406。
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(7) 可见Max Jammer的名著《量子力学的哲学》。
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(8) 有人做过实验,肉眼看见单个光子是有可能的,但概率极低,而且它的波长必须严格地落在视网膜杆状细胞最敏感的那个波段。
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(9) 见Omnès 1994。
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上帝掷骰子吗?:量子物理史话(升级版) 12 New Adventures 新探险
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