druid169

紅碼互動2016-04-25 19:52:34





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　　物理学家花费了上百年的时间解决量子世界中令人匪夷所思的问题，现在一部分科学家着手开始重新诠释量子理论。
　　说句实在话，没有几个物理学家不对量子理论感到头疼。但是经过超过一个世纪的相处之后，他们已经与其建立起一种融洽的工作关系；物理学家已经很习惯于量子特性的数学公式来分毫不差的计算分子结构，高能粒子碰撞，半导体特性，放射光谱等。
　　但是这种旧的工作方式已经过时，当研究人员企图揭开这个面具，寻找数学意义的时候，他们翻过了这堵看似坚硬的高墙。有什么东西真的既可以是波也可以是粒子吗？薛定谔的猫真的可以既生又死？一次微小的测量可以对半个宇宙外的粒子产生作用吗？
　　曾经许多物理学家面对这些奇怪的现象时，用波尔的“哥本哈根诠释”做挡箭牌。上世纪20年代，波尔、海森堡和他们的同事们共同将量子理论带入现代。这种诠释指出，量子诡异的现象反映的是对世界认知的基础性的局限，事情如此，我们必须要接受。来自纽约康奈尔大学的物理学家David Mermin有一句名言，“闭嘴，继续实验！”
　　但总有人多事，不愿闭嘴，企图摘下量子世界的面具，窥探真容。来自俄勒冈州波特兰大学的物理学家Maximilian Schlosshauer说：“是什么让量子世界迫使我们相信如此玄虚的道理？”他指的是不确定性原理（或者测不准原理）；用来描述不同情况下发现系统概率的波函数；还有其他量子理论教程上面引用的数学公式。
　　几十年过去了，一个由质疑者组成的小团体形成了一个共识，改变这一切的办法就是推翻前人理论进而重建。团体的分歧也同时产生了，重建如何进行。但是有一点是他们共同相信的，过去几十年来人们一直在用错误的角度看待量子理论，使其诡异、棘手、难以应用。如果使用正确的观点看待，他们相信，所有的事情就豁然开朗，长久以来悬而未决的问题，比如量子世界的引力问题就会迎刃而解，显然也许会诞生通用的概率理论。
　　来自加拿大安大略省周界理论物理研究所(Perimeter Institute)的Christopher Fuchs，说“重建量子基础理论的过程足足可以写一大厚本书，无论多么平实的语言你都不会感觉乏味，惊人的内容令你欲罢不能，量子机制的数学表达，在所有技术性细节方面都在颠覆想当然的认识”。
　　一个非常可行的尝试
　　这个故事应该从2001年讲起，当时来自牛津大学的Lucien Hardy认为量子理论也许与以前的所有“非常合理”的公理不同，不同之处在于不同系统的概率量度方式的差别，比如猜一枚硬币的正反面这种传统概率问题。
　　我们传统概念中的一个特定（Pure）的状态可以被赋予一个参数值，用N来表示。对于猜硬币正反面的实验来说，不管是正面还是反面，结果总是2选一，因此N等于2，同理对于骰子来说，N就等于6.
　　概率的工作原理在量子世界中是不同的，当对一个电子的自旋进行测量的时候，有两种特定（Pure）的状态，粗略的说就是按照顺时针方向或逆时针方向，围绕着自身的垂直纵轴旋转。这就与我们的现实世界完全不同，电子的自旋在人为进行测量之前处于顺时与逆时两种不同的叠加状态，并且不只是两种，有可能3种，4种……叠加数值是连续的。根据连续性公理（Continuity Axiom），各个特定状态间必须是平滑连续的，那么N2度量也将有一个特定完整的系统与之对应，这就是实验观察到的量子态。
　　但是，Hardy说，理论上，根据连续性公理，一个完整的系统将不仅仅是N2（2次方），更高级别的N3, N4……或更多度量也需要一个特定的状态与之对应，因此与量子态所不同的各种表现也许将会陆续被发现。
　　他并不打算在这些细节问题上过多纠缠，他的目标是将量子物理统一到数学概率论中。当然，他说，这些理论还是源自19世纪的数学家，以马克思•普朗克为首，爱因斯坦最早提出量子理论是在20世纪初。
　　Fuchs第一次看到Hardy的论文时就仿佛是被电击到了。“它像个锤子一样打到我的头，并且永久性的影响了我，”他说，于是他成为了一个虔诚的概率论支持者。
　　Fuchs尤其渴望重新诠释令人头疼的量子纠缠问题：量子状态中2个或者2个以上的粒子表现出来的相互依赖性，意味着，对于其中之一进行的度量就可以预测其它的度量值。举例来说，一个原子核中释放出来的两个相反方向的光子是纠缠的，一个如果在水平方向，另一个就在垂直方向。在测量之前，这两个光子相互作用且状态不确定，一旦测量进行，两个光子自发的确定下来，即使这两个光子之间距离远隔数光年。
　　这个现象是爱因斯坦和他的同事于1935年发现的，这种在不可思议的超远程距离进行的协同作用，几乎破坏了相对论，这就等于说还存在超过光的速度。他们最终讨论的结论是这一奇怪的现象证明量子理论并没有结束……
　　量子物理学界经过了将近一百年的反复，Fuchs倒向了对量子基础的全新认识。他放弃了旧观念，包括波函数，纠缠和其他那些构建在外部真实基础上的理论，学界任然有很多人秉持这些观念。取而代之，将原有的根本哈根诠释的相关内容进行了扩充，他坚持的数学结构中将观察者的个人信息、预期、信任程度都同时量化进去。
　　Fuchs的这一观点得到了同事Robert Spekkens的证实，他用知识平衡原理（Knowledge Balance Principle）来解释一个实验的观察者从系统中获取信息量的内在规律：在这个系统中观察者的信息用比特数来做衡量，没有人能够获得超出他或她缺失的信息量。虽然显得很有主观色彩，但是Spekkens的计算显示，这个原理对解释很多的量子现象已经足够充分，包括量子纠缠。
　　知识鸿沟
　　为了更加准确的理解，福柯重写了标准的量子物理理论，这一次将经典的概率论分支贝叶斯推理融入其中，这一理论是18世纪由贝叶斯发明的。用贝叶斯的理论来看，概率并非“附着于”客观物体之上的自在量，反之，将概率视作是观察者主观对于客观物体得以呈现的信念程度。福柯的量子贝叶斯观点，或者QBism（发音作“cubism”），是一个新的框架，使量子世界因为新的公理的产生而重回人们的视野，而不必依赖于数学概念，比如：波函数。QBism激发了新的量子实验，他说，这些实验有可能揭示新的，更深层的量子机制，同时量子概率的法则也可以同经典的概率理论最大限度的和谐共生。
　　“这是一个新的方法，如果被证明可行，将会改变我们对量子计算机和量子信息工具的理解，”他说，并强调所有的量子应用都有赖于量子概率论，起到了非常关键的作用。
　　曾经用以衡量知识的尺度只有一个，就是观察一个系统中信息的字节数。现在，则同样重回焦点问题，就像来自维也纳大学的物理学家Caslav Brukner 和Anton Zeilinger所说，“量子物理学是信息理论的基础”。与此同时，来自波兰的物理学家Marcin Paw?owski和他的同事正在研究一种新的理论，他们称之为“信息因果关系”（Information Causality）。这种理论假定一个实验者（叫她Alice）发送了m比特的信息给另外一方观察者（Bob），那么Bob就得到同等的m比特经典信息。无论他有多么了解Alice，实验信息数据转换的量都不变。
　　Marcin Paw?owski和他的同事发现这种假设被经典物理学和标准量子机制所支持，但是并非全能理论，无法解释两个携带信息的粒子以纠缠的形式具有的紧密相关性。因此，这个团队在论文中写到，“信息因果关系仅仅是自然的基本属性之一，”换言之，将来这一公理也有可能被重写。
　　对于量子理论的重建最惊人的是这些尝试正在迫使人们相信，主宰我们的宇宙的一系列法则只不过是一些数学上的假设。Schlosshauer说“现在的结论是许多量子理论都一致导向了概率论或数理统计，并非是量子理论本身”。这本身就很具有价值。“我们认为的很多量子独有的特性，”他说，“实际上都是概率论所特有的。这让我们回到究竟什么是量子理论的问题上来。”
　　即将成功？
　　Hardy说过去几年量子理论重建的脚步已经迈开，研究人员已经越来越有把握。“我们已经为理论突破做了充足的准备，”他说。
　　但是，如何才能评价这种成功？Hardy说有些研究人员正在通过更高维度上的量子实验获取相关性方面的实验数据。他说“但是，我想说真正的标准更多的还是理论上的，我们是否真正理解了量子理论，并且这些新公理是否真正启发我们超越已知的物理概念？”他非常希望这些理论有可能对量子引力学的发展产生积极的影响。
　　这种方法还有很多值得商榷的地方，Daniel Greenberger是来自纽约城市大学的物理学家，他的专业是量子基础理论，他说“没有一条单独的理论可以放之四海皆准，但是努力不会白费，我们在这条道路上已经积累了不少的经验”。
　　他是一个谨慎的乐观派，“一旦我们发现一套简单直观的物理学原理，而且有充足的证据来证明它，量子世界就不会显得那么神秘”，他说。“很多悬而未决的问题将会被破解，我将不会是唯一目睹这一切的人。”
　　编译/阿宝
　　原文选自：Nature

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