微觀世界中的奧秘

陳壯叔

無論我們把目前的世界稱為后工業時代還是信息時代，支撐它的現代科技，仍然是量子論和相對論。前者描述粒子（包括分子）尺度的微觀世界，后者則描述大尺度的宏觀領域。兩者各說各的，似乎并不搭界。可是，到了20世紀70年代，當宇宙學跟粒子物理學結合時，科學家發現它們幾乎很難相處，問題就在于各唱各的調。

首先，就愛因斯坦的相對論而言，它認為物質彎曲了時空，從而使這些物質受到了一種吸引的力，我們稱之為引力。在宇宙的演化中，正是引力起著主要作用。量子論在論述粒子的結構和特性上也十分成功，但它并不研究粒子通過時空時的性質，而相對論也不關心粒子的特性。因此，當你欲結合二者時，它們都呈現出互不相容的特性。正如一位理論家所說：“你如何從一個理論走向另一個理論？我們缺乏一個引力的量子理論。”

而現行的大爆炸宇宙論告訴我們，宇宙誕生于空間中的一個甚小點（稱奇點），它突然發生大爆炸，能量和物質井噴而出，隨著空間的膨脹，溫度從極高溫降至目前的3.7K。因此，科學家如果想知道宇宙產生的確切情況，就必須研究奇點。而想要對此做出模擬，你必須建立一個像太陽系那么大的加速器，這顯然是目前的技術達不到的。在理論上，很多物理學家想把上述兩個理論結合起來，試圖建立一個萬有理論，它將說明宇宙萬物如何在一個最基礎的水平上運行。

不過，牛津大學的彭羅斯說，量子世界跟相對論也許要比我們想象中更為和諧。我們把引力和量子論結合起來的實驗，只不過搞了幾十年，“我認為這是一條有希望的道路，不該另選‘捷徑’”。

迄今，我們一直忽視著物理學中某些怪現象的相互影響。例如，小分子和原子能在同一瞬間出現在兩個不同地方，這一現象被稱為重疊（Superposition）。這是量子世界中的一個關鍵特性，且在無數實驗中得以證實。但迄今，這一現象跟引力的關系一直未被述及，而這是相當基本的。

提出這些問題并找到答案，可以幫助我們打開了解整個宇宙運行方式的大門，并將弄清科學中的一個大謎題——是什么東西引發量子世界和我們體驗到的日常世界之間的轉換。實質上，這就是問物體究竟要具有多大質量就將失去量子特性?？茖W家古丁很樂觀，他說：“我們要比以往任何時候都接近搞清這一問題?！?/p>

這里還有一個難題，當一個原子處于重疊時，這個原子的質量是否造成兩個明顯的時空彎曲？也就是說，它是否會對自身施加一個引力粒子？彭羅斯說：“這里還有一個矛盾，一個（原子）重疊不能有兩個引力場。”

此外，按照狹義相對論，一顆原子通過時空時將產生一個屬于它的獨有的時間流經歷（也稱時間膨脹）。如果它處于重疊，那么這個時間膨脹勢必沿著兩條不同的路徑；而當重疊終結時，兩條路徑會合二為一。可是，不同的年齡（不同的時間流會造就不同的年齡）無法結合在一顆原子的身上。這就是說，廣、狹義相對論都容不下重疊現象。

按照量子論的概念，重疊跟量子干涉現象有關，允許量子客體在它們的空間位置之間產生其存在、特性的撕裂。

因此，想要解釋重疊，就得搞清量子干涉。目前通常的重疊實驗都是所謂的經典方法，研究者迫使一顆原子通過干涉儀（這是一個具有兩條縫的屏障）。實驗的結果十分奇怪：如果沒有人去測量它通過哪一條縫，那么它確實通過了兩條縫，其結果是一個干涉圖像，形成于置于縫后的探測器中。對這一圖譜的唯一解釋，就是一個原子被撕裂成兩個，各自通過對應的一條縫，并在到達探測器之前相互干涉。如果給干涉儀再配上一臺探測器，以搞清哪一條縫是哪一顆原子通過的，就會沒有了干涉圖譜，也即干涉失效，此稱“去干涉”。這就是說，原子的這種古怪行為只有在無人（或無物）關注它的情況下才會出現。

至于為何會出現這種現象，有很多觀點，但大多數人認為，這跟信息的丟失有關。探測器“看到”原子通過的路徑，會迫使原子選擇這一條或另一條路線，阻止了它得到干涉圖像。實驗證明，即使不用探測器，而是加熱原子使它發出熱光子，也能指出它的位置，從而強烈地弱化了它的干涉圖譜。

但沒有人真正知道它的確切原因。人們還發現，若聚集大量的原子就不能出現重疊。彭羅斯等人曾取得一個擁有800個原子（分子）的干涉圖譜。總之，原子的數量越大，重疊的時間就越短，這是因為大量原子的聚集使它不再是量子了。

哈佛大學的皮可夫斯基等人設計了另一種重疊實驗，其實驗思想基于時間膨脹概念。他們認為，我們把一只鐘（單個原子）放在大樓的5層，如果它進入重疊，就意味著該原子的重疊部分將處于另一層面（或高或低），即處在地球引力場的兩個不同部位。

按廣義相對論，時鐘在較弱的引力場中走時較快，因此你的頭部的年齡，要比你的腳部大上300毫微秒。對一只重疊的單個原子鐘來說，會有一個問題，由于兩個位置時間上的差異，該原子會被迫回到高或低的時間上。皮可夫斯基說：“事實上，該原子在不同的地方記錄了不同的時間，并在該原子的位置上泄露出信息?！睋Q言之，因引力而產生的時間膨脹，可以解釋在我們的日常生活中為何看不到物體的重疊。

令人興奮的是，這一研究目前正朝著較大質量領域發展。隨之而來的一個思想，就是為何在較大尺度上不會產生量子現象。一種看法是我們需要修正量子論，而另一種看法則認為重疊之所以不能在較多粒子組成的物體中出現，是因為所謂的自發定位現象，它跟物質分布有關。

目前，維也納大學的阿恩得特團隊已采用空前的較大物體重復雙縫干涉實驗。阿恩得特相信，自發定位將抑制10萬至1億原子質量單位的物體出現重疊。他說，這一實驗估計在2015年年底前將有所成就。在其重疊實驗中，已將物體的質量在原有基礎上疊加了1萬原子質量單位，并將向更高的目標前進。

雖然實驗結果將是最終的裁判，但這些技術自身都有很大的局限性。因此，阿恩得特更看好理論上的進展，在他看來，現在是理論家的黃金時代。

可是，理論家阿斯佩爾邁耶說，從理論上來看，前面還有一段較長的路要走，“這可能是長的、很長的，甚至是不可能走完的”。這里所指的是萬有理論，大多數人相信，這個理論離我們還是很遠。

但古丁相當樂觀，他說，上述實驗也有優點，那就是一切條件都具備，我們可以在現有條件下測試廣義相對論和量子論是否能夠結合。不過，他還是相當謹慎，他說：“直至最近，我們還未看到是否有可能對引力的量子相互作用進行測試?！?/p>

讓我們來思考這個問題：對微觀世界和我們日常的宏觀世界，二者之間如何畫線？又由誰來決定？前者很簡單，取決于該物體是否有量子特性，若有，則屬微觀世界。

彭羅斯、古丁等人著眼于粒子聚集的總質量，而有些科學家則把視線集中在粒子的波長上。量子具有波粒兩象性，如光子，它在飛馳時是光波，可是在碰到物體時，它又具有實物粒子的性質。

澳大利亞的科學家考林格，就在探索這條界限的由來。他說：“我們得到的所有東西，截取自我們大腦的信息，在那里構成了某種真實。但事實上，我們擁有的僅僅是一個純信息?！痹诳剂指竦奶?0實驗中，他看到一些光子源自這個分子，當這些光子離開該分子時就會帶走有關它的信息。在考林格看來，這些光子暗示了量子（微觀）和經典（宏觀）世界間的界限。他說，這兩個世界之間的一個關鍵性差別，就是古怪的量子重疊現象。

考林格認為，他們已經找到了答案。他們實驗的主題是所謂的“勃露格主波長”。大致上，我們可以將這個波長看作一個標尺，假如一個物體的勃露格主波長近似于它的長度，那么其波的性質明顯可見。拿一輛轎車來說，其波長為10米，遠小于轎車的長度，因此它的行為呈宏觀世界的特性。

在考林格的實驗中，也談到了信息丟失的問題。他說，如果對碳-70分子加溫。物質波的干涉圖像就消失了，原因在于該分子升溫時會發射出光子，這些光子帶走了有關該分子位置的信息。一旦你知道了分子的路徑，其行為就不再是類波特性，此時波被“局域化”，也即“凝固化”了，因而不再具有波的特性，干涉圖像也就消失了。

這里還要指出，彭羅斯等人的研究著眼于量子現象跟引力的關系，從某種意義來說，這更具有本質性，因為畢竟引力是宇宙的主宰。