量子世界為何出現古怪

陳壯叔

描述微觀世界運行的量子論，解釋了粒子的結構、質量等，是現代物理學的基礎之一。但令科學界困惑的是，量子世界有許多古怪現象：比如重疊，也就是說一個粒子在某個瞬間既在這里又在那里；比如糾纏，也就是說如果A、B兩個粒子處于糾纏態，那么你對A施加影響，B即刻會做出反應，不論兩者相隔多遠。這些怪現象已經困擾科學界一個多世紀了，愛因斯坦很早就注意到了微觀世界的這一現象，但他不愿意接受，稱之為“幽靈般的超距作用”。有不少學者企圖解開這些謎，但也無從著手。著名美國物理學家、1965年諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼曾說，“沒有人真正地了解量子世界……我們永遠也不能了解它”。

現在，物理學界開始行動，因為解開這些謎，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：究竟是什么東西，引發了量子世界和我們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。

牛津大學的彭羅斯等人，曾獲得一個擁有800個原子（分子）的干涉圖像。他說，原子的數量越大，重疊的時間就越短。這是因為大量原子的集聚，使它不再具有量子的特性了。維也納大學的阿恩德特團隊，采用空前的較大物體進行干涉實驗，并說自發定位（量子世界的一種現象）將抑制10萬至1億個原子質量單位的物體出現重疊。

有些科學家把宏觀世界和微觀世界的劃分，著眼于量子的波粒二象性。比如光子，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。澳大利亞科學家考林格，就此著手，探索這條界限的由來。他們實驗的主題，是所謂的“勃露格主波長”。大致上，我們可以把這一波長看作一個標尺，假如一個物體的勃露格主波長近似于該物體的長度，那么其波的特性明顯可見，也就是說，它具有量子特性。拿一輛轎車來說，其波長為10-30米，遠小于轎車的長度，因此它的行為呈宏觀世界的特性。

至于量子世界為何會出現這種怪現象，說法很多，但大多研究者認為，這跟信息的丟失有關。一些物理學家深入到古怪現象本身，探索它的緣由。

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。大多數人認為，這是信息丟失的結果。在這個方向上，研究比較深入的可能要數以下三位學者，他們是意大利帕維亞大學的達里亞諾及其同事奇里貝拉和佩里諾蒂。他們做了一些研究，在信息公理的基礎上共同提出了一個量子理論的衍生理論，引起了不少學者的關注。加拿大圓周理論物理研究所的理論物理學家盧西恩·哈迪等人評論說：“他們的研究內容和方法，都是不平常的。某些東西深入到了量子力學的核心?！彼麄兿胍宄孔恿W真正的底細。

對達里亞諾來說，這些研究已經過去了10年。當時，學生問他量子物理的定律來自何處，他無言以對。事后他說，“我深感困惑”。

他的困惑并不是一個個人問題，而是整個物理學界。物理學家總是站在物理原理堅硬的基礎上，描述物理世界的運行。比如牛頓的引力定律，認為兩個物體之間的引力，與它們質量的乘積成正比，而與它們之間距離的平方成反比。其物理原理，包含在一個簡潔的方程式之中。

在量子理論中，還是這些簡潔的方程式，卻無法展現出某些普適的原理，而以一種特別的方法，來解釋古怪實驗的結果。量子客體由波函數來描述，它可能（或不可能）對應任何事物的物理性質，處于一種抽象、多維的區域。

1925年，薛定鍔通過研究經典光學方程，得出薛定鍔公式。他把量子視為波更甚為粒子。達里亞諾說，“他從來未從原理中得出方程”。

類似的情況，就如洛倫茲和愛因斯坦。19世紀末，物理學家洛倫茲把光速觀測實驗上的矛盾調和起來，從而提出一系列的數學變換規則，即洛倫茲變換。而這些規則，并非出于他對光的任何基本了解。此后，愛因斯坦提出了有關光的物理原理，即真空中的光速是不變的，獨立于光源的運動；并也由此得出了洛倫茲變換。這些就成了狹義相對論的原理，進而使他提出了廣義相對論。達里亞諾說，“它改變了我們研究物理學的方法，原理是極重要的”。

我們能改變這種狀態嗎？我們能把量子理論的基本定律從原理中“取”出來，而不是依賴數學的魔法嗎？達里亞諾及其同事相信，他們的看法，將獲得科學界的共鳴。

哈迪說：“當我關注量子理論時，我看到一些事物；而我們需要的，是一系列更深刻的原理?！痹?1世紀初，哈迪做了嘗試，也取得了一些成績，但必須承認的是，他也沒有得到一個圓滿的解決方法。這就促使達里亞諾等人深入研究。奇里貝拉說，“我們認為，重新編寫量子力學的‘基因密碼，找到某些物理特性，是研究的基本所在”。

對哈迪和達里亞諾兩個團隊來說，“基本的事情”是跟信息有關。許多理論學家得出結論說，物體間的相互作用，都可以作為一種信息處理來描述。例如，原子在動量中攜帶著信息，當兩個原子碰撞時，它們動量的改變就如同兩位數通過計算機的邏輯門時的情況。因此，控制信息操作的規則，可能最終決定在我們的宇宙中該發生和不該發生什么。

達里亞諾團隊的研究始于2003年，他們努力去探尋可能適用于我們的日常世界和量子世界的信息規則。最終，他們得出了5條基本原理（比如保證將來不能影響過去等），并進而描述了量子世界的特性。

有一些現象，日常世界和量子世界確有一些區別，比如之前提到的重疊和糾纏等?？傮w來說，對一個量子系統的任何測量，只能取得一個隨遇性的結果；而你在測量前，是沒有辦法做出預言的，只能計算出不同結果的概率。

達里亞諾的團隊就在研究這些古怪，使我們看到了量子信息場理論的一線希望，也使得科學家可在不同量子態之間對場做研究。他們設定一些量子態為“純”態，例如，一個處在最低能上的孤立的氫原子就屬于純態；此外就是混合態，在這種態上，我們具有的信息是不完整的。一對糾纏粒子中的一個，就是處在混合態上，你無法了解其中一個粒子的全部信息；若一對糾纏粒子一起形成純態，你就可以了解兩者的全部信息，這也就是一個可確知的量子系統。

那么，我們是否可以說，量子世界的所有混亂和不確定性，都是來自缺乏信息呢？的確與此有關。如果每一個混合態都是純態的一部分，那么就可能以最大的信息量來描述每個物理過程。以這樣一個前景作為一個原理，奇里貝拉稱之為“純化原理”。

但純化原理也有一個較大的缺點，那就是它似乎傍著多世界的解釋，而這個觀點在量子理論中頗有爭議。量子力學測量產生隨遇性的結果，對此最多的解釋是：一個測量的各種可能結果，確實是存在的，但每一種結果，都處在不同的世界（或宇宙）中。例如薛定鍔的貓，它能同時處在生和死之中，除非你看到它究竟是哪種狀態。而在多世界解釋中，認為這只貓死于一個世界，而活于另一個世界。這與純化原理有些相似，這些不同世界都處于混合態，只有真實是被純態描述的。

達里亞諾團隊想通過一種方法，以追蹤量子系統的演化。為此，他們需要提出一個特殊的框架，比如粒子的質量也會納入其中。如果他們能取得這個正確方法，就可以提供比量子理論更好的理論。這很可能是把量子理論和廣義相對論相結合的另一條路，可能把我們導向對量子引力的描述。一位萬有理論研究者說，這是他們長期渴望取得的東西。在他們看來，只要深入研究量子理論，就不會出現愚蠢的問題。