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探究量子死亡理论 揭秘为什么万物无法超过光速

http://www.kexue.com 2014-04-03 11:29:33 凤凰网  发表评论

  新科学家报道,随着宇宙逐渐变老,恒星将燃烧殆尽,最终整个宇宙的温度将达到均衡。没有热流,热力学定律也无法有效的传递能量。没有新的事物产生,一切都将保持停滞。这种宇宙的“热死亡”是19世纪悲观物理学家们最喜欢的话题,那时候人们自我安慰,倘若这一切终将发生,那也是很多很多年以后的事。

  然而,美国南卡罗莱纳州克莱姆森大学的理论物理学家安东尼-瓦伦蒂尼(Antony Valentini)则没有这么乐观。在过去的20年间,他主张热死亡已经发生了的观点,这种热死亡不是发生在我们所处的现实层面上,而是发生在很难直接观测到的潜在层面上。

  基本物理学不乏怪诞和不切实际的提议,而这种大胆的建议很容易被推翻。然而,瓦伦蒂尼观点的某些方面还是引起了同辈的注意。正如热动力学的热死亡使得未来我们无法利用能量进行任何活动,如果瓦伦蒂尼所谓的“热死亡”的确发生了,那么它或可以解释为什么我们无法理解自然的某些方面——尤其是那些与量子行为有关的特性。“瓦伦蒂尼得到了同辈的尊重,他的观点引起了科学家们的重视。”法国艾克斯马赛大学的卡洛-罗威利(Carlo Rovelli)这样评价道。

  瓦伦蒂尼认为他发现了这一理论的第一批证据,后者隐藏在宇宙大爆炸的余辉里。虽然看上去很奇怪,但量子死亡可能为我们对现实的理解注入新的活力。大约90年前,理论物理学界的大师们,包括阿尔伯特-爱因斯坦(Albert Einstein)、尼尔斯-波尔(Niels Bohr)、维尔纳-海森堡(Werner Heisenberg )和埃尔温-薛定谔( Erwin Schrödinger),齐聚比利时布鲁塞尔试图理解原子物理学里出现的怪异结构。在1927年的索尔维会议上,亚原子实体,例如电子,似乎既能够表现出局部的粒子特性,也能表现为模糊的向外传播的波特性,这一特征已经日渐明朗,而你所观察到的特性取决于你测量粒子的方式。

  大体来说,在人们进行观察之前,量子物体似乎处于是似而非的状态。例如旋转的量子特性可以被认为是两个值之前的某一个,也就是“向上”或者“向下”。除非你确定了物体,例如电子的旋转特性,否则这个物体似乎同时具有这两种值,在某个瞬间随机选择表现出其中某一种。

  这种模糊性甚至能够从一个量子物体延伸到另一个。如果两个电子同时出生,那么测量其中一个似乎会即刻改变另一个的状态,不管它们相隔多远,几米、几千米还是几光年。爱因斯坦并不是这种“纠缠理论”的支持者,他将其描述为“鬼魅般的超距离作用”。

  用计算来说话

  然而,从数学的角度看这些都不是问题。量子物理学显示,一个量子系统,无论是单个电子还是一对纠缠电子,它们都可以用“波动函数”来描述,后者包含这个系统里所有可能特性,例如旋转的信息。就像掷骰子一样,当你测量时,你无法确定将会出现波动函数的哪一个方面。但是通过利用一种灵活的数学技巧,也即将波动函数开方,计算不同方面的波动函数出现的概率就变为可能。

  这种技巧使得我们能够发展模糊量子基础的技术,从激光到计算机,太阳能电池甚至是核反应堆。但现在面临的问题是,这意味着什么?在测量之前,一个电子真的只是概率的集合?就像波动函数暗示的,它既什么都是,也什么都不是?它怎么知道量子纠缠里的另一个伴侣此时在遥远的星系里做什么?

  1927年的会议之后,大多数物理学家都选择了一个答案,那便是“闭上嘴用计算结果来说话”。波尔所在的哥本哈根学派提出了一种解释。它认为量子力学只是用于帮助我们预测世界正在发生的事的工具,而不是对现实本身的描述。不要问原因,事实就是这样。

  瓦伦蒂尼并不是第一个认为这一论调是站不住脚的借口的科学家。1927年的会议催生了好几种相互竞争的解释——但它们大多数被掩盖了,因为文史资料都是由哥本哈根解释的提倡者所书写的,例如海森堡和波尔。“你从书本里读到的标准历史其实是被曲解的。”

  瓦伦蒂尼的量子死亡理论始于其中一种竞争理论。它是法国物理学家路易斯-德布罗意(Louis  de Broglie)智慧的结晶,与哥本哈根解释不同,它清晰的阐述了量子世界里什么是真实存在的。每一个粒子位于确定的位置,任何时候都具备确定的特性,它是由一样真实存在的“导频波”所引导。纠缠的电子是由导频波联系在一起,因此一方的摆动——例如在旋转测量中操作其中一个电子——会引起另一方的即刻摆动,从而改变另一个电子的特性。我们所观测到的怪异行为其实是这种从隐藏层面上连接两个电子的复杂、相互纠缠的导频波网络的结果。德布罗意的导频波理论吸引人之处在于,它与标准量子理论进行了相同的预测,且目前为止这一理论与所有实验结果都相匹配。但它也是把双刃剑,这意味着没有其它方法可以测试它对现实的描述是否比量子力学更好。然而,由于这一理论暗示了神秘的无法预测的潜在现实层,因此大多数物理学家对此还是选择沉默。

  毫无疑问,量子纠缠的电子之间的确存在这种鬼魅般的行为:科学们探索了纠缠的粒子之间的联系,以创造虚拟的不可破解的技术以安全的传输信息。奇怪的是,尽管我们知道这些粒子之间“交流”的速度是光速的几千倍,但我们却无法利用这种联系以如此快的速度传递信息。这种量子理论的中心要素竟然不可思议的如此冗长。因此爱因斯坦提出的规则,也即任何事物移动的速度都无法超过光速,仍然成立。

  20世纪90年代瓦伦蒂尼首次意识到,这种无法超越光速的原因存在于波动函数开方产生的可能性。如果对很多对量子纠缠的电子进行开方计算,那么每一个纠缠对里的电子向上旋转的概率恰好为一半。这种对半分的概率至关重要,其它的比率,例如100:0, 80:20甚至51:49,都会在即时信息传输过程中给另一方的电子产生可观测到的变化。

  既然50:50是宇宙精心准备的均衡状态,那么瓦伦蒂尼认为急需一个物理机制来展现它。传统的量子力学认为宇宙一切纯粹靠概率:它就是现在的样子,没有理由认为它并非一直都是这样。而导频波让一切都发生了变化。这就是热力学起作用的地方。如果你观察一桶气体里的单个分子,它们很可能处于相同的温度,并传播了相同的容量。但经验告诉我们最初分子可能并非达到这个均衡态。当最初注入容器里,它们可能处于不均衡的状态,很可能集中在入口处。

  类似的,宇宙大爆炸最初产生的宇宙可能处于不均衡的量子状态。在最初的瞬间,粒子特性可能高度有序,所有向上旋转的粒子集中在一处,而全部向下旋转的集中在另一处。但密集的热量和暴力事件产生了一个纠缠的导频波网,后者试图达到一个相对简单的状态。在几分之一秒的时间内,导频波就让宇宙达到了这个状态。和热力学死亡漫长的过程不同,量子死亡发生在一瞬间。瓦伦蒂尼对德布罗意导频波理论的延伸显示了我们无法利用量子纠缠奇特的行为并非因为阴谋论或者暗中精心的调整,而是以任何其它量子配置为开始的宇宙的自然终结。

  很多物理学家的研究并不涉及信息以超光速的速度传输的情景,这将推翻过去一个世纪证明它们价值的宝贵概念,例如宇宙是相对的观点。“我对此表示非常焦虑。” 墨西哥国立自治大学的理论物理学家丹尼尔-苏达尔斯基(Daniel Sudarsky)这样说道。“它将改变我们对时空本质的设想。”

  量子死亡之前留下的遗迹可能仍存在于现在的宇宙里,潜在的影响我们对物理学允许和禁止的概念。无论事实如何,瓦伦蒂尼认为他已经发现了复兴整个量子死亡观点的线索。在宇宙大爆炸之后,量子死亡还未完成,宇宙经历了短暂的快速扩张,名为暴涨,这一过程放大了密度之间存在的细小差异,从而产生了我们现在观测到的星系和恒星的种子。本月早期,在南极进行(宇宙超星系偏振背景图像2(BICEP2)实验的研究人员报告称,他们发现宇宙大爆炸后遗留的宇宙微波背景的两极分化样式里印有暴涨的证据。

  2007年,瓦伦蒂尼预测暴涨将会放大没有到达量子均衡的密度波动。它们的怪异分布作为更长波长产生的轻微能量损失,应该印在宇宙微波背景里。去年,欧洲航天局普朗克卫星的数据提供了第一批决定性证据表明这种能量不足的确存在。 “这真是个好消息,” 瓦伦蒂尼说道。“定性的说,它与预测完全相符。”

  然而,并非所有人对此表示赞同。美国俄亥俄州克利夫兰市凯斯西储大学的宇宙学家格伦-史达克曼(Glenn Starkman)表示,普朗克的先驱美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,简称WMAP)的数据就已经暗示了这种能量不足的存在。瓦伦蒂尼应该已经知道这一点了,这使得他的预测意义不大。“他应该对我们尚未测量过的事物进行更有区别性的预测。”

  瓦伦蒂尼采纳了这一意见。他与克莱姆森大学的同事萨穆埃尔-科林(Samuel Colin)就宇宙微波背景里不同特征在各自波长里有何差异进行了更细节的预测。这所涉及的将不只是能量,还关系到各向异性——整个天空波动分布的不均衡性。“这是一石二鸟的策略,两份证据应该会让预测更有说服力。”

  同时瓦伦蒂尼试图用常识来阐述这一问题。“众所周知,热力学使得我们能够进行有意义的工作,热力死亡后一切才变得停滞。同理的,我们无法利用量子理论提供的特性是否也是因为量子的死亡呢?让我困惑不已的是存在这种阴谋论,一方面,量子理论本质上似乎是非局部的——量子纠缠里粒子之间交流的速度超过光速。而另一方面,你却无法利用这种能力发送信号。直觉上来说,我认为这背后一定另有隐情。”(编译/严炎刘星)

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