探究量子死亡理論 揭秘為什么萬物無法超過光速

http://www.kexue.com 2014-04-03 11:29:33

新科學家報道,隨著宇宙逐漸變老,恒星將燃燒殆盡,最終整個宇宙的溫度將達到均衡。沒有熱流,熱力學定律也無法有效的傳遞能量。沒有新的事物產生,一切都將保持停滯。這種宇宙的“熱死亡”是19世紀悲觀物理學家們最喜歡的話題,那時候人們自我安慰,倘若這一切終將發生,那也是很多很多年以后的事。

然而,美國南卡羅萊納州克萊姆森大學的理論物理學家安東尼-瓦倫蒂尼(Antony Valentini)則沒有這么樂觀。在過去的20年間,他主張熱死亡已經發生了的觀點,這種熱死亡不是發生在我們所處的現實層面上,而是發生在很難直接觀測到的潛在層面上。

基本物理學不乏怪誕和不切實際的提議,而這種大膽的建議很容易被推翻。然而,瓦倫蒂尼觀點的某些方面還是引起了同輩的注意。正如熱動力學的熱死亡使得未來我們無法利用能量進行任何活動,如果瓦倫蒂尼所謂的“熱死亡”的確發生了,那么它或可以解釋為什么我們無法理解自然的某些方面——尤其是那些與量子行為有關的特性。“瓦倫蒂尼得到了同輩的尊重,他的觀點引起了科學家們的重視。”法國艾克斯馬賽大學的卡洛-羅威利(Carlo Rovelli)這樣評價道。

瓦倫蒂尼認為他發現了這一理論的第一批證據,后者隱藏在宇宙大爆炸的余輝里。雖然看上去很奇怪,但量子死亡可能為我們對現實的理解注入新的活力。大約90年前,理論物理學界的大師們,包括阿爾伯特-愛因斯坦(Albert Einstein)、尼爾斯-波爾(Niels Bohr)、維爾納-海森堡(Werner Heisenberg )和埃爾溫-薛定諤( Erwin Schr?dinger),齊聚比利時布魯塞爾試圖理解原子物理學里出現的怪異結構。在1927年的索爾維會議上,亞原子實體,例如電子,似乎既能夠表現出局部的粒子特性,也能表現為模糊的向外傳播的波特性,這一特征已經日漸明朗,而你所觀察到的特性取決于你測量粒子的方式。

大體來說,在人們進行觀察之前,量子物體似乎處于是似而非的狀態。例如旋轉的量子特性可以被認為是兩個值之前的某一個,也就是“向上”或者“向下”。除非你確定了物體,例如電子的旋轉特性,否則這個物體似乎同時具有這兩種值,在某個瞬間隨機選擇表現出其中某一種。

這種模糊性甚至能夠從一個量子物體延伸到另一個。如果兩個電子同時出生,那么測量其中一個似乎會即刻改變另一個的狀態,不管它們相隔多遠,幾米、幾千米還是幾光年。愛因斯坦并不是這種“糾纏理論”的支持者,他將其描述為“鬼魅般的超距離作用”。

用計算來說話

然而,從數學的角度看這些都不是問題。量子物理學顯示,一個量子系統,無論是單個電子還是一對糾纏電子,它們都可以用“波動函數”來描述,后者包含這個系統里所有可能特性,例如旋轉的信息。就像擲骰子一樣,當你測量時,你無法確定將會出現波動函數的哪一個方面。但是通過利用一種靈活的數學技巧,也即將波動函數開方,計算不同方面的波動函數出現的概率就變為可能。

這種技巧使得我們能夠發展模糊量子基礎的技術,從激光到計算機,太陽能電池甚至是核反應堆。但現在面臨的問題是,這意味著什么?在測量之前,一個電子真的只是概率的集合?就像波動函數暗示的,它既什么都是,也什么都不是?它怎么知道量子糾纏里的另一個伴侶此時在遙遠的星系里做什么?

1927年的會議之后,大多數物理學家都選擇了一個答案,那便是“閉上嘴用計算結果來說話”。波爾所在的哥本哈根學派提出了一種解釋。它認為量子力學只是用于幫助我們預測世界正在發生的事的工具,而不是對現實本身的描述。不要問原因,事實就是這樣。

瓦倫蒂尼并不是第一個認為這一論調是站不住腳的借口的科學家。1927年的會議催生了好幾種相互競爭的解釋——但它們大多數被掩蓋了,因為文史資料都是由哥本哈根解釋的提倡者所書寫的,例如海森堡和波爾。“你從書本里讀到的標準歷史其實是被曲解的。”

瓦倫蒂尼的量子死亡理論始于其中一種競爭理論。它是法國物理學家路易斯-德布羅意(Louis  de Broglie)智慧的結晶,與哥本哈根解釋不同,它清晰的闡述了量子世界里什么是真實存在的。每一個粒子位于確定的位置,任何時候都具備確定的特性,它是由一樣真實存在的“導頻波”所引導。糾纏的電子是由導頻波聯系在一起,因此一方的擺動——例如在旋轉測量中操作其中一個電子——會引起另一方的即刻擺動,從而改變另一個電子的特性。我們所觀測到的怪異行為其實是這種從隱藏層面上連接兩個電子的復雜、相互糾纏的導頻波網絡的結果。德布羅意的導頻波理論吸引人之處在于,它與標準量子理論進行了相同的預測,且目前為止這一理論與所有實驗結果都相匹配。但它也是把雙刃劍,這意味著沒有其它方法可以測試它對現實的描述是否比量子力學更好。然而,由于這一理論暗示了神秘的無法預測的潛在現實層,因此大多數物理學家對此還是選擇沉默。

毫無疑問,量子糾纏的電子之間的確存在這種鬼魅般的行為:科學們探索了糾纏的粒子之間的聯系,以創造虛擬的不可破解的技術以安全的傳輸信息。奇怪的是,盡管我們知道這些粒子之間“交流”的速度是光速的幾千倍,但我們卻無法利用這種聯系以如此快的速度傳遞信息。這種量子理論的中心要素竟然不可思議的如此冗長。因此愛因斯坦提出的規則,也即任何事物移動的速度都無法超過光速,仍然成立。

20世紀90年代瓦倫蒂尼首次意識到,這種無法超越光速的原因存在于波動函數開方產生的可能性。如果對很多對量子糾纏的電子進行開方計算,那么每一個糾纏對里的電子向上旋轉的概率恰好為一半。這種對半分的概率至關重要,其它的比率,例如100:0, 80:20甚至51:49,都會在即時信息傳輸過程中給另一方的電子產生可觀測到的變化。

既然50:50是宇宙精心準備的均衡狀態,那么瓦倫蒂尼認為急需一個物理機制來展現它。傳統的量子力學認為宇宙一切純粹靠概率:它就是現在的樣子,沒有理由認為它并非一直都是這樣。而導頻波讓一切都發生了變化。這就是熱力學起作用的地方。如果你觀察一桶氣體里的單個分子,它們很可能處于相同的溫度,并傳播了相同的容量。但經驗告訴我們最初分子可能并非達到這個均衡態。當最初注入容器里,它們可能處于不均衡的狀態,很可能集中在入口處。

類似的,宇宙大爆炸最初產生的宇宙可能處于不均衡的量子狀態。在最初的瞬間,粒子特性可能高度有序,所有向上旋轉的粒子集中在一處,而全部向下旋轉的集中在另一處。但密集的熱量和暴力事件產生了一個糾纏的導頻波網,后者試圖達到一個相對簡單的狀態。在幾分之一秒的時間內,導頻波就讓宇宙達到了這個狀態。和熱力學死亡漫長的過程不同,量子死亡發生在一瞬間。瓦倫蒂尼對德布羅意導頻波理論的延伸顯示了我們無法利用量子糾纏奇特的行為并非因為陰謀論或者暗中精心的調整,而是以任何其它量子配置為開始的宇宙的自然終結。

很多物理學家的研究并不涉及信息以超光速的速度傳輸的情景,這將推翻過去一個世紀證明它們價值的寶貴概念,例如宇宙是相對的觀點。“我對此表示非常焦慮。” 墨西哥國立自治大學的理論物理學家丹尼爾-蘇達爾斯基(Daniel Sudarsky)這樣說道。“它將改變我們對時空本質的設想。”

量子死亡之前留下的遺跡可能仍存在于現在的宇宙里,潛在的影響我們對物理學允許和禁止的概念。無論事實如何,瓦倫蒂尼認為他已經發現了復興整個量子死亡觀點的線索。在宇宙大爆炸之后,量子死亡還未完成,宇宙經歷了短暫的快速擴張,名為暴漲,這一過程放大了密度之間存在的細小差異,從而產生了我們現在觀測到的星系和恒星的種子。本月早期,在南極進行(宇宙超星系偏振背景圖像2(BICEP2)實驗的研究人員報告稱,他們發現宇宙大爆炸后遺留的宇宙微波背景的兩極分化樣式里印有暴漲的證據。

2007年,瓦倫蒂尼預測暴漲將會放大沒有到達量子均衡的密度波動。它們的怪異分布作為更長波長產生的輕微能量損失,應該印在宇宙微波背景里。去年,歐洲航天局普朗克衛星的數據提供了第一批決定性證據表明這種能量不足的確存在。 “這真是個好消息,” 瓦倫蒂尼說道。“定性的說,它與預測完全相符。”

然而,并非所有人對此表示贊同。美國俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲大學的宇宙學家格倫-史達克曼(Glenn Starkman)表示,普朗克的先驅美國宇航局威爾金森微波各向異性探測器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡稱WMAP)的數據就已經暗示了這種能量不足的存在。瓦倫蒂尼應該已經知道這一點了,這使得他的預測意義不大。“他應該對我們尚未測量過的事物進行更有區別性的預測。”

瓦倫蒂尼采納了這一意見。他與克萊姆森大學的同事薩穆埃爾-科林(Samuel Colin)就宇宙微波背景里不同特征在各自波長里有何差異進行了更細節的預測。這所涉及的將不只是能量,還關系到各向異性——整個天空波動分布的不均衡性。“這是一石二鳥的策略,兩份證據應該會讓預測更有說服力。”

同時瓦倫蒂尼試圖用常識來闡述這一問題。“眾所周知,熱力學使得我們能夠進行有意義的工作,熱力死亡后一切才變得停滯。同理的,我們無法利用量子理論提供的特性是否也是因為量子的死亡呢?讓我困惑不已的是存在這種陰謀論,一方面,量子理論本質上似乎是非局部的——量子糾纏里粒子之間交流的速度超過光速。而另一方面,你卻無法利用這種能力發送信號。直覺上來說,我認為這背后一定另有隱情。”(編譯/嚴炎劉星)

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