探索量子常识那些超越我们常识的原理
发布时间：2023-07-01 09:32:09 所属栏目：外闻 来源：互联网
导读： 尽管量子力学的声音非常让人迷惑,但它有助于引导和帮助人类的知觉。
量子理论与常识相抵触。每个对物理学稍有兴趣的人都会很快得到这个信息。我们经常被告知，现实的量子观是
量子理论与常识相抵触。每个对物理学稍有兴趣的人都会很快得到这个信息。我们经常被告知，现实的量子观是
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尽管量子力学的声音非常让人迷惑,但它有助于引导和帮助人类的知觉。 量子理论与常识相抵触。每个对物理学稍有兴趣的人都会很快得到这个信息。我们经常被告知，现实的量子观是一个由粒子变成波的疯人院，它们通过违背正常时间和空间概念的诡异信息相互交谈。 我们认为世界是由坚实的、离散的物体组成的，树、狗和桌子这些东西具有我们都能统一的客观属性；但在量子力学中，具有明确身份的经典物体的整个概念似乎不存在。 听起来很荒唐？备受赞誉的物理学家理查德-费曼认为是这样，但他恳求我们学会接受它。我希望你们能接受大自然的本来面目，荒谬。 只是很多流行的说法都是错误的。量子理论实际上并没有说粒子可以变成波或以诡异的方式交流，它当然也没有说经典物体不存在。 它不仅没有否认经典物体的存在，还对它们存在的原因做出了有意义的解释。在某些重要方面，该理论的现代表述揭示了为什么常识看起来是那样的。 经典世界只是量子力学的样子，如果你是一米八高。我们的世界，以及我们的直觉，都是量子化的。 为什么谈及量子力学违反逻辑并普遍扰乱现实仍然如此常见。我们可能不得不把一些责任归咎于丹麦物理学家尼尔斯-玻尔。他可能是量子理论创始者中对其意义思考最深入的人，而且他的直觉通常是正确的。 但在20世纪20年代和30年代，玻尔在量子和经典世界之间打了一个持久的楔子。他说，它们的运作原理截然不同，而我们只需接受这一点。 量子力学告诉我们的不是世界是怎样的，而是当我们进行测量时我们会发现什么。该理论的数学机制为我们提供了各种可能结果的概率。 当我们进行测量时，我们得到的只是这些可能性中的一种，但不知道是哪一种；大自然的选择是随机的。量子世界是概率性的，而经典世界（也就是我们所有测量发生的地方）只包含唯一的结果。 事情就是这样的，指望量子力学提供更深层次的答案是没有结果的。它告诉我们（以不变应万变的可靠性）应该期待什么。 玻尔的 "哥本哈根解释"以他在1921年创建的物理研究所的位置命名，并没有完全宣布经典和量子物理学之间的矛盾，但它暗示了一种不相容性，玻尔用他所谓的 "互补性 "的咒语修补了这一点。 经典和量子世界是现实的互补方面，有常识，有量子的意义，但你不能有两个 ，至少，不是在同一时间。 对许多物理学家来说，互补性原则似乎是一个非常不令人满意的妥协，因为它不仅回避了关于现实生产资料的性质的理论上的困难方面的问题，而且现实社会基本上大部分是国家所有制禁止的。 互补性至少有一个优点，那就是准确地指出了问题所在，在理解我们对测量的意义方面。正是通过测量，物体变成了事物而不是可能性，它们变成了具有明确状态、位置、速度和其他属性的事物。 这就是反直觉的量子世界如何为常识性的经验让路。我们需要的是把量子和经典的观点结合起来，是一个适当的测量理论。在那里，事情消沉了很久。 现在我们有了这个这不是一个完整的理论，而且部分版本仍然不能使量子规则的明显奇怪之处消失。但它确实使我们能够看到为什么这些规则会导致我们所经历的世界。 它使我们能够超越玻尔互补性的混乱的非此即彼的选择。量子和经典之间的界限毕竟不是一条鸿沟，而是一条合理的、可追踪的路径。 测量需要解释，这是一个奇怪的想法。通常情况下，我们对测量的意义似乎是如此微不足道，以至于我们甚至都不问这个问题。一个球有一个位置，或一个速度，或一个质量。我可以测量这些东西，而我所测量的东西就是球的属性。 但在量子世界中，事情并不那么明显。一个粒子的位置不过是一整套可能的位置，直到它被观察到的那一刻。对于李子的任何其他方面也是如此。 一个量子物体中的众多潜在属性是如何变成测量设备上的一个具体读数的，是什么导致了该物体的设备指向那个精确的答案？ 现代的答案令人惊讶，测量行为毕竟不会导致量子性的崩溃和向经典性的转变。 量子物体具有波的性质，理论告诉我们，它们可以被描述为好像是波，尽管是一种奇特的波。这些波并不像空气或水中的波那样在任何物理物质中移动，而是被编码在一个称为波函数的纯数学对象中，可以被转换为可观测量值的概率。 因此，量子粒子（如光子、电子、原子、甚至整个分子）可以表现出干涉，这是一种经典的波的属性，当它们重叠时，两个峰值会相互加强，而当一个峰值与一个低值重合时，两者会相互抵消。谈论这种现象时很难不给人一种印象，即粒子本身在某种程度上是波浪形的，而"波粒二象性 "这一不幸的表述只会加剧这种混淆。 但我们在这里真正看到的是粒子的波函数的一个特征，因为想要一个更好的术语。问这些量子对象是否真的是粒子或波，就失去了意义，因为这两个都是经典的概念。我们之所以这样问，是因为我们本能地试图恢复量子世界的一些常识性的画面。但是我们所说的 "常识 "是经典世界的一个特征，我们不能期望把它用于量子事物。 环境是将经典物理学以及 "常识 "行为从量子汤中变出来的原因。量子效应，如干涉，依赖于不同实体的波函数相互协调（技术术语是相干的）。  如果它们不一致，这些效应就会被平均化。这种一致性是允许叠加的量子特性的原因，在这种情况下，粒子被说成是同时处于两个或多个状态。 同样，它们并非真的同时处于两种状态，我们不知道如何最好地描述它们在经典意义上的真实状态。但如果这些状态的波函数是相干的，那么这两种状态仍然是测量的可能结果。 如果它们的波函数不相干，两个状态就不能相互影响，也不能保持叠加状态。因此，被称为退相干的过程破坏了这些基本的量子特性，而这些状态的表现更像是不同的经典系统。 宏观物体不显示量子干涉或作为叠加存在，因为它们不能被相干的波函数所描述。这一点--而不是纯粹的尺寸本身--是我们认为的量子与经典（熟悉的）行为之间的根本分界线。量子一致性本质上是定义 "量子性 "的东西。 然而，是什么导致了退相干，这是因为量子实体的一个长期被忽视的方面，它们的环境。 一个量子系统的行为和演化方式可能在很大程度上取决于它不是孤立存在的事实。环境是将经典物理学以及 "常识性 "行为从量子汤中变出来的东西。 没有明显的理由，为什么退相干不能被玻尔和他的同行们在量子力学的早期理解，因为它只涉及量子理论的基本原则。它被忽视的原因可能主要是因为这就是科学中通常发生的情况。 研究人员认为，他们可以把注意力集中在他们感兴趣的系统上，而完全忽略其周围的环境，或者把它们归结为一个小的背景扰动。但如果我们想观察关于量子世界的任何东西，那就不行了。 退相干理论的基础是由德国物理学家在1970年代奠定的。即使在那时，它也基本上被忽视了，直到下一个十年，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的发表了两篇关于 "退相干计划 "的论文，把它带给了广大读者。 祖雷克是波兰人，留着一头旺盛的卷发，面对他所发现的量子力学中令人匪夷所思的方面，他表现出一种淡然的平静。一旦你意识到他曾在约翰-惠勒门下学习，这种冷静就很有意义了。 惠勒是一位近乎传奇的美国物理学家，他本人曾与玻尔共事，对诙谐的短语有一种罕见的天赋。他创造了虫洞一词，并推广了黑洞的概念。 祖雷克已经成为退相干理论的主要设计者和倡导者之一，帮助建立它作为连接量子和经典世界的核心概念。这种联系来自于量子相干性具有传染性的事实。 如果一个量子物体与另一个量子物体相互作用，它们就会被连接成一个复合叠加体，在某种意义上，它们成为一个单一的系统。事实上，根据量子力学，这是在这种互动中唯一可能发生的事情。 因此，这两个物体被称为纠缠。这听起来很诡异，但这只是当一个量子系统与其环境相互作用时发生的情况，当一个光子或一个空气分子从它身上反弹时。因此，相干性会扩散到环境中。 在理论上，这个过程是没有尽头的。一个纠缠的空气分子撞上另一个，第二个分子就会被卷入纠缠状态。同时，其他粒子也撞上了初始量子系统。随着时间的推移，该系统与环境的纠缠越来越多，这意味着它不能再被分解成独立的实体。 这种纠缠的扩散是破坏原始量子系统中相干性的表现的东西。因为叠加成为系统及其环境的共享属性，我们不能再仅仅通过观察该共享状态中对应于原始系统的一小部分来看到叠加。 你可能会说，我们不能只见树木不见森林。退相干实际上不是失去了叠加和相干，而是失去了我们在原始系统中检测这些东西的能力。 我们不需要一个有意识的头脑来测量或查看。不管有没有我们，宇宙总是在看，只有通过仔细观察所有纠缠粒子的状态，我们才能推断出它们是处于叠加状态的。 而我们怎么可能希望做到这一点，监测从原始系统上反弹下来的每一个光子，每一个与之碰撞的空气分子，然后再与其他分子碰撞。 拼图的碎片已经散落得如此之广，以至于就所有的实际目的而言，它们已经丢失了，尽管原则上它们仍然在那里，并且（就量子力学告诉我们的而言）无限期地保持如此。这就是退相干的本质，（个人）有意义的一致性的丧失。它是一个渐进的、真实的过程，以一个特定的速度发生。 量子力学允许我们计算这个速率，这样我们就可以对退相干理论进行测试了。1996年，巴黎高等师范学院首次做到了这一点，他们测量了一个被称为 "光阱 "的装置中的原子的退相干，并与光子进行了互动。 根据量子理论的计算，由于退相干造成的原子状态间的干扰损失与实验观察结果完全吻合。2003年，维也纳大学团队看到大分子的量子波之间的干扰消失了，因为他们改变了退相干的速度，逐渐将背景气体引入发生干扰的房间，使气体分子与物质波中的分子发生碰撞。同样，理论和实验都很吻合。 退相干是一个惊人的高效过程，可能是科学界已知的最高效的过程。对于漂浮在空气中的100分之一毫米宽的尘粒来说，它需要大约10-31秒，比光子穿过一个质子的速度快一百万倍。 这就是退相干，即使在近乎隔离的星际空间，宇宙微波背景的无处不在的光子，大爆炸的余辉也会在大约一秒钟内将这样的颗粒分解。 因此，对于在普通条件下接近宏观尺度的物体来说，退相干在所有实际情况下都是不可避免的和瞬间的，你不能让它们看起来像 "量子"。 这几乎就像创造世界的量子物理学定律被设计成对任何比原子大小大得多的东西隐藏这些定律，欺骗我们，让我们以为事情就必须是我们体验的方式。但是，如果我们足够仔细地观察自然界，我们可以看到这个把戏是如何做到的。 这种退相干的效果与正常意义上的观察没有关系。要把量子变成经典，我们不需要一个有意识的头脑来测量或观察；我们只需要一个充满东西的环境。不管有没有我们，宇宙总是在看。 然而，量子叠加的衰变和退相干的干扰只是量子测量理论的第一个要素。我们还必须解释为什么经典的测量仪器会记录它们所做的值。 我们如何定义叠加态取决于我们选择如何写数学。从量子的角度来看，所有的状态都是方程的同等有效的解决方案。 为什么其中一些状态能在退相干中存活下来，并在测量设备中被转化为那些毫不含糊的读数，或 "指针状态"，而另一些却不能。为什么我们看到的是常识性的状态，而不是不可琢磨的叠加。 答案有两部分。引起退相干的与环境的相互作用并不只是不加区分地压制量子性。它特别选择了具有特殊数学对称性的状态，而把其他的状态毁掉。 祖雷克把这称为环境诱导的选择或电子选择。通过这种方式，"环境的功能不仅仅是作为一个垃圾场，而是作为一个沟通渠道"。 不过，为了让我们能够测量一个量子状态，仅仅让它在退相干中存活下来是不够的。存活意味着该状态在原则上是可测量的，但我们仍然必须获得该信息以检测该状态。所以我们需要问，这些信息是如何被实验者获得的。 正是因为量子系统与其环境相互作用，它才会在经典的测量设备上留下印记。如果我们能够用一些神奇的仪器，记录所有空气分子离开尘埃斑点的轨迹，我们就可以不用直接看它就能知道这个斑点在哪里。 我们只需监测它在环境中留下的印记。实际上，每当我们确定任何东西的位置或任何其他属性时，这就是我们所做的一切，我们检测的不是物体本身，而是它所产生的影响。 就像把物体和它的环境耦合在一起一样，它也把关于物体的信息印在环境上，创造一种复制品。对该物体的测量就相当于从复制品中获取这些信息。 祖雷克和他的同事对退相干进行的详细理论分析表明，一些量子态比其他量子态更善于产生这些复制品，它们会留下更强健的足迹，也就是说有更多的复制品。 这些稳健的状态是我们可以测量的，并最终从底层的量子混沌中产生一个独特的经典签名。 只有 "最合适的 "状态才能在退相干过程中通过在环境中产生丰富的副本而生存下来。祖雷克恰当地称这个想法为 "量子达尔文主义"。 就像在自然界一样，这里的适配性是由实体和环境共同决定的。有些环境善于诱导量子物体的退相干，但不善于保留可靠的、定义清晰的副本。 空气分子的碰撞就像这样。你可以从空气分子反弹的轨迹中重建一个物体的位置，但前提是你能在这些信息被随后相互碰撞的分子扰乱之前收集到这些信息。 光子在保留印记方面要好得多，因为它们在从物体上反弹后一般不会相互作用，所以它们携带的信息不会那么容易被打乱。 视觉是生物体发现其环境的一种可靠而广泛的方式，这并不是巧合! 嗅觉，依靠气味分子通过繁忙、混乱的空气，就不那么好了。有些动物在视觉效果不好的时候会使用这种方法，但是嗅觉者必须嗅出一个游荡的、扩散的痕迹，而不是仅仅看到目标并向它走去。 你可以随心所欲地凝视一个咖啡杯而不去改变它，但你不能对一幅大师的画作这样做。 祖雷克和他的同事杰斯-里德尔已经能够计算出在一些简单的情况下，这种量子拷贝的扩散速度和范围有多大，例如在被阳光照射的真空中的一个尘埃斑点。 他们发现，在被照亮仅仅一微秒后，一粒一微米宽的尘埃将在散射的光子中印上约1亿次的位置。 正是由于这种多重印记，这种物体似乎根本就具有客观的、类似于经典的特性。比方说，十个观察者可以分别测量一个尘粒的位置，并且都同意它在同一个位置。 每次观察都会在反射的光子中消耗一个不同的尘粒副本。在这种观点中，我们可以给斑点分配一个客观的位置，并不是因为它真的 "有 "这样一个位置，而是因为它的位置状态可以在环境中留下许多无法区分的副本。 我们认为显而易见的常识原来在量子理论中有着安全但远非显而易见的基础。 这幅图有一个看起来很奇怪的推论。当我们通过探测一个系统在环境中的复制品来测量其属性时，我们会破坏该复制品。 我们是否有可能通过重复测量用尽所有的副本，从而使该状态无法再被观察到。是的，可以过多的测量最终会使状态似乎消失。 但是我们不需要为有限数量的副本而感到困惑。它只是告诉我们，如果我们不断地探究一个系统来了解它，最终我们会把它扰乱成另一种状态。 这与我们的经验完全一致。当然，你可以随心所欲地凝视一个咖啡杯，而不以任何实质性方式改变它。但你不能这样对待一幅老爷画，因为在太多的光线下颜料会褪色，你会改变它们的状态。 如果你长期和持续地检查一些足够小的东西--比如一个电子--哪怕是一个光子的反射也会成为一个大问题--所以在你最终看到一个不同的状态之前，你没有很多复制品可以捕获。 量子达尔文主义告诉我们的是，从根本上说，问题并不在于探测是否在物理上干扰了被探测的东西。是信息的收集改变了画面。 通过退相干，宇宙保留了量子世界的某些亮点，而这些亮点正是我们已经学会从经典世界中期待的特征。 退相干并没有完全消除量子力学的难题。最重要的是，尽管它显示了量子波函数中固有的概率如何被缩减为类似于经典的细节，但它并没有解释唯一性的问题。 为什么在退相干中幸存下来的可能的测量结果中，我们只看到其中一个。一些研究人员感到不得不把这一点作为一个额外的公理来添加，他们把现实定义为量子理论加唯一性。 同样，由于退相干理论，我们不再需要把量子测量作为使知识结晶的一些神奇和神秘的事件。我们有一个数学领域的理论可以用来来解释量子纠缠信息如何从量子系统中生长发育出来并进入宏观机械仪器。 我们可以用这个理论来计算这种情况发生的速度和稳健程度。我们终于有了一个测量的理论。更重要的是，它是一个不赋予有意识的观察者以特权地位的理论，剥去了量子力学中看似神秘的外衣。 不再需要玻尔将世界任意划分为微观和宏观，前者是量子力学的规则，后者则必然是经典的。现在我们不仅可以看到它们是一个连续体，而且可以看到经典物理学只是量子物理学的一个特例。从这个角度看，常识是量子感的直接和完全合理的衍生品。 常识来自于那些看起来与常识相去甚远的原理，这种测量的量子理论是对科学工作的通常方式的颠覆。我们通常认为人类的常识和经验是理所当然的，然后从它出发，推导出更基本的物理行为。 我们以这种方式发现的东西有时可能看起来离常识很远，日心说、希格斯玻色子、黑洞，等等。 但我们通常是通过想当然地认为在我们测量的东西和存在的东西之间存在着一种不复杂的关系来达到这些点的。但其实不然，这种关系是非常复杂的，因为我们的大脑不仅仅是一个神经系统，它还有许多其他的功能，比如语言、记忆、思维等等。 （编辑：我爱故事小小网_铜陵站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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