耶魯大學(xué)的科學(xué)家們做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以說解決了長久以來困擾著物理學(xué)家們的一個(gè)大問題。這個(gè)問題甚至曾經(jīng)讓愛因斯坦頭疼不已，一些媒體也搶先給出了搶眼報(bào)導(dǎo)，都在聲稱“量子力學(xué)被推翻了”……

真的是這么回事嗎?

先說我的看法:量子力學(xué)并沒有被推翻，現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，至少在計(jì)算上，依然是好用、正確的，但是經(jīng)過這次實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有的量子力學(xué)至少還不夠完善?？梢灶A(yù)見的是，接下來理論物理學(xué)家們又有事干了，而且是有很多事干了。希望以后讀理論物理的學(xué)弟學(xué)妹們?cè)谏暾?qǐng)博士生的時(shí)候能拿到更多offer。

01 量子力學(xué)最吊詭的性質(zhì)

相信你一定聽說過“薛定諤的貓”，這只貓是物理學(xué)界的“四大神獸”之一，另外三只是“芝諾的烏龜”、“拉普拉斯怪”和“麥克斯韋妖”。這三只神獸有什么神奇之處以后再說。

“薛定諤的貓”其實(shí)是薛定諤用來diss量子力學(xué)的扯淡之處的思維實(shí)驗(yàn)。這個(gè)扯淡之處就是，量子力學(xué)最吊詭的性質(zhì)，就是一個(gè)量子系統(tǒng)可以同時(shí)處在不同的狀態(tài)?！把Χㄖ@的貓”是一只被放在盒子里的“半死半活”的貓，記住是“半死半活”，不是“半死不活”。只要你不去看這只貓，它就是“半死半活”的，它即是活的又是死的，但是只要你打開盒子看它，這只貓就要么是死，要么是活。

奧地利理論物理學(xué)家，埃爾溫·薛定諤

(Erwin Schrouml;dinger， 1887 - 1961)

薛定諤用所謂的“波函數(shù)”來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài):不打開盒子的時(shí)候，貓的狀態(tài)是一個(gè)“半死半活”的波函數(shù)，打開盒子以后，貓的狀態(tài)是“活著的”波函數(shù)或者“死了的”波函數(shù)。

02 愛因斯坦大戰(zhàn)玻爾

結(jié)合剛才“薛定諤的貓”的例子，量子力學(xué)給出了一個(gè)暗示:物質(zhì)的狀態(tài)跟觀察者有關(guān)。你不看貓，貓是一個(gè)狀態(tài)，看了之后貓則是另外一個(gè)狀態(tài)，如此一來，似乎唯物主義就崩塌了，因?yàn)榻Y(jié)果跟觀察者有關(guān)，唯心主義似乎在量子力學(xué)領(lǐng)域獲得了極大驗(yàn)證。

那么問題來了，觀察者的行為，是如何影響量子系統(tǒng)的呢?一個(gè)量子系統(tǒng)，測量前和測量后處在不同狀態(tài)，又是什么決定了狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?不要忘了，你看了貓以后，貓的狀態(tài)并不是一定的，它有可能是死的，有可能是活的，用薛定諤波函數(shù)的表達(dá)就是，你做了觀測以后，觀測前的波函數(shù)就“坍縮”成了觀測后的“波函數(shù)”。

觀測的行為會(huì)影響系統(tǒng)的狀態(tài)還好理解，但關(guān)鍵是，觀測以后的結(jié)果并不唯一，有可能是活貓，有可能是死貓。是什么決定了貓是活是死?這中間有什么必然性和因果關(guān)系嗎?

圍繞這個(gè)問題，以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派，和愛因斯坦產(chǎn)生了嚴(yán)重分歧。

玻爾和海森堡(師徒倆)認(rèn)為:

觀測前的狀態(tài)變到觀測后的狀態(tài)，完全是隨機(jī)的、瞬時(shí)的、不可預(yù)測的。

換言之，一只“半死半活”的貓變成“或死或活”的貓，這里面完全沒有中間狀態(tài)，整個(gè)過程是瞬間發(fā)生的，或者說，根本不存在“過程”，且結(jié)果完全是隨機(jī)的，根本無法預(yù)測貓到底是死是活。

那愛因斯坦就不樂意了，于是他說出了那句最著名的，diss量子力學(xué)隨機(jī)性的話:

God does not play Dice with the Universe.

上帝不會(huì)擲骰子。

愛因斯坦的意思是，凡事必有因果，觀測導(dǎo)致波函數(shù)坍縮，這個(gè)過程一定是“連續(xù)”的，應(yīng)該有個(gè)中間態(tài)，我們現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)條件無法觀測，但是并不代表這個(gè)中間態(tài)不存在，且不應(yīng)不可預(yù)測。

舉個(gè)例子:

這就好比一根雪糕，突然變小了。玻爾和海森堡的觀點(diǎn)是，這根雪糕就是瞬間、憑空變小了，沒有人吃它，也沒有融化，就是變小了。

愛因斯坦覺得這種觀點(diǎn)簡直就是強(qiáng)盜邏輯，雪糕變小了一定是融化了或者有人吃了，肯定有這么一個(gè)中間過程，一定有個(gè)原因，只是現(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)條件不夠精確，無法看到雪糕變小的過程。

這場斗爭其實(shí)沒有明確的結(jié)果，但是那么多年過去了，學(xué)界主流的觀點(diǎn)是偏向玻爾、海森堡這派的，量子力學(xué)這種“無理”的暴力性質(zhì)，變成學(xué)界默認(rèn)的一個(gè)量子性質(zhì)。

最直接的證據(jù)就是，“平行宇宙理論”是很多物理學(xué)家所相信的。因?yàn)槠叫杏钪胬碚摫闶怯闪孔恿W(xué)這種“無理”的“真隨機(jī)”特性推論出來的，且所謂的第五維度，就是量子力學(xué)的“可能性”維度。

03 耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了什么?

這次耶魯大學(xué)科學(xué)家做的實(shí)驗(yàn)，如果最終被證明是正確的，那么可以認(rèn)為，愛因斯坦和薛定諤的這一派獲得了勝利。因?yàn)檫@次的實(shí)驗(yàn)，觀測到了量子系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變的“中間過程”，且做到了一定程度的可預(yù)測性。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的具體做法相對(duì)比較復(fù)雜，我這里只作簡單概述:實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)，做了一個(gè)“假的”原子能級(jí)系統(tǒng)，以下簡稱“系統(tǒng)”。

這個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)能級(jí)，這三個(gè)能級(jí)是相互獨(dú)立的。三個(gè)能級(jí)分別叫基態(tài)|G>、第一激發(fā)態(tài)|D>和第二激發(fā)態(tài)|B>。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，是去觀測第一激發(fā)態(tài)|D>是否被原子占據(jù)。也就是說，第一激發(fā)態(tài)|D>的波函數(shù)是“滿”和“空”這兩個(gè)狀態(tài)的疊加，類比剛才“薛定諤的貓”的例子，第一激發(fā)態(tài)|D>是既“滿”又“空”的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是去觀測第一激發(fā)態(tài)|D>在“滿”和“空”的狀態(tài)之間是如何變化的。

但是記住，我們不能直接觀測第一激發(fā)態(tài)|D>，因?yàn)橹灰^測了，就會(huì)得到一個(gè)確定的“滿”或者“空”的結(jié)果，這就會(huì)導(dǎo)致第一激發(fā)態(tài)|D>的波函數(shù)坍縮，從而失去實(shí)驗(yàn)意義。也就是說，我們既不能直接觀測第一激發(fā)態(tài)|D>，又要知道里面發(fā)生了什么。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)巧妙的地方，是利用了所謂的“第二激發(fā)態(tài)”|B>。第一激發(fā)態(tài)|D>具體是“滿”是“空”，會(huì)通過它和基態(tài)|G>之間的“量子躍遷”(Quantum Jump)，間接地影響第二激發(fā)態(tài)|B>的狀態(tài)，所以實(shí)驗(yàn)要做的，是去觀測第二激發(fā)態(tài)|B>，便能間接地知道第一激發(fā)態(tài)到底是“滿”還是“空”。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，第一激發(fā)態(tài)|D>在“滿”和“空”之間的切換，是有“中間態(tài)”的，且是連續(xù)的，并且這個(gè)轉(zhuǎn)變發(fā)生之前，會(huì)發(fā)出預(yù)警，這使得科學(xué)家們可以提前操作，預(yù)防這個(gè)轉(zhuǎn)變的發(fā)生。也就是說，耶魯這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)量子系統(tǒng)做到了一定程度的可預(yù)測性。愛因斯坦又贏了……

猶太裔物理學(xué)家，阿爾伯特·愛因斯坦

(Albert Einstein，1879 - 1955)

當(dāng)然，愛因斯坦贏了玻爾也不奇怪，玻爾可是號(hào)稱物理學(xué)界的“打臉王”，玻爾被打過的臉可以說是數(shù)不過來了，咱的楊振寧就打過玻爾的臉，以后有機(jī)會(huì)再說......

04 實(shí)驗(yàn)推翻了什么?

表面上看，如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)做得沒什么問題的話，它確實(shí)推翻了玻爾和海森堡以及整個(gè)哥本哈根學(xué)派對(duì)于量子力學(xué)不可預(yù)測性的假設(shè)。這個(gè)結(jié)果可以說是對(duì)當(dāng)前學(xué)術(shù)界piapia打臉了。由此看來，量子力學(xué)也沒太神奇，它不過是一個(gè)更高端精致的統(tǒng)計(jì)力學(xué)。

雖然不能說量子力學(xué)被推翻，因?yàn)楝F(xiàn)有的量子力學(xué)在目前的物理學(xué)尺度下一直是精確、好用的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)告訴我們，量子力學(xué)在未來需要更多完善。就我個(gè)人看來，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了關(guān)于量子力學(xué)未來發(fā)展的兩個(gè)半可能性。無論是哪種可能性，在往后的日子里，物理學(xué)家們都有超級(jí)多事情要做了。

第一種可能性是，承認(rèn)實(shí)驗(yàn)的正確性，否認(rèn)真隨機(jī)以及不可預(yù)測性，回歸到愛因斯坦這條路上，去發(fā)展處關(guān)于波函數(shù)坍縮“中間態(tài)”的理論。因?yàn)楸M管薛定諤和愛因斯坦認(rèn)為有中間態(tài)，但薛定諤的“薛定諤方程”，并未給出任何關(guān)于波函數(shù)坍縮中間態(tài)的信息，所以肯定需要再去研究。但這樣一來，平行宇宙理論便徹底不靠譜了，什么“五維”到“十維”就更是白扯，所有穿越劇、平行宇宙有關(guān)的科幻電影就都拍錯(cuò)了，《星際穿越》、《彗星來的那一夜》甚至《復(fù)聯(lián)4》都變得毫無理論根據(jù)。

第二種可能，由于我們之前的量子力學(xué)理論不夠完善，有可能我們對(duì)于量子系統(tǒng)的理解還不夠到位。譬如，海森堡的這套以“不確定性原理”和“矩陣力學(xué)”為根基的量子力學(xué)理論，把不同的量子態(tài)完全處理成獨(dú)立、互不影響的狀態(tài)。所以才會(huì)有耶魯這個(gè)通過第二激發(fā)態(tài)間接觀察第一激發(fā)態(tài)的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)楸举|(zhì)上我們都假設(shè)了第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)是相互獨(dú)立的。但是萬一，量子態(tài)之間，事實(shí)上并非互相獨(dú)立，而是有微弱的糾纏關(guān)系，那么這個(gè)實(shí)驗(yàn)很有可能從根本的設(shè)計(jì)上就出錯(cuò)了，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒有推翻量子力學(xué)的“不可預(yù)測性”。也許“量子糾纏”現(xiàn)象是這個(gè)可能性的一個(gè)方向。

第兩個(gè)半可能，是哲學(xué)問題了，所以我叫它半個(gè)可能性。即我們要討論，到底什么是“真隨機(jī)”。比方你扔骰子，如果用高速攝像機(jī)拍下骰子扔出去的角度、速度，再通過牛頓力學(xué)，我們能算出來最后扔出來必然是多少。這種情況下，骰子的隨機(jī)性就是個(gè)“假隨機(jī)”，玻爾、海森堡的關(guān)于量子力學(xué)的觀點(diǎn)是，量子力學(xué)里的隨機(jī)性無法用一個(gè)量子的“高速攝像機(jī)”去拍攝，因?yàn)槟阋坏┡臄z就會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)坍縮，導(dǎo)致這個(gè)預(yù)測變得無法進(jìn)行。

德國哲學(xué)家、作家，古典哲學(xué)創(chuàng)始人，伊曼努爾·康德

(Immanuel Kant，1724 - 1804)

這里就要祭出著名的哲學(xué)大師，德國哲學(xué)家康德了?？档掠兴^“物自體”的概念，大概說的是:

事物的“本體”，處在所謂的“彼岸”，我們感知事物，是通過自身感官去與事物的屬性“耦合”，所以我們只是感受到事物的“性質(zhì)”，然而這并不是事物“本體”，彼岸不可知。

康德這個(gè)理論也可以被認(rèn)為是“不可知論”。運(yùn)用在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里就是，盡管我們知道了量子系統(tǒng)“可預(yù)測”，但本質(zhì)上，只要我們沒有辦法真的去預(yù)測它，那它對(duì)我們來說就還是“不可預(yù)測”，還是所謂的“真隨機(jī)”。盡管耶魯?shù)膶?shí)驗(yàn)證明了量子系統(tǒng)存在可預(yù)測性，但萬一決定這個(gè)“可預(yù)測性”的機(jī)制不可測量，比方這個(gè)機(jī)制小于“普朗克尺度”，那這就使得在實(shí)際操作上去做預(yù)測變得不可能。那么，在康德的理論看來，這種情況的隨機(jī)，還是一個(gè)“真隨機(jī)”，至少是個(gè)“真·假隨機(jī)”。

其實(shí)關(guān)于概率論的哲學(xué)基礎(chǔ)，人類目前還不能說已經(jīng)研究透徹了，所以可能要先弄清概率論的哲學(xué)根基，才能更加深入地討論這個(gè)問題。

很多科普文章說這個(gè)實(shí)驗(yàn)推翻了海森堡的“不確定性原理”，因?yàn)閻垡蛩固巩?dāng)年最反對(duì)的就是這個(gè)“不確定性原理”。這個(gè)說法有失偏頗，“不確定性原理”并未被推翻，只要海森堡這套矩陣力學(xué)還好用，“不確定性原理”就依然是正確的。除非等到新的理論做出來之后，才能真正地去探討“不確定性原理”是否真的被推翻了。

開個(gè)小差:如果不確定性原理被推翻，說不定“絕對(duì)零度不可達(dá)”這條定律也要被推翻。不確定性原理可以說是確?！敖^對(duì)零度不可達(dá)”的一個(gè)重要保證。

立個(gè)Flag:

最后說一下，這個(gè)實(shí)驗(yàn)新鮮出爐，主流學(xué)術(shù)圈還要討論一陣子。但如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論被普遍接受的話，我預(yù)言，這個(gè)實(shí)驗(yàn)成果一定會(huì)很快獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗慕Y(jié)論，太太太底層了，影響太太太巨大了。