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量子物理学的实验与哲学基础 安东.泽林格-第章

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对理解这个世界有何意义,它有什么意义吗?这是人们可能要问的问题,那么在物理界就有很多分歧了。所谓的哥本哈根解释,有时也被称为正统的解释,直接了当地说,对量子体系赋予性质时要特别小心,只有在极少数的情况下才可以这么做。多个世界的解释在对量子力学进行衡量时要表现出多个假设的世界,即使没有其他毛病,这至少也是一种不经济的解释。还有其他一些解释,我就不详加讨论了。以我之见,我认为在深层次上至今还没有什么理解。

    让我们再回到实验上,我们再来讨论一下双栅干涉实验。我在前面说过,如果我们从左面这里发射光线,通过这两条缝,就形成了这种干涉条纹,由于波的干涉而形成明暗交替。问题是,我们通过普朗克知道了光是由粒子组成的,那么就似乎应该问这么一个问题,一个单个的粒子会穿过那条缝,然后会出现什么情况?因为最后的图形毕竟是由许多单个的粒子组成的。爱因斯坦试图证明,可以知道粒子是从那条缝中通过的,而且如果收集许多的粒子,就会形成这种图形。但是波尔已经证明他错了。这是给实验者提出的问题,实验者对这种实验做何反应呢?我要说明一点,这种实验目前已经用多种放射性物质做过了,许多种粒子,而不仅仅是光线。

    我们三年前做了另一个实验,直到,今天是星期几?今天是星期三,直到五天前才完成,这是个世界纪录。我们得到了一些更好的结果。这是用碳60和碳70分子做的,这是在1985年发现的著名的富勒烯。我们实验的主要目的是显示生物分子的量子干涉。我们要做的是显示很大的分子在这种双栅实验中所形成的量子干涉,使分子尽可能地像生物分子那么大,为什么?理由很简单。如果你与生物学家交谈,就会知道目前生物学的观念是量子物理只是在化学中起一点作用,我们或多或少地还是经典的机械。当我们解释,比如大脑机能时,使用经典物理的方式。这虽然似乎是很合理的观点,但是却一点没得到证实,而且我们身体的一些机能也说明这种观点是错误的。为了证明这是错误的,就需要与生物学家合作,而且要学会使用同一种语言。因为语言差别很大,进行这种讨论的方法之一,是证明量子现象在正常状态下的生物分子中确实存在,而不是在人造的环境中。我们得到的第一个结果,是普啉产生的。它是一种相当复杂的分子,有四个耳状结构的扁平的分子,其原子数是六百,所以很重。它是血红蛋白的重要组成分子,是许多重要生物物质中的核心分子。我们用这种分子同样能形成干涉图形,与碳的性质一样。我想说一下,这是在三百摄氏度的温度下形成的,所以说温度很高,不是太低。我们用的下一种物质是胰岛素,大家知道它对调节人体内糖的转运非常重要。另外,它的原子数是六千,比富勒烯大十倍。下一个是小的纳米晶体,可以制成不同的大小,所以我们很容易控制它的质量。另一种很有意思的东西是这种被称为GFP绿色荧光蛋白的蛋白质,原子数是两万七千,能发出很纯净漂亮的光,所以用起来很有意思。我们还想要用这种东西形成量子干涉,就是用活的细胞,它很大很重,目前对此还没有什么办法,但是我们还是想试一试。基于我们目前的实验,我们有可能用至少有一千万原子数的物质形成量子干涉,这相当于小的病毒的质量。最大的问题是实验操作上的问题,如何使病毒或分子形成一条直线,并且一个一个地检测它们等等诸如此类的问题。有很多问题以前从没有人涉及,所以我们必须要自己想办法,但我们对此很乐观。我们从中所了解到的是,量子现象的有效性并不是严格地局限于微观世界,不是局限于很小的东西。大于小的区别并不是量子与经典的区别,这完全是两码事。纽约著名漫画加查尔斯。亚当斯曾画了一张关于双栅实验的漫画,我们知道关键问题在这里,他从树的两边过去了,可就是不知道是怎么过去的。他到底是怎么过去的?他玩了些什么花招?这张画是大约五十年前在纽约发表的。

    现在的观点是,信息对于解释量子物理学起着至关重要的作用。如果对于粒子的路径选择有任何信息,那么就不会有干涉。人们能否知道这个信息并不重要,关键是到底有没有这种信息的存在?另一方面,如果没有任何信息,无论你花多少钱也得不到这种信息,那么就会看到干涉。这个理论很有意思,因为干涉图形,那些条纹就包含着信息。所以你可以选择;或者知道粒子选择哪条途径;或者在干涉图形中获得信息。这说明信息在其中起着非常重要的作用。我在演讲的最后还要再谈这个问题。

    在我们的讨论中,另一个很重要的概念是纠缠态。对于不是学物理的人来说,有关这个物理学公式就不多作解释了。这个问题是1935年由爱因斯坦、卜朵尔斯基和罗森提出的。它与至少两个以上的,以一种非常有趣、非常密切的方式联系在一起的粒子有关。

    现代量子力学的创始人之一薛定锷,发展了一种量子力学理论。薛定锷在1935年称量子纠缠态为量子力学的本质,量子力学最主要的特征。他的意思是说,如果有两个系统,简单起见,这里用两个骰子表示两个系统。当你去测量时,每一个骰子都会给出一个完全随机的结果。然而,一旦你去测量一个骰子,对另一个的测量结果就被确定了。更严格地说,一旦你去测量一个粒子,另一个粒子的量子态立即就被确定了。但是在测量之前却是完全不确定的。对于像光子之类的粒子来说,我等一会还要谈这个问题,这与光的粒子,光子有关,这意味这极性是完全相关的,无论是水平的还是垂直的。爱因斯坦称纠缠态为幽灵式的超距作用。两个系统,对一个系统的测量,就能确定另一个的状态,无论它们相距多远。

    爱尔兰物理学家约翰。贝尔在二十世纪六十年代,对这种情况进行了研究。他试图通过一个简单明了的假设来分析这个问题。如果两个系统之间有这种完全相关,那么自然地这也是爱因斯坦提出的观点,那么自然地就可以推断,这个粒子带有一种性质,这种性质可以确定测量的结果。这种隐藏的变量性质超出了量子力学的范围。就如在色子的例子中,骰子以某种方式可以知道它要给出的点数,而我们也就可以做出自然的解释。贝尔定理说明,这种解释是不可能的,所以粒子之间的完成相关就不可能有解释。这种完全相关是基于粒子本身所具有的性质的。所以现在对于粒子的非定域性又一种说法,量子非定域性是用来描述这种情况的,也就是说一个粒子对于另一个粒子的依赖是非定域性的,这种相关是即时发生的,不是以光速发生,不是以任何速度发生,两个系统之间相关性的产生不需要任何时间间隔。有的情况很有意思,当你考虑两个以上的例子时,情况就特别有趣。例如三个粒子,被称为三个量子位,可以形成一个纠缠态,就会产生这种情形。在这种情况下,就出现了一种被称为局域现实的概念,就是说系统的性质是在局域确定的。

    现在我来谈谈关于应用的问题,量子理论不仅仅是学术研究,它不仅仅是我们理解世界的一种有趣方式,它也对信息处理提供了许多有趣的新概念。一个就是量子计算机。世界各地都有许多研制量子计算机计划,我知道中国也有。我不想详细地谈有关的具体的硬件,也就是说,它到底是什么样的?因为今天还没有人知道,完全处于想象阶段。人们在尝试各种不同的途径,基本的概念是必需要有一个中央处理器,我借用一个著名的电脑芯片公司的名字,称之为“昆腾”。基本的概念是我们可以用量子叠加的方式来处理信息。例如,如果要计算开平方,我们可以把数字4和9,以量子叠加态的方式同时输入“昆腾”,那么量子计算机,或用物理术语来说,一种大量的纠缠状态,量子计算机就会计算出结果。不是一个一个地计算,算完一个再算另一个,而是以叠加态来计算,就如这个最简单的例子,我们就可以得到以量子叠加态的形式输出的结果,2和3。现在人们对于量子计算有各种各样的说法。我个人觉得,大家知道计算机方面有一种趋势,就是计算机变得越来越小,其元件如晶体管等等处理信息所用的电子越来越少,如果照目前的情况
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