定域还是非定域,爱因斯坦和玻尔各执己见

2018年05月24日09:39  来源:科技日报
 

第二看台

近日,世界各地的游戏玩家们用众包的形式帮助物理学家验证了一个物理现象。即参与“大贝尔实验”,利用超过十万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验。

非定域性是什么?这就需要我们首先了解定域性是怎么回事。中国科学院物理所博士研究生李哲介绍,定域性是指一个特定物体只能被它周围所影响。听完这个概念,你或许还对定域性是什么一无所知,要搞清楚什么是定域性,还要从物理学天空的“两朵乌云”说起。

量子力学和相对论的持久争论

19世纪的最后一天,英国著名物理学家威廉·汤姆生发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。但在展望20世纪物理学前景时,他却若有所思地讲道:“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了。”

威廉·汤姆生所说的两朵乌云,一个是热力学中黑体辐射问题,另一个是电磁学的问题。严格意义上来讲,黑体辐射没有一个理论模型能完美解释高频和低频辐射,有的理论更高频辐射,有的能解释低频辐射,但没有一个理论能同时满足所有的频率。电磁学中的问题是,理论计算认为光速是一个不依赖坐标系而存在的恒定值,这在当时的理论框架下是不可理解的。“这两个未能解决的问题,在物理学以后的发展中可谓掀起了腥风血雨。”李哲说,前者的问题直接导致了量子力学的诞生,而后者的问题则孕育了相对论。

当这两个悬而未决的问题有了合理的理论解释框架后,物理学又打开了两扇全新的大门。但当科学家们都在为此兴奋不已的时候,却发现了一个让人十分沮丧的问题:量子力学和相对论有着各种不可调和的矛盾,要把这两个理论整合到一个框架下,实在太难了。

也正是这样,从一百年前至今,多位研究者陆续在关于这两个分支的结合问题上取得成就,但有一个被广泛关注的争论至今未被解决,那就是定域性问题。

量子世界到底有没有某些“隐变量”

对此,爱因斯坦和量子力学的奠基人玻尔也展开了一场旷日持久的争论。1920年,爱因斯坦和玻尔第一次见面,两个人在相互阐述自己的理论后,都不认同对方的观点。爱因斯坦认为世界是有规律可循的;玻尔认为,世界是无法确定的,是按照不同概率叠加在一起的。

前面我们说了,定域性是指一个特定物体只能被它周围所影响。定域性是在相对论的概念下提出来的,即任何力的传递都需要媒介或者是直接接触。这怎么理解呢?李哲举了个例子。比如说我打你一下,那就是我的手要接触你的身体,这就是直接接触传递。而你为什么能听到我说话,是因为我的声带振动了,这个振动带动了声带周围空气的振动,直到这个振动传递到了耳腔的空气,我们就听到声音,这个媒介就是空气。

相对论认为,一个物体只能和周围发生相互作用。也就是说,你要和你有一定距离的物体发生相互作用,就要先和媒介发生作用,再通过媒介传递到那个物体。“这传递过程中,总会有一个传递速度。”李哲说,相对论认为这个速度的极限是光速。

而在量子力学,因有一个纠缠的概念,对这个问题的认识就不一样了。“量子力学中经常讲到概率,因为在量子的世界是不确定的,我们无法知晓一个粒子处于一个什么状态,它总是处于不同态的叠加。”李哲说。如电子的自旋,两个电子的自旋角动量的分量和要守恒。单从状态来看的话,电子处在一个自旋向上和向下的叠加态上,这时你并不知道这个电子究竟处在哪个态上。但是你把这两个电子分开,一旦测量一个电子的自旋是向上的,另外一个电子自旋一定是向下的。

那么问题就来了,这不需要任何时间来传播吗?在量子力学领域,是不需要的。这就和爱因斯坦提出的定域性产生了矛盾。

李哲介绍,这个争论的本质是爱因斯坦认为“宇宙是定域的,我们不知晓电子处在哪个态上只是因为可能有某些隐变量在约束着这个系统,我们需要一个更完备的理论来修改量子力学,正如相对论对于牛顿力学的修改那样。而两个粒子在分开的那一瞬间其实自旋就是已经确定了的。”

而玻尔则认为量子力学是完备的,量子力学的世界是一个非定域的世界,我们不知道电子的状态并不是技术手段达不到,而是由于它们处在一个随机的状态,两个粒子处在一个纠缠态的含义就是它们是一体的,不能像考虑单个粒子一样把它们分开来考虑。

谁对谁错?“贝尔测试”在找寻答案

面对争论,物理学家们也分成了两个阵营,一方支持爱因斯坦,认为量子力学是不完备的,测量结果肯定是受到了某种定域“隐变量”的预先决定,只是我们没有探测到它。而另一方则站在了玻尔这一边,他们认为当你对纠缠粒子对的其中一个粒子进行测量时,它会瞬间坍缩成一个状态。

到底谁对谁错?这时候就不得不提到另一位物理学家,约翰·贝尔。他在1964年提出了著名的“贝尔不等式”,为孰是孰非提供了一种验证可能。“贝尔测试”可以用来检验量子特性究竟是由定域隐变量决定的,还是由非定域的量子纠缠所导致。李哲介绍,可以理解为满足贝尔不等式的是经典系统,是定域实在系统,不满足贝尔不等式的系统都是非定域不实在系统。

1972年,第一个验证量子力学非定域性的实验出现;1982年,贝尔不等式得到法国物理学家爱斯派克特(A. Aspect)等人验证;2015年,荷兰代尔夫特技术大学的汉森研究组,公布了一篇实验论文,报道了他们在金刚石色心系统中验证了贝尔不等式。虽然这些实验都不同程度进行了论证,但都存在着一定漏洞,目前并没有一个让人信服的结果。(记者 翟冬冬)

(责编:于昕君(实习生)、熊旭)

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