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王孟源:宣傳中國的量子衛(wèi)星,別把“哥本哈根解釋”混進來
關鍵字: 量子衛(wèi)星時間晶體楊振寧2
單粒子(Single Particle,沒有縫隙,也沒有墻)系統(tǒng)沒有任何物理反應,所以當然用不上量子去相干;但是單事件(Single Event)實驗絕對可以用量子去相干來解釋清楚。請注意,量子去相干不但沒有“塌縮”這個說法,它原本就是為了詳細解釋塌縮這個假象而發(fā)展出來的。
王向斌所說的“測量完成后,任何被測系統(tǒng)在所測的物理量相應的空間中都得是一個純態(tài),即不能與任何別的東西糾纏”,是他錯誤的核心。量子去相干理論真正說的,剛好相反,就是測量的過程正是讓被測量的粒子和測量儀器做反應,從而形成兩者之間的糾纏,同時打破被測量的粒子原本在幾個不同量子態(tài)之間的相干性(靠的是測量儀器的大量凝態(tài)粒子的自我相互作用來消滅相干性)。被測量粒子和測量儀器之間形成完美的糾纏態(tài),而不是純態(tài)。
用雙縫實驗做具體的例子:被測量粒子是單個入射光子;“測量儀器”則是那面墻,測量的物理量是光子的位置。光子經(jīng)過雙縫的時侯,走A路和走B路的波函數(shù)是疊加的,這時A和B就是所謂的“相干”。這和古典粒子隨機決定走A路和走B路不同,因為古典隨機現(xiàn)象疊加的是機率密度,而量子現(xiàn)象疊加的是波函數(shù);前者是后者在向量空間的自我做張量外積(Tensor Product)后的對角線項,一般說成是平方。因為在隙縫處兩個波函數(shù)疊加,所以從隙縫到墻之間,經(jīng)過薛丁格方程式的演化,在墻上的波函數(shù)分布仍然同時有A和B的貢獻,于是產(chǎn)生了復雜的條紋,這叫做“干涉”。討論到目前為止,都屬于標準量子力學的范疇,可以用實驗證明,沒有任何爭議。
波函數(shù)在墻上各個不同位置的可能性,也是疊加的,換句話說,仍然處于相干態(tài)。然后光子與墻作用,只有一個點亮起來,于是光子的位置被確定了,實驗完成。在最后這一步,才出現(xiàn)對其背后邏輯的分歧看法,有了各種“解釋”。
Copenhagen解釋說,測量儀器和觀察者都是系統(tǒng)(即這個單一光子)之外的神秘物體,波函數(shù)只對系統(tǒng)有效(只考慮被測量粒子,而不管粒子與儀器的互動,其實是Copenhagen解釋的基礎邏輯錯誤)?!皟x器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”都無法定義,反正人看到了自然會知道。那么既然只有光子有波函數(shù),它撞墻的過程就必須從原本所有可能位置的相干態(tài),一瞬間轉變?yōu)榧性诹咙c的純態(tài),這被波爾叫做“塌縮”(Collapse)。至于在人類演化之前,顯然沒有任何可能的“儀器”、“測量”、“觀察者”和“觀察”,量子事件是怎么塌縮的,就不關波爾的事了。Copenhagen解釋對懶得用腦的實驗者來說,是個很直覺、容易上手的經(jīng)驗準則,但是完全經(jīng)不起邏輯的推敲。
量子去相干則不一樣。它說整個宇宙只有一個波函數(shù),包含了每個粒子。相互之間沒有作用的粒子,原本的多變量波函數(shù)可以Degenerate,分解成為個別粒子的波函數(shù)的簡單乘積,所以光子的飛行過程,可以看作是單粒子波函數(shù)的演化。但是光子撞墻,就是它和墻內(nèi)部的極大數(shù)量處于凝態(tài)的原子有了作用,這個過程絕對不能看作是單粒子波函數(shù)的自行演化,而必須是“光子+墻”(也就是”被測量粒子+測量儀器“)這個巨觀系統(tǒng)的波函數(shù)的共同演化。因為墻處于低溫凝態(tài),每個原子的位置都是固定的,沒有任何不同可能位置之間的不確定性和相干性,一旦光子和它作用,形成完美的糾纏,就以大欺小,把光子不同位置之間原本的相干性用巨量的原子稀釋掉了(到非常接近于零,但不是數(shù)學上的零,只是物理上的零,亦即無法用實驗與真零分辨出來)。這個過程叫做“去相干”;它不是什么神秘的新機制,而仍然遵守著薛丁格方程,只不過因為是數(shù)量極大的多體問題,所以不能有確解。這個過程的結果,不是一個純態(tài),而是”被測量粒子+測量儀器“之間的糾纏態(tài)。
Einstein所說的“上帝不擲骰子”,指的是Copenhagen解釋里塌縮的過程中,原本光子有無限多個可能的位置,必須一瞬間丟棄近凈,新的波函數(shù)里只剩下一個單一的測量結果,就像擲骰子一樣。相對的,量子去相干解釋里,原本光子的所有不同可能位置,仍然被包含在新的波函數(shù)里,并沒有被舍棄;但是波函數(shù)已經(jīng)不再能被視為個別粒子的波函數(shù)的簡單乘積,而是一個巨觀系統(tǒng)的波函數(shù),所以不確定性仍然在,只是相干性被稀釋光了。換句話說,新的波函數(shù)仍然包含著所有光子原本所有可能的位置a,b,c,d,e...,但是它們之間沒有相干性,所以波函數(shù)在向量空間的表象里,出現(xiàn)了另一個與前不同的簡化,是波函數(shù)分解成對應a,b,c,d,e...等等可能性的OR和(即只有一個能留存),不論現(xiàn)實走上哪一條路,新波函數(shù)的演化都好像只對應著一個單一的測量結果。
我想很顯然的,量子去相干不但沒有任何定義上的困難,而且邏輯嚴謹自洽,推演過程自然,應用在沒有人類的宇宙中,也完全沒有問題。王向斌的毛病,出在他先接受Copenhagen解釋的歪論,得到一個錯誤的結論(即光子必須處于純態(tài)),然后用它來“證偽”量子去相干。
總結來說,單粒子一旦被“測量”,就是與測量儀器有了作用,也就不能再被視為獨立的系統(tǒng);新的系統(tǒng)是巨觀的,包括了被測量的粒子和測量儀器,如果“觀察者”操作了儀器,那么他也參與了作用,必須也被包括到系統(tǒng)里面。這時系統(tǒng)有很復雜的量子糾纏,波函數(shù)不能沿觀察者/儀器/粒子的分界線分解開來,但是因為巨觀凝態(tài)系統(tǒng)能夠去相干,所以反而可以沿著去相干的維度(對應著不同測量結果)來分拆。以上是量子去相干的核心論點,但是現(xiàn)實是否只有一個,它在不同測量結果之間如何做選擇,這就超越了量子去相干理論的范疇,需要進一步的理論分析。Bohmian Mechanics認為現(xiàn)實對應著一個隱藏的點粒子,并以此為根據(jù),建立了完整的邏輯體系。
我個人覺得BM是目前最好的解釋,但是仍然不完美,所以大概不是最終的解釋。然而量子去相干卻完全沒有疑義,它是量子力學測量過程的邏輯正解,任何堅持Copenhagen解釋的文章,都是拒絕接受科學的進步,固守已被淘汰的破產(chǎn)理論,如同古人假想有天神存在一樣,在事實和邏輯上原本就是站不住腳的假設,現(xiàn)在有了邏輯嚴謹?shù)奶娲碚?,是該放棄的時候了。
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- 責任編輯:孫武
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