量子世界为何出现古怪

陈壮叔

描述微观世界运行的量子论，解释了粒子的结构、质量等，是现代物理学的基础之一。但令科学界困惑的是，量子世界有许多古怪现象：比如重叠，也就是说一个粒子在某个瞬间既在这里又在那里；比如纠缠，也就是说如果A、B两个粒子处于纠缠态，那么你对A施加影响，B即刻会做出反应，不论两者相隔多远。这些怪现象已经困扰科学界一个多世纪了，爱因斯坦很早就注意到了微观世界的这一现象，但他不愿意接受，称之为“幽灵般的超距作用”。有不少学者企图解开这些谜，但也无从着手。著名美国物理学家、1965年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼曾说，“没有人真正地了解量子世界……我们永远也不能了解它”。

现在，物理学界开始行动，因为解开这些谜，可以帮助我们打开了解整个宇宙运行方式的大门，并将弄清科学中的一个大谜题：究竟是什么东西，引发了量子世界和我们日常世界之间的转换。实质上，这就是问物体究竟要具有多大质量，就将失去量子特性。

牛津大学的彭罗斯等人，曾获得一个拥有800个原子（分子）的干涉图像。他说，原子的数量越大，重叠的时间就越短。這是因为大量原子的集聚，使它不再具有量子的特性了。维也纳大学的阿恩德特团队，采用空前的较大物体进行干涉实验，并说自发定位（量子世界的一种现象）将抑制10万至1亿个原子质量单位的物体出现重叠。

有些科学家把宏观世界和微观世界的划分，着眼于量子的波粒二象性。比如光子，它在飞驰时是光波，可是在碰到物体时，它又具有实物粒子的性质。澳大利亚科学家考林格，就此着手，探索这条界限的由来。他们实验的主题，是所谓的“勃露格主波长”。大致上，我们可以把这一波长看作一个标尺，假如一个物体的勃露格主波长近似于该物体的长度，那么其波的特性明显可见，也就是说，它具有量子特性。拿一辆轿车来说，其波长为10-30米，远小于轿车的长度，因此它的行为呈宏观世界的特性。

至于量子世界为何会出现这种怪现象，说法很多，但大多研究者认为，这跟信息的丢失有关。一些物理学家深入到古怪现象本身，探索它的缘由。

按照量子论的概念，重叠跟量子干涉现象有关，允许量子客体在它们的空间位置之间产生其存在、特性的撕裂。大多数人认为，这是信息丢失的结果。在这个方向上，研究比较深入的可能要数以下三位学者，他们是意大利帕维亚大学的达里亚诺及其同事奇里贝拉和佩里诺蒂。他们做了一些研究，在信息公理的基础上共同提出了一个量子理论的衍生理论，引起了不少学者的关注。加拿大圆周理论物理研究所的理论物理学家卢西恩·哈迪等人评论说：“他们的研究内容和方法，都是不平常的。某些东西深入到了量子力学的核心。”他们想要弄清楚量子力学真正的底细。

对达里亚诺来说，这些研究已经过去了10年。当时，学生问他量子物理的定律来自何处，他无言以对。事后他说，“我深感困惑”。

他的困惑并不是一个个人问题，而是整个物理学界。物理学家总是站在物理原理坚硬的基础上，描述物理世界的运行。比如牛顿的引力定律，认为两个物体之间的引力，与它们质量的乘积成正比，而与它们之间距离的平方成反比。其物理原理，包含在一个简洁的方程式之中。

在量子理论中，还是这些简洁的方程式，却无法展现出某些普适的原理，而以一种特别的方法，来解释古怪实验的结果。量子客体由波函数来描述，它可能（或不可能）对应任何事物的物理性质，处于一种抽象、多维的区域。

1925年，薛定锷通过研究经典光学方程，得出薛定锷公式。他把量子视为波更甚为粒子。达里亚诺说，“他从来未从原理中得出方程”。

类似的情况，就如洛伦兹和爱因斯坦。19世纪末，物理学家洛伦兹把光速观测实验上的矛盾调和起来，从而提出一系列的数学变换规则，即洛伦兹变换。而这些规则，并非出于他对光的任何基本了解。此后，爱因斯坦提出了有关光的物理原理，即真空中的光速是不变的，独立于光源的运动；并也由此得出了洛伦兹变换。这些就成了狭义相对论的原理，进而使他提出了广义相对论。达里亚诺说，“它改变了我们研究物理学的方法，原理是极重要的”。

我们能改变这种状态吗？我们能把量子理论的基本定律从原理中“取”出来，而不是依赖数学的魔法吗？达里亚诺及其同事相信，他们的看法，将获得科学界的共鸣。

哈迪说：“当我关注量子理论时，我看到一些事物；而我们需要的，是一系列更深刻的原理。”在21世纪初，哈迪做了尝试，也取得了一些成绩，但必须承认的是，他也没有得到一个圆满的解决方法。这就促使达里亚诺等人深入研究。奇里贝拉说，“我们认为，重新编写量子力学的‘基因密码，找到某些物理特性，是研究的基本所在”。

对哈迪和达里亚诺两个团队来说，“基本的事情”是跟信息有关。许多理论学家得出结论说，物体间的相互作用，都可以作为一种信息处理来描述。例如，原子在动量中携带着信息，当两个原子碰撞时，它们动量的改变就如同两位数通过计算机的逻辑门时的情况。因此，控制信息操作的规则，可能最终决定在我们的宇宙中该发生和不该发生什么。

达里亚诺团队的研究始于2003年，他们努力去探寻可能适用于我们的日常世界和量子世界的信息规则。最终，他们得出了5条基本原理（比如保证将来不能影响过去等），并进而描述了量子世界的特性。

有一些现象，日常世界和量子世界确有一些区别，比如之前提到的重叠和纠缠等。总体来说，对一个量子系统的任何测量，只能取得一个随遇性的结果；而你在测量前，是没有办法做出预言的，只能计算出不同结果的概率。

达里亚诺的团队就在研究这些古怪，使我们看到了量子信息场理论的一线希望，也使得科学家可在不同量子态之间对场做研究。他们设定一些量子态为“纯”态，例如，一个处在最低能上的孤立的氢原子就属于纯态；此外就是混合态，在这种态上，我们具有的信息是不完整的。一对纠缠粒子中的一个，就是处在混合态上，你无法了解其中一个粒子的全部信息；若一对纠缠粒子一起形成纯态，你就可以了解两者的全部信息，这也就是一个可确知的量子系统。

那么，我们是否可以说，量子世界的所有混乱和不确定性，都是来自缺乏信息呢？的确与此有关。如果每一个混合态都是纯态的一部分，那么就可能以最大的信息量来描述每个物理过程。以这样一个前景作为一个原理，奇里贝拉称之为“纯化原理”。

但纯化原理也有一个较大的缺点，那就是它似乎傍着多世界的解释，而这个观点在量子理论中颇有争议。量子力学测量产生随遇性的结果，对此最多的解释是：一个测量的各种可能结果，确实是存在的，但每一种结果，都处在不同的世界（或宇宙）中。例如薛定锷的猫，它能同时处在生和死之中，除非你看到它究竟是哪种状态。而在多世界解释中，认为这只猫死于一个世界，而活于另一个世界。这与纯化原理有些相似，这些不同世界都处于混合态，只有真实是被纯态描述的。

达里亚诺团队想通过一种方法，以追踪量子系统的演化。为此，他们需要提出一个特殊的框架，比如粒子的质量也会纳入其中。如果他们能取得这个正确方法，就可以提供比量子理论更好的理论。这很可能是把量子理论和广义相对论相结合的另一条路，可能把我们导向对量子引力的描述。一位万有理论研究者说，这是他们长期渴望取得的东西。在他们看来，只要深入研究量子理论，就不会出现愚蠢的问题。