量子世界的边界在哪里？

编译/李威

为了解答一些存在已久的科学谜团，科学家不断探索经典物理学与量子物理学之间的界限，以及量子物理学在何处失效。

要想理解极小微观粒子（比如基本粒子、原子甚至分子）的行为，就一定要用到量子物理学那些令人费解的原理。在量子领域，物理学呈现出怪异特性，而这些怪异特性又是解开量子宇宙难题绕不开的。

与之形成鲜明对比的是，我们所处的日常宏观世界忠实地遵循着更令人感到舒适、更符合我们直觉的经典物理学定律。这些定律在日常世界中发挥的作用与复杂得多的量子定律在量子世界中发挥的作用相当。然而，这些经典物理学定律其实只能说是量子定律的近似，虽然应用在我们的日常生活中比较准确，但仅仅触及量子力学的表面。而量子力学才是在最小尺度上约束宇宙行为的更基本物理学定律。

不过，一个有意思的想法已经开始萌生。许多物理学家认为，虽然对宏观物理系统的经典描述效果不错，但在微观尺度上应用经典物理学产生的微小偏差会随时间累积，最终导致经典描述崩溃。

这个科学家假想出来的问题就是所谓的“量子失效”。这个迷人的概念挑战着我们对经典世界与量子世界之间界限的认识。

比利时鲁汶天主教大学博士后研究员塞巴斯蒂安 · 泽尔（Sebastian Zell）在电子邮件中解释说：“我们知道，从基础层面上说，世界就是量子的。因此，任何经典描述都只能是近似——如果你考察得足够仔细，就会看到一些‘量子性的特征。”

不过，经典物理学描述在很多场合中都能产生较为准确的结果。实际上，正是因为经典物理学相当有效，所以我们才迟至100多年前才发现了量子效应！那么，为什么我们在日常生活中从没有经历过经典物理学近似完全失效的情况呢？

研究量子失效

为什么我們在与宏观物体接触时，不会出现这种量子失效现象？鉴于我们周围的绝大多数物体都是宏观的，究明这个问题的原因尤为重要。为了找到答案，泽尔和他和同行、以色列内盖夫本-古里安大学的马尔科 · 米歇尔（Marco Michel）展开了一项理论研究。他们的研究对象是一个特别的量子系统，与由原子构成的一维气体类似。描述这类大型系统的数学框架几乎都是一样的。

泽尔说：“为了探索量子失效问题，我们在研究过程中构建（对我们理论物理学家来说，‘构建意味着‘写下来）了一个简单的模型。接着，我们用之前就开发了的计算机程序计算这个系统会如何随时间演化。最后，我们把模拟得到的结果同经典近似作比较，进而确定两者之间是否有显著区别，如果有，又出现在何时、何处。”

研究过程中，泽尔和米歇尔调试了许多不同的模型参数，比如原子的数量、原子与原子间彼此相互作用的强度。在用各种参数重复上述过程后，这个团队终于得到了量子失效的两个重要特征。

泽尔解释说：“首先，我们确定了量子失效会在何种情况下发生。我们发现，只有在原子间相互作用相对较强时，经典描述才会失效。这对那个困扰我们许久的问题——为什么我们在日常生活中观察不到量子失效现象——具有相当大的启示作用。”

“其次，我们确定了量子失效时间（即经典近似描述的误差累计多久才会导致失效）与系统各种不同参数之间的关系。尤其值得一提的一点是，我们之前已经知道，随着粒子数量的增加，量子失效时间也会变长。换句话说，系统越是宏观，经典近似描述有效时间就越长。”

“然而，我们在这个研究中观察到，量子失效时间虽然的确会随粒子数量的上升而变长，但速度相对较慢。简单来说，我们甚至可以说，在经典情形下，量子失效根本就不会发生。不过，如果它确实发生了，那么速度可能快得惊人。”

泽尔和米歇尔的研究是纯理论的，因此，他们得到的结果需要实验验证，这可能很难实现。难点在于，在我们处理的大部分宏观系统中，原子、分子间的相互作用都比较微弱，所以量子失效很难发生。另外，在真实存在的物理实体中，粒子数目非常庞大——举个例子，一升空气就包含至少1022个原子——于是，量子失效时间会非常长。

不过，这些物理学家认为，对某些系统的研究或许能在不远的将来验证他们现在得到的结论。

泽尔说：“我们现在研究的这类模型可以在玻色-爱因斯坦凝聚中实现——这类凝聚现象与超导性的本质有关。我已经开始同这个领域的实验专家对话，而且现在也在努力寻找适合实验室研究的具体系统。如果这个方法有效，那真的很棒，可能在几年内就产生重要结果。”

解决黑洞辐射悖论

除了提升我们对物理学整体的理解，这个团队的研究还可能对我们对宇宙中最为神秘的某些天体的认识产生重要影响，比如：黑洞。

就当下的情况来说，我们对黑洞这类天体的物理性质的认识还存在大量空白，因而出现了一些难以解决的悖论，其中一个与假想中的黑洞辐射相关。

20世纪70年代，英国物理学家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawking）预言，黑洞应该会产生电磁波，但这种辐射——我们现在称其为“霍金辐射”——不会携带任何有关黑洞吞噬物质的“信息”。然而，这违背了量子理论的一个基本假设：信息不会凭空消失。这个基本假设也就是所谓的“信息统一性原理”或“信息守恒原理”。

泽尔说：“量子失效可以解答这个问题。霍金的计算只有在用经典近似描述黑洞时才有效。因此，一旦黑洞发生了量子失效，就意味着霍金对黑洞的经典描述不再有效。完全有可能存在某种我们目前还不知道的发射方式将信息从黑洞内部带出。我们的研究结果表明，量子失效可以很早发生，从而避免任何信息损失。”

“当然，这也只是向认识黑洞信息处理过程迈出的第一步。截至目前，我们还完全不清楚这种能够释放信息的全新黑洞蒸发方式会是什么样子。”

泽尔和米歇尔特别指出，对量子失效的研究远远谈不上全面，无论是对进一步深入研究量子失效来说，还是对解决黑洞辐射悖论来说，都仍然需要大量后续研究。

泽尔总结说：“到目前为止，我们已经研究了量子失效何时发生，也即经典描述在经历何种时间跨度后会失效。下一步，也就是我们现在做的事情，就是研究量子失效的特征，也即量子系统究竟会与经典描述产生何种不同。”

“这方面的研究意义重大，一项重要应用就是黑洞：就现在的情况来说，我们还完全不清楚黑洞在经典描述失效之后会如何演化。要想借助宇宙观测手段寻找黑洞，一个必要前提就是找到‘量子失效黑洞的可能特征。”

资料来源 Advanced Science News

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本文作者安德烈·费尔德曼（Andrey Feldman）是一位科学作家，主要围绕物理、空间和技术主题进行创作，拥有魏茨曼科学研究所弦理论博士学位