量子理论

时间:2023-11-20 06:19:01

拉斐尔·鲍索(Raphael Bousso):加州大学伯克利分校理论物理教授。

量子理论

我所挚爱的优雅理论,实际上早已被其他完成作业的人选走了。虽说身为一名理论物理学家,我所钟爱的仍然是达尔文的自然选择学说无疑。靠近我专业领域的有广义相对论:爱因斯坦意识到自由落体是时空自身的属性,因而轻而易举地解开了一个巨大的谜团:为什么重力以相同的方式作用于所有物体上。那么,出于多样性的考量,我将稍作修改,来讨论这个让我又爱又恨的优雅理论:量子理论。

随着理论的深入,20世纪的前25年就已成形的量子力学,其大变革般的架构所获得的广泛应用程度,迄今为止无与伦比。为什么原子是稳定的?为什么热的东西会发光?为什么我的手可以穿越空气却无法穿越一堵墙?太阳的能量来源是什么?量子力学的奇特功效,就是对如上这些现象进行相当精准和量化理解的核心。

量子理论的确让人感到匪夷所思。一个电子在可观测的两点中间可以任意穿行,但要是问它到底实际走的是哪条路径则毫无意义。我们必须承认,它的动量和位置不可能同时被度量。有那么一段时间,我们甚至期盼,时间进化会存在两种截然不同的法则:薛定谔方程式控制着未被观察到的系统,而神秘莫测的“波函数坍缩”则在观察过程中发挥作用。由于后者蕴含着“有意识的观测者或许在基础理论中发挥着作用”这层含义,因而陆续地被“退相干”(decoherence)这个概念所取代。一个房间里的空气和光线,在古典理论中,对度量仪器的影响微乎其微,但在量子力学的描述中,如果没有将仪器从环境中完全隔绝,空气和光线将会对这些仪器的测量产生根本性的改变。这种描述让人感到匪夷所思。但在计算之后,你会发现,我们过去常称为“波函数坍缩”的并不需要被假定为一种分离现象。一旦我们考虑到了环境的作用,“波函数坍缩”就会在薛定谔的方程式中得以呈现。

量子力学的匪夷所思并不意味着这门学科是谬论。仲裁者就是大自然,并且实验也证实了该理论的众多奇异属性。量子力学并不缺乏优雅特性:它的基本框架如此简单,却具备了非凡的阐释能力。让我甚为苦恼的是:我们无法确切求证量子力学为谬论。

物理学中的诸多伟大理论都携有颠覆自身与消亡的种子。这粒种子美妙又优雅。它表明深刻的发现和观念的变革即将到来。会有那么一天,颠覆我们世界观的优雅理论,迟早会被另一个更深邃的思想所取代。从数量上看,新的理论必须成功通过以往一切旧理论的实验。但从质量上看,它很可能止步于新奇的概念,这些新奇概念会引导人们提出迄今难以置信的问题,并会获得迄今无法想象的知识。

譬如说牛顿,其重力理论允许任意远距离的即时通信,这件事情一直困扰着牛顿。爱因斯坦的广义相对论解决了这个难题,并顺带着为我们呈现了动态时空、黑洞和可能有个起始点的膨胀宇宙。

反过来说,广义相对论仅仅归属于古典理论范畴。它止步于一个明显错误的前提:可以同时获知位置和动量。对苹果、行星、星系这些宏观对象而言,重力对这些物体的作用,远比作用于量子世界的微小粒子要重要得多,于是这个前提还是充分接近的。但究其原理的实质而言,该理论是错误的。令其颠覆与消亡的种子已经存在其中,广义相对论不是终极定论,它只能是一种更广义的重力量子理论的近似值。

量子力学的本质究竟是什么呢?令其颠覆与消亡的种子又藏于何处?这粒种子确实存在,但并不明显。理论物理学伟大探索的代名词——量子化广义相对论,泄露了一种期望,即我们所追寻的统一性无法撼动量子理论。依我愚见,或许弦理论还不够完善,但却是迄今为止最成功的探索成果,它在严格意义上归属于量子力学的范畴,但并没有对海森堡、薛定谔和迪拉克所构建的架构有任何改观。事实上,量子力学的数学严谨性使人们难以展开对它任何修改的设想,不管观察结果是否有这些修改的需求。

然而,还是存在着某些巧妙暗示,量子力学也会与其前辈理论殊途同归。这其中最耐人寻味的就是时间的作用。在量子力学中,时间是一个基本的演变参数。但在广义相对论里,时间不过是时空的一个方面,一个我们所知的会在黑洞深处某个奇点上崩塌的概念。在时间不再传递任何意义的地方,很难看到量子力学还能够支配与主宰。由于量子力学不出意料地会质疑广义相对论,奇点的存在也表明,广义相对论或许会对量子力学予以还击。坐看这场烽火四起的战役,不亦乐乎。