量子死亡:為什么萬物無法超過光速

【專家解說】：新科學(xué)家報(bào)道，隨著宇宙逐漸變老，恒星將燃燒殆盡，最終整個(gè)宇宙的溫度將達(dá)到均衡。沒有熱流，熱力學(xué)定律也無法有效的傳遞能量。沒有新的事物產(chǎn)生，一切都將保持停滯。這種宇宙的“熱死亡”是19世紀(jì)悲觀物理學(xué)家們最喜歡的話題，那時(shí)候人們自我安慰，倘若這一切終將發(fā)生，那也是很多很多年以后的事。 然而，美國(guó)南卡羅萊納州克萊姆森大學(xué)的理論物理學(xué)家安東尼·瓦倫蒂尼(Antony Valentini)則沒有這么樂觀。在過去的20年間，他主張熱死亡已經(jīng)發(fā)生了的觀點(diǎn)，這種熱死亡不是發(fā)生在我們所處的現(xiàn)實(shí)層面上，而是發(fā)生在很難直接觀測(cè)到的潛在層面上。 基本物理學(xué)不乏怪誕和不切實(shí)際的提議，而這種大膽的建議很容易被推翻。然而，瓦倫蒂尼觀點(diǎn)的某些方面還是引起了同輩的注意。正如熱動(dòng)力學(xué)的熱死亡使得未來我們無法利用能量進(jìn)行任何活動(dòng)，如果瓦倫蒂尼所謂的“熱死亡”的確發(fā)生了，那么它或可以解釋為什么我們無法理解自然的某些方面--尤其是那些與量子行為有關(guān)的特性?！巴邆惖倌岬玫搅送叺淖鹬?，他的觀點(diǎn)引起了科學(xué)家們的重視。”法國(guó)艾克斯馬賽大學(xué)的卡洛·羅威利(Carlo Rovelli)這樣評(píng)價(jià)道。 瓦倫蒂尼認(rèn)為他發(fā)現(xiàn)了這一理論的第一批證據(jù)，后者隱藏在宇宙大爆炸的余輝里。雖然看上去很奇怪，但量子死亡可能為我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解注入新的活力。大約90年前，理論物理學(xué)界的大師們，包括阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)、尼爾斯·波爾(Niels Bohr)、維爾納·海森堡(Werner Heisenberg )和埃爾溫·薛定諤( Erwin Schrödinger)，齊聚比利時(shí)布魯塞爾試圖理解原子物理學(xué)里出現(xiàn)的怪異結(jié)構(gòu)。在1927年的索爾維會(huì)議上，亞原子實(shí)體，例如電子，似乎既能夠表現(xiàn)出局部的粒子特性，也能表現(xiàn)為模糊的向外傳播的波特性，這一特征已經(jīng)日漸明朗，而你所觀察到的特性取決于你測(cè)量粒子的方式。 大體來說，在人們進(jìn)行觀察之前，量子物體似乎處于是似而非的狀態(tài)。例如旋轉(zhuǎn)的量子特性可以被認(rèn)為是兩個(gè)值之前的某一個(gè)，也就是“向上”或者“向下”。除非你確定了物體，例如電子的旋轉(zhuǎn)特性，否則這個(gè)物體似乎同時(shí)具有這兩種值，在某個(gè)瞬間隨機(jī)選擇表現(xiàn)出其中某一種。 這種模糊性甚至能夠從一個(gè)量子物體延伸到另一個(gè)。如果兩個(gè)電子同時(shí)出生，那么測(cè)量其中一個(gè)似乎會(huì)即刻改變另一個(gè)的狀態(tài)，不管它們相隔多遠(yuǎn)，幾米、幾千米還是幾光年。愛因斯坦并不是這種“糾纏理論”的支持者，他將其描述為“鬼魅般的超距離作用”。 用計(jì)算來說話 然而，從數(shù)學(xué)的角度看這些都不是問題。量子物理學(xué)顯示，一個(gè)量子系統(tǒng)，無論是單個(gè)電子還是一對(duì)糾纏電子，它們都可以用“波動(dòng)函數(shù)”來描述，后者包含這個(gè)系統(tǒng)里所有可能特性，例如旋轉(zhuǎn)的信息。就像擲骰子一樣，當(dāng)你測(cè)量時(shí)，你無法確定將會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)函數(shù)的哪一個(gè)方面。但是通過利用一種靈活的數(shù)學(xué)技巧，也即將波動(dòng)函數(shù)開方，計(jì)算不同方面的波動(dòng)函數(shù)出現(xiàn)的概率就變?yōu)榭赡堋?這種技巧使得我們能夠發(fā)展模糊量子基礎(chǔ)的技術(shù)，從激光到計(jì)算機(jī)，太陽(yáng)能電池甚至是核反應(yīng)堆。但現(xiàn)在面臨的問題是，這意味著什么?在測(cè)量之前，一個(gè)電子真的只是概率的集合?就像波動(dòng)函數(shù)暗示的，它既什么都是，也什么都不是?它怎么知道量子糾纏里的另一個(gè)伴侶此時(shí)在遙遠(yuǎn)的星系里做什么? 1927年的會(huì)議之后，大多數(shù)物理學(xué)家都選擇了一個(gè)答案，那便是“閉上嘴用計(jì)算結(jié)果來說話”。波爾所在的哥本哈根學(xué)派提出了一種解釋。它認(rèn)為量子力學(xué)只是用于幫助我們預(yù)測(cè)世界正在發(fā)生的事的工具，而不是對(duì)現(xiàn)實(shí)本身的描述。不要問原因，事實(shí)就是這樣。 瓦倫蒂尼并不是第一個(gè)認(rèn)為這一論調(diào)是站不住腳的借口的科學(xué)家。1927年的會(huì)議催生了好幾種相互競(jìng)爭(zhēng)的解釋--但它們大多數(shù)被掩蓋了，因?yàn)槲氖焚Y料都是由哥本哈根解釋的提倡者所書寫的，例如海森堡和波爾?！澳銖臅纠镒x到的標(biāo)準(zhǔn)歷史其實(shí)是被曲解的?！?瓦倫蒂尼的量子死亡理論始于其中一種競(jìng)爭(zhēng)理論。它是法國(guó)物理學(xué)家路易斯·德布羅意(Louis de Broglie)智慧的結(jié)晶，與哥本哈根解釋不同，它清晰的闡述了量子世界里什么是真實(shí)存在的。每一個(gè)粒子位于確定的位置，任何時(shí)候都具備確定的特性，它是由一樣真實(shí)存在的“導(dǎo)頻波”所引導(dǎo)。糾纏的電子是由導(dǎo)頻波聯(lián)系在一起，因此一方的擺動(dòng)--例如在旋轉(zhuǎn)測(cè)量中操作其中一個(gè)電子--會(huì)引起另一方的即刻擺動(dòng)，從而改變另一個(gè)電子的特性。我們所觀測(cè)到的怪異行為其實(shí)是這種從隱藏層面上連接兩個(gè)電子的復(fù)雜、相互糾纏的導(dǎo)頻波網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。德布羅意的導(dǎo)頻波理論吸引人之處在于，它與標(biāo)準(zhǔn)量子理論進(jìn)行了相同的預(yù)測(cè)，且目前為止這一理論與所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果都相匹配。但它也是把雙刃劍，這意味著沒有其它方法可以測(cè)試它對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述是否比量子力學(xué)更好。然而，由于這一理論暗示了神秘的無法預(yù)測(cè)的潛在現(xiàn)實(shí)層，因此大多數(shù)物理學(xué)家對(duì)此還是選擇沉默。 毫無疑問，量子糾纏的電子之間的確存在這種鬼魅般的行為:科學(xué)們探索了糾纏的粒子之間的聯(lián)系，以創(chuàng)造虛擬的不可破解的技術(shù)以安全的傳輸信息。奇怪的是，盡管我們知道這些粒子之間“交流”的速度是光速的幾千倍，但我們卻無法利用這種聯(lián)系以如此快的速度傳遞信息。這種量子理論的中心要素竟然不可思議的如此冗長(zhǎng)。因此愛因斯坦提出的規(guī)則，也即任何事物移動(dòng)的速度都無法超過光速，仍然成立。 20世紀(jì)90年代瓦倫蒂尼首次意識(shí)到，這種無法超越光速的原因存在于波動(dòng)函數(shù)開方產(chǎn)生的可能性。如果對(duì)很多對(duì)量子糾纏的電子進(jìn)行開方計(jì)算，那么每一個(gè)糾纏對(duì)里的電子向上旋轉(zhuǎn)的概率恰好為一半。這種對(duì)半分的概率至關(guān)重要，其它的比率，例如100:0， 80:20甚至51:49，都會(huì)在即時(shí)信息傳輸過程中給另一方的電子產(chǎn)生可觀測(cè)到的變化。 既然50:50是宇宙精心準(zhǔn)備的均衡狀態(tài)，那么瓦倫蒂尼認(rèn)為急需一個(gè)物理機(jī)制來展現(xiàn)它。傳統(tǒng)的量子力學(xué)認(rèn)為宇宙一切純粹靠概率:它就是現(xiàn)在的樣子，沒有理由認(rèn)為它并非一直都是這樣。而導(dǎo)頻波讓一切都發(fā)生了變化。這就是熱力學(xué)起作用的地方。如果你觀察一桶氣體里的單個(gè)分子，它們很可能處于相同的溫度，并傳播了相同的容量。但經(jīng)驗(yàn)告訴我們最初分子可能并非達(dá)到這個(gè)均衡態(tài)。當(dāng)最初注入容器里，它們可能處于不均衡的狀態(tài)，很可能集中在入口處。 類似的，宇宙大爆炸最初產(chǎn)生的宇宙可能處于不均衡的量子狀態(tài)。在最初的瞬間，粒子特性可能高度有序，所有向上旋轉(zhuǎn)的粒子集中在一處，而全部向下旋轉(zhuǎn)的集中在另一處。但密集的熱量和暴力事件產(chǎn)生了一個(gè)糾纏的導(dǎo)頻波網(wǎng)，后者試圖達(dá)到一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的狀態(tài)。在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)頻波就讓宇宙達(dá)到了這個(gè)狀態(tài)。和熱力學(xué)死亡漫長(zhǎng)的過程不同，量子死亡發(fā)生在一瞬間。瓦倫蒂尼對(duì)德布羅意導(dǎo)頻波理論的延伸顯示了我們無法利用量子糾纏奇特的行為并非因?yàn)殛幹\論或者暗中精心的調(diào)整，而是以任何其它量子配置為開始的宇宙的自然終結(jié)。 很多物理學(xué)家的研究并不涉及信息以超光速的速度傳輸?shù)那榫?，這將推翻過去一個(gè)世紀(jì)證明它們價(jià)值的寶貴概念，例如宇宙是相對(duì)的觀點(diǎn)?！拔覍?duì)此表示非常焦慮。” 墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的理論物理學(xué)家丹尼爾·蘇達(dá)爾斯基(Daniel Sudarsky)這樣說道?！八鼘⒏淖兾覀儗?duì)時(shí)空本質(zhì)的設(shè)想?！?量子死亡之前留下的遺跡可能仍存在于現(xiàn)在的宇宙里，潛在的影響我們對(duì)物理學(xué)允許和禁止的概念。無論事實(shí)如何，瓦倫蒂尼認(rèn)為他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了復(fù)興整個(gè)量子死亡觀點(diǎn)的線索。在宇宙大爆炸之后，量子死亡還未完成，宇宙經(jīng)歷了短暫的快速擴(kuò)張，名為暴漲，這一過程放大了密度之間存在的細(xì)小差異，從而產(chǎn)生了我們現(xiàn)在觀測(cè)到的星系和恒星的種子。本月早期，在南極進(jìn)行(宇宙超星系偏振背景圖像2(BICEP2)實(shí)驗(yàn)的研究人員報(bào)告稱，他們發(fā)現(xiàn)宇宙大爆炸后遺留的宇宙微波背景的兩極分化樣式里印有暴漲的證據(jù)。 2007年，瓦倫蒂尼預(yù)測(cè)暴漲將會(huì)放大沒有到達(dá)量子均衡的密度波動(dòng)。它們的怪異分布作為更長(zhǎng)波長(zhǎng)產(chǎn)生的輕微能量損失，應(yīng)該印在宇宙微波背景里。去年，歐洲航天局普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)提供了第一批決定性證據(jù)表明這種能量不足的確存在。 “這真是個(gè)好消息，” 瓦倫蒂尼說道?！岸ㄐ缘恼f，它與預(yù)測(cè)完全相符?！?然而，并非所有人對(duì)此表示贊同。美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭市凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的宇宙學(xué)家格倫·史達(dá)克曼(Glenn Starkman)表示，普朗克的先驅(qū)美國(guó)宇航局威爾金森微波各向異性探測(cè)器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe,簡(jiǎn)稱WMAP)的數(shù)據(jù)就已經(jīng)暗示了這種能量不足的存在。瓦倫蒂尼應(yīng)該已經(jīng)知道這一點(diǎn)了，這使得他的預(yù)測(cè)意義不大。“他應(yīng)該對(duì)我們尚未測(cè)量過的事物進(jìn)行更有區(qū)別性的預(yù)測(cè)?！?瓦倫蒂尼采納了這一意見。他與克萊姆森大學(xué)的同事薩穆埃爾·科林(Samuel Colin)就宇宙微波背景里不同特征在各自波長(zhǎng)里有何差異進(jìn)行了更細(xì)節(jié)的預(yù)測(cè)。這所涉及的將不只是能量，還關(guān)系到各向異性--整個(gè)天空波動(dòng)分布的不均衡性。“這是一石二鳥的策略，兩份證據(jù)應(yīng)該會(huì)讓預(yù)測(cè)更有說服力?！?同時(shí)瓦倫蒂尼試圖用常識(shí)來闡述這一問題?！氨娝苤?，熱力學(xué)使得我們能夠進(jìn)行有意義的工作，熱力死亡后一切才變得停滯。同理的，我們無法利用量子理論提供的特性是否也是因?yàn)榱孔拥乃劳瞿?讓我困惑不已的是存在這種陰謀論，一方面，量子理論本質(zhì)上似乎是非局部的--量子糾纏里粒子之間交流的速度超過光速。而另一方面，你卻無法利用這種能力發(fā)送信號(hào)。直覺上來說，我認(rèn)為這背后一定另有隱情。”