物理

跨越量子分界線

量子力學所描述的現象既奇異又隨機,但我們所見的現實卻很明確。新的實驗想要探測量子力學與古典力學的界線。

撰文/佛爾吉(Tim Folger)
翻譯/張明哲

物理

跨越量子分界線

量子力學所描述的現象既奇異又隨機,但我們所見的現實卻很明確。新的實驗想要探測量子力學與古典力學的界線。

撰文/佛爾吉(Tim Folger)
翻譯/張明哲

圖片來源:LIGO LABORATORY California Institute of Technology and Massachusetts Institute of Technology


戈洛巴哈(Simon Groblacher)大部份的自製作品,都無法以肉眼看見。他在荷蘭德夫特科技大學實驗室設計了一項機械裝置,長度僅幾微米、比細菌大不了多少,厚250奈米、僅一張紙的千分之一。戈洛巴哈無疑能把這項裝置縮得更小,但他另有目標:他想放大裝置,而非縮小。他從電腦螢幕上點選出圖片時說:「我們想把它變得非常、非常大。」戈洛巴哈其實是實驗物理學家,「非常、非常大」指的是幾乎不需顯微鏡就可以看到的「一公釐乘一公釐大」。


在這不算巨大的尺度下,戈洛巴哈希望回答一個重要問題:單一巨觀物體能否同時出現在兩個地方?例如,針尖大的物品能否同時既在這裡又在那裡?這種近乎不可能發生的情況,對原子、光子或其他粒子來說卻是常態。根據神奇的量子理論,在最基礎層次的現實有違常識:粒子沒有固定的位置、能量或其他明確的性質,至少在沒有人觀看的時候是如此。粒子同時具有許多狀態。


但是我們所見的現實並非如此,物理學家仍然不清楚其中的緣由。在我們的世界中,包括肉眼無法看到的物體,似乎完全不具有量子特性。很大的物體(意指任何比病毒大的物體)永遠坐落在一處,而且僅出現在單一位置;在德夫特科技大學的實驗室裡,只有一位戈洛巴哈對著一位有時差、正在做筆記的記者說話。這件事暗藏謎團:如果所有物體都由具有量子性質的物質以及能量所組成,為什麼我們感受不到奇異的量子特性?量子世界的邊陲止於何處?而所謂牛頓物理學的古典世界又始於何處?尺度夠大時,量子效應就消失,我們所見的現實是否有界線?還是說,量子力學處處適用,只是我們感受不到?


「我們知道微觀世界是量子的,但無論如何,我們是古典的,先不提這到底是什麼意思。」義大利的港大學理論物理學家巴希(Angelo Bassi)說:「對於微觀世界與巨觀世界間物質的真實本質,我們一無所知。」自從一個世紀前量子理論誕生至今,那個無人探查的領域一直困惑著物理學家。但這幾年來,戈洛巴哈和其他科學家開始進行一些極為精巧的桌上型實驗,有一天或許能揭露物體從量子世界到古典世界的驚人轉變。這些研究會解決量子理論的謎團,還是加深謎團,沒人敢斷言。但研究人員在探索這荒蕪而混亂的量子邊陲時,有機會發現全新的物理學。


測量問題


雖然量子力學有各種弔詭,卻仍是迄今最具威力、最精準的理論,理論的預測與實驗相符的程度精準無比,在某些例子裡精確度超過百萬兆分之一。這套理論顛覆我們對原子結構的了解,改變了科學的許多面向,從生物學到天文物理學。沒有量子理論,就沒有電子業、沒有手機、沒有Google。但是這套理論有個明顯的缺點,美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家艾德勒(Stephen L. Adler)說:「量子力學裡,事情不會發生。」


艾德勒這句難懂的話指的是,量子理論的基礎方程式提到(或沒有提到)的現實本質。依據波函數,方程式給出的是物體在不同狀態下存在的機率。牛頓物理學中的蘋果、行星和其他所有物體總是有明確的性質,但量子物理不同,本質上是隨機的。在某種意義上,透過波函數所描述的粒子,甚至無法視為完整存在;粒子沒有固定的位置、速度或能量,只有機率。但是科學家一做了測量,一切就改變了。僅僅想要觀察粒子,真實而可觸及的性質似乎就會冒出來。量子理論不僅沒有說明測量為何導致這種轉變,也沒有說明在諸多可能性中為何只顯現其中一個、而非其他。量子力學描述測量可能導致什麼結果,而不說到底發生了什麼事。換句話說,這套理論沒有一個機制能夠說明,諸多可能性如何轉變成實際結果。


為了在量子力學裡「讓事情發生」,這套理論的一位傳奇建立者提出近乎形而上的論點。1920年代晚期,海森堡(Werner Heisenberg)發展並提倡一個想法:正是測量本身讓粒子的波函數「塌縮」(collapse),讓許多可能發生的結果瞬間化約成單一觀測結果。這個想法唯一的缺陷在於,量子理論的方程式裡完全沒提到塌縮會發生,也沒有一個物理過程來解釋塌縮。海森堡的「解答」基本上是把新謎團引入物理學:波函數塌縮時到底發生了什麼事?這個量子難題現在稱為「測量問題」(measurement problem)。


過去90年,或許物理學家已經習慣塌縮的概念,但是他們從未真心喜歡它。在關於宇宙如何運作的最基礎理論,人類的行為(測量)扮演著中心角色,任何一位偏好客觀實在性的人都難以接受這個想法。


「就基礎而言,關於物理理論該是怎樣,我有個理想的看法。」1979年諾貝爾物理獎得主、德州大學奧斯丁分校的物理學家溫伯格(Steven Weinberg)說:「物理理論不應該以任何特定方式提到人類。所有其他東西,包括任何能以系統化說明的化學、生物或人類事務,都應該能從物理理論衍生而出。自然律的一開頭不應該涉及人類。然而,如果不採用這種詮釋性公設來指稱人們選擇測量某物時發生了什麼事,我看不出該怎麼描述量子力學。」


選擇你的詮釋


一個跳脫測量問題的妙招是,假設根本就沒有塌縮。1970年代早期,德國海德堡大學的物理學家澤(H. Dieter Zeh,今年4月甫過世)提出一種過程,可以保留波函數完整的量子多重性,並產生塌縮表象。他認為在現實世界裡,任一特定物體的波函數都和環境裡所有其他物體無可避免地交纏在一起,我們因而無法追蹤周遭無數的量子交互作用。依據量子理論,波函數彼此「纏結」,這是一種特殊關聯,即使在極遠距離也能保持連結;一位觀測者只可能看到巨大纏結系統的一小部份,所以任何單一測量只能捕捉量子世界的吉光片羽。


這種稱為「去同調」(decoherence)的過程,已經成為物理學家解釋為何巨觀層次看不到量子現象的普遍說法。去同調說明了一個完整的波函數(描述一個粒子所有可能發生的物理狀態)和周遭其他量子系統的波函數混合後,如何失去同調性。如果去同調模型是對的,則我們雖然住在纏結量子網的絲縷中,卻只能看到其中一部份。


並非所有的物理學家都相信去同調解決了測量問題。舉個例子,去同調仍無法解釋我們為何只看到量子網裡的某一縷,而非其他。美國達特茅斯學院的理論物理學家布蘭科維(Miles P. Blencowe)說:「你還是得借用塌縮的假設,在一個纏結態裡,從許多可能發生的狀態中選出一個,這通常依循了法則。」對布蘭科維和其他人而言,這過程並沒說明我們如何感受事物。「我相信這個世界在演變中。」他說:「你怎麼從一個纏結態中感受到總有著單一路徑通往未來世界?許多量子力學學者認為,在世界演變時,必須有塌縮才能得出單一路徑,而不至於有日趨膨大的纏結網。」艾德勒對去同調的評價比較直白:「它完全沒提供一個機制(解釋塌縮)。它沒解決問題,就這樣。」


60年前,普林斯頓大學一位博士候選人提出更激進的方式來解決塌縮問題。1957年艾弗雷特(Hugh Everett)在博士論文寫道,波函數既沒塌縮、也沒「去同調」;應該是說,波函數所有的分量在物理上都是真實的,是無止盡分支衍生無數宇宙的一部份。這稱為艾弗雷特「多重世界」詮釋,為許多宇宙學家所接受,他們有其他理由認為我們可能住在多重宇宙。但沒人有辦法透過實驗區分多重世界的想法與標準量子理論。


量子力學的其他詮釋也是如此。量子理論奠基者之一、法國物理學家德布洛依(Louis de Broglie)想消除塌縮,他引入「領波」(pilot wave)想法,這種波引導電子和所有其他粒子的路徑。在德布洛依提出的量子理論裡,沒有神秘的塌縮,測量顯示的是領波和相關粒子的交互作用;這套理論後來在1950年代經美國物理學家波姆(David Bohm)進一步發展。同樣地,還是沒人能透過實驗證據,區分德布洛依和波姆對領波的現實觀點、艾弗雷特的多重世界或其他十多種不同的量子力學說法何者正確。到頭來,各量子力學派別依據品味來選擇他們喜愛的現實描述。「我還是回到我們有單一世界正在演變的事實。」布蘭科維說:「因此,真的需要某種型式的塌縮,它不只是實驗結果必須遵守的法則,而是某種實際過程。」......