参考消息网3月15日报道英国《新科学家》周刊网站3月1日发表题为《新版本的量子理论比最初的更匪夷所思》的文章,作者是英国伦敦大学学院量子物理学家夏兰·吉利根-李。文章编译如下:
“爱因斯坦攻击量子理论”:这是1935年5月4日《纽约时报》的头版头条。世界最著名的科学家和两位合作者在我们最伟大的自然理论的核心发现他们认为的致命缺陷。他们发现,相隔数千米的粒子似乎能够瞬间相互作用。爱因斯坦称之为“鬼魅似的远距作用”。
尽管爱因斯坦帮助奠定量子理论的基础,但他认为,量子理论肯定有某种问题。那种鬼魅感觉就是不对——肯定有什么我们没有看到的东西能解释这种现象。这种怪异不可能是真的,对不对?
我们现在知道它是真的。这是物理学在过去一个世纪的大部分时间里得出的教训,因为量子理论,包括“鬼魅似的远距作用”,通过了每一次的实验测试。在最细微的尺度上,现实真的就像我们有关亚原子世界的最好理论显示的那么奇怪。
量子理论涉及粒子亚原子世界,以无比精确的方式描述粒子的行为。但最让我们困惑的是爱因斯坦提出的“鬼魅似的远距作用”,更恰当的名称是“非局域性”。以两颗粒子为例,用一种称为量子纠缠的特殊过程把它们准备好,然后把它们送到相距遥远的地方。瞥一眼其中一颗粒子,就能立即辨别出另一颗粒子的某些量子属性。它们似乎即时影响到相距遥远的彼此,尽管没有发生影响。“鬼魅”一词的确很形象。
爱尔兰物理学家约翰·贝尔大大促进我们对量子世界的理解。
纠缠粒子之间的通信是否可能是预先确定的,因此可以用普通的非量子物理学来解释?
贝尔的天才之处在于用所谓的贝尔测试来回答这个问题。他让两颗粒子彼此纠缠并把它们送到相距遥远的实验室,用两种不同的方式进行测量。每个实验室做一种测量,但不知道另一个实验室选择哪一种,再以此预测另一个实验室的测量结果如何。他们做了很多次这样的实验,计算出正确预测的次数。贝尔证明,如果能用日常的非量子物理学来解释纠缠,你在贝尔测试中得出正确答案的概率最多只有75%。然而,当试验对象是量子纠缠的粒子时,正确答案出现的概率达到85%。
因此,贝尔试验是一种量化量子粒子之间的相关性有多么怪异的方法——它还表明,粒子确实超出我们用经典物理学解释的一切。我们说到“非局域性”时指的就是这个。
现在,贝尔试验正在发挥关键作用,推动着一套甚至比量子理论更加奇怪的理念。
这些理论源自30年前。当时研究人员怀疑量子理论的核心是否存在某种单一的原理。要想知道这为什么重要,不妨把量子理论与爱因斯坦的特殊相对论进行比较。后者主要基于一条基本原则,即没有什么东西的速度能超越光速。如果量子理论也可以同样地源自一个原理,即某种量子本质;那么它不仅会非常简洁明了,或许还能向我们显示这种怪异最终来自何处。
1994年,英国布里斯托尔大学的桑杜·波佩斯库和以色列内盖夫本-古里安大学的丹尼尔·罗尔利希就在考虑这个问题。他们提出一种潜在的物理学理论,从数学角度形成两个简单的原理。首先,没有任何信号能比光速更快。第二,非局域性适用于现实。这一切似乎都很平常。但他们接下来遇到的情况却令人震惊。
原来,按照他们的这种想法,即所谓的“PR盒子”(P和R是这两位学者姓的首字母——译注),相关性要比我们观察到的强得多。贝尔测试应该100%正确。这似乎显然是出错了,但PR盒子从合理的假设出发,为什么会错呢?奥地利量子光学和量子信息研究所的米丽娅姆·魏伦曼说:“这是一个巨大的意外。”
这个结果在一段时间内没有引起多大注意。位于英国牛津的匡蒂纳姆量子计算公司的马蒂·霍本说:“他们的研究成果在一份没什么名气的期刊发表。”但是,10多年前,一些物理学家由此开展进一步的研究。
其中一位物理学家名叫米格尔·纳瓦斯库埃斯,也在奥地利的那家研究所工作。2009年,他也决定重新制定量子理论的规则,这一次的出发点是没有什么比光速更快和一个称做宏观局域性的新原理。后者称,随着我们从粒子大小的物体进入更大的宏观世界,经典物理学的规则出现,非局域性消失。根据这些假设进行的贝尔测试显示,纠缠粒子的正确答案不可能达到100%。它认为,PR盒子之所以出了问题,是因为它忽略宏观局域性的原则。现在有一种感觉,这种研究可能使我们距离找到量子理论的本质更近一步。
同年,一个由波兰格但斯克大学的马尔钦·帕夫洛夫斯基领导的团队再次尝试这种重新阐述,这次从一个称做信息因果关系的单一原则出发。这种原则指的是,当两个人交换信息时,一个人收到的信息不可能比另一个发出的信息多。事实证明,这很关键。根据由此形成的公式进行的贝尔测试达到85%的正确率,这是现实实验中观测到的最大精度。
这引起不小的影响。纳瓦斯库埃斯说:“信息因果关系获得巨大的成功,这令人惊讶。”有人认为,我们可能最终触及量子理论的本质。纳瓦斯库埃斯说:“人们说,也许这一原理浓缩了量子力学的全部。”但他不太确定。他认为,这些作者开展的研究不足以证明其提出的框架能够描述量子物理学的所有细微差别,更不用说超越非局域性的其他奇异现象。
因此,纳瓦斯库埃斯、霍本及其合作者在2015年提出另一项建议。这种理论漏掉量子理论本身包含的一些信息,因此后来被称为“差不多的量子理论”。但是,它包含我们所知的关于量子理论的一切真相。更重要的是,你基于“差不多的量子理论”进行贝尔测试时,正确率再次达到85%左右。纳瓦斯库埃斯与合作者实现了展示信息因果关系存在缺陷的目标,因为这一原理并没有独一无二地复制量子理论。
发现信息因果关系存在欠缺,这或许令人沮丧。但是,仔细思考以后,有一个令人兴奋的替代方案:如果“差不多的量子理论”实际上是对现实的真实描述,那会怎样?
在几乎所有情况下,它都作出与常规量子理论相同的预测。然而,有一些不同寻常的例子,它预言粒子之间存在的相关性比普通量子理论预言的更强。到目前为止,这些情况都没有经过实验调查。因此,这让我们处于一个历史性的位置。关于现实,我们有一个无法被排除的潜在可行理论:这个理论提出,在某些情况下,量子理论还不够怪异,因为现实更怪异。
仿佛这还不够惊心动魄,还有一个理由使我们对“差不多的量子理论”感到兴奋。物理学最大的任务之一就是找到对现实更统一的描述。目前,我们的引力理论和量子理论还各自为政,把二者联合起来的一个有前途的方法是找到广义相对论的量子版本。事实证明,“差不多的量子理论”的数学结构与量子引力理论中的一个候选理论——即所谓量子引力的一致性历史提法——相似。诺贝尔奖得主默里·盖尔曼提出的这一假说的构成要素基于与粒子相互作用的序列相对应。这种想法目前并不流行,这可能只是巧合。或者,这可能在告诉我们什么。霍本说:“我认为这是一种非常酷的联系。”
关键在于,我们必须弄清“差不多的量子理论”到底是否站得住脚。但这并不容易。它预言,在某些情况下,粒子可以有比我们以往观察到的更强的相关性。但是,从定义上讲,涉及的粒子系统将更难控制和处置。同样在格但斯克大学工作的安娜·贝伦·赛恩斯说,一种方法可能是用三个粒子而不是两个粒子进行贝尔测试。她说:“我很希望能看到这些实验。”
唯一的问题是,我们还不知道什么样的粒子最适合进行这样的测试。像电子或光子这样熟悉的粒子不大可能还有什么秘密。但是纳瓦斯库埃斯说,有些量子粒子系统是我们一直难以控制的——比如K介子。他认为量子物理学的秘密可能就在它们之中。
霍本说,另一个研究方向是量子计算机。在这些机器内部,大量的粒子相互作用,以某些我们并不理解的方式。霍本说:“我很想看到这样的情况:我们开始制造这些量子计算机,它们的行为突然变得反常。”这可能是“差不多的量子理论”标志。纳瓦斯库埃斯也认为,研究大量粒子相互作用的系统可能很有成效。他正在与中国的一些实验人员进行交流,探讨他们如何设计这样的系统并进行测试。
如果“差不多的量子理论”证明是正确的,那将产生重大影响。纠缠粒子的能力支撑着量子计算和量子加密。量子计算有望通过提供一种全新的计算方式带来一场革命。量子加密技术提供一种可靠的通信方式,并且可能构成量子互联网的基础。如果“差不多的量子理论”是正确的,而且可以为我们所利用,它就能极大地推动这两种技术。
即使这一切被证明是烟雾弹,寻找新的物理学原理也是有价值的。说到爱因斯坦,你必须在这一切中考虑到他。他热切地希望“鬼魅似的远距作用”是一个破绽,最终证明量子力学是错误的。他不知道,90年后,我们可能就要发现一种更加鬼魅的物理学理论。
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