耶魯大學的科學家們做了一個實驗，可以說解決了長久以來困擾著物理學家們的一個大問題。這個問題甚至曾經(jīng)讓愛因斯坦頭疼不已，一些媒體也搶先給出了搶眼報導，都在聲稱“量子力學被推翻了”……
真的是這么回事嗎?
先說我的看法:量子力學并沒有被推翻，現(xiàn)有的量子力學理論，至少在計算上，依然是好用、正確的，但是經(jīng)過這次實驗，我們認識到，現(xiàn)有的量子力學至少還不夠完善?？梢灶A見的是，接下來理論物理學家們又有事干了，而且是有很多事干了。希望以后讀理論物理的學弟學妹們在申請博士生的時候能拿到更多offer。
01 量子力學最吊詭的性質(zhì)
相信你一定聽說過“薛定諤的貓”，這只貓是物理學界的“四大神獸”之一，另外三只是“芝諾的烏龜”、“拉普拉斯怪”和“麥克斯韋妖”。這三只神獸有什么神奇之處以后再說。
“薛定諤的貓”其實是薛定諤用來diss量子力學的扯淡之處的思維實驗。這個扯淡之處就是，量子力學最吊詭的性質(zhì)，就是一個量子系統(tǒng)可以同時處在不同的狀態(tài)。“薛定諤的貓”是一只被放在盒子里的“半死半活”的貓，記住是“半死半活”，不是“半死不活”。只要你不去看這只貓，它就是“半死半活”的，它即是活的又是死的，但是只要你打開盒子看它，這只貓就要么是死，要么是活。
奧地利理論物理學家，埃爾溫·薛定諤
(Erwin Schrouml;dinger， 1887 - 1961)
薛定諤用所謂的“波函數(shù)”來描述量子系統(tǒng)的狀態(tài):不打開盒子的時候，貓的狀態(tài)是一個“半死半活”的波函數(shù)，打開盒子以后，貓的狀態(tài)是“活著的”波函數(shù)或者“死了的”波函數(shù)。
02 愛因斯坦大戰(zhàn)玻爾
結合剛才“薛定諤的貓”的例子，量子力學給出了一個暗示:物質(zhì)的狀態(tài)跟觀察者有關。你不看貓，貓是一個狀態(tài)，看了之后貓則是另外一個狀態(tài)，如此一來，似乎唯物主義就崩塌了，因為結果跟觀察者有關，唯心主義似乎在量子力學領域獲得了極大驗證。
那么問題來了，觀察者的行為，是如何影響量子系統(tǒng)的呢?一個量子系統(tǒng)，測量前和測量后處在不同狀態(tài)，又是什么決定了狀態(tài)的轉變?不要忘了，你看了貓以后，貓的狀態(tài)并不是一定的，它有可能是死的，有可能是活的，用薛定諤波函數(shù)的表達就是，你做了觀測以后，觀測前的波函數(shù)就“坍縮”成了觀測后的“波函數(shù)”。
觀測的行為會影響系統(tǒng)的狀態(tài)還好理解，但關鍵是，觀測以后的結果并不唯一，有可能是活貓，有可能是死貓。是什么決定了貓是活是死?這中間有什么必然性和因果關系嗎?
圍繞這個問題，以玻爾為代表的哥本哈根學派，和愛因斯坦產(chǎn)生了嚴重分歧。
玻爾和海森堡(師徒倆)認為:
觀測前的狀態(tài)變到觀測后的狀態(tài)，完全是隨機的、瞬時的、不可預測的。
換言之，一只“半死半活”的貓變成“或死或活”的貓，這里面完全沒有中間狀態(tài)，整個過程是瞬間發(fā)生的，或者說，根本不存在“過程”，且結果完全是隨機的，根本無法預測貓到底是死是活。
那愛因斯坦就不樂意了，于是他說出了那句最著名的，diss量子力學隨機性的話:
God does not play Dice with the Universe.
上帝不會擲骰子。
愛因斯坦的意思是，凡事必有因果，觀測導致波函數(shù)坍縮，這個過程一定是“連續(xù)”的，應該有個中間態(tài)，我們現(xiàn)在的實驗條件無法觀測，但是并不代表這個中間態(tài)不存在，且不應不可預測。
舉個例子:
這就好比一根雪糕，突然變小了。玻爾和海森堡的觀點是，這根雪糕就是瞬間、憑空變小了，沒有人吃它，也沒有融化，就是變小了。
愛因斯坦覺得這種觀點簡直就是強盜邏輯，雪糕變小了一定是融化了或者有人吃了，肯定有這么一個中間過程，一定有個原因，只是現(xiàn)在的實驗條件不夠精確，無法看到雪糕變小的過程。
這場斗爭其實沒有明確的結果，但是那么多年過去了，學界主流的觀點是偏向玻爾、海森堡這派的，量子力學這種“無理”的暴力性質(zhì)，變成學界默認的一個量子性質(zhì)。
最直接的證據(jù)就是，“平行宇宙理論”是很多物理學家所相信的。因為平行宇宙理論便是由量子力學這種“無理”的“真隨機”特性推論出來的，且所謂的第五維度，就是量子力學的“可能性”維度。
03 耶魯大學的實驗驗證了什么?
這次耶魯大學科學家做的實驗，如果最終被證明是正確的，那么可以認為，愛因斯坦和薛定諤的這一派獲得了勝利。因為這次的實驗，觀測到了量子系統(tǒng)發(fā)生轉變的“中間過程”，且做到了一定程度的可預測性。
這個實驗的具體做法相對比較復雜，我這里只作簡單概述:實驗團隊利用超導，做了一個“假的”原子能級系統(tǒng)，以下簡稱“系統(tǒng)”。
這個系統(tǒng)有三個能級，這三個能級是相互獨立的。三個能級分別叫基態(tài)|G>、第一激發(fā)態(tài)|D>和第二激發(fā)態(tài)|B>。實驗的目標，是去觀測第一激發(fā)態(tài)|D>是否被原子占據(jù)。也就是說，第一激發(fā)態(tài)|D>的波函數(shù)是“滿”和“空”這兩個狀態(tài)的疊加，類比剛才“薛定諤的貓”的例子，第一激發(fā)態(tài)|D>是既“滿”又“空”的。這個實驗的目的是去觀測第一激發(fā)態(tài)|D>在“滿”和“空”的狀態(tài)之間是如何變化的。
但是記住，我們不能直接觀測第一激發(fā)態(tài)|D>，因為只要觀測了，就會得到一個確定的“滿”或者“空”的結果，這就會導致第一激發(fā)態(tài)|D>的波函數(shù)坍縮，從而失去實驗意義。也就是說，我們既不能直接觀測第一激發(fā)態(tài)|D>，又要知道里面發(fā)生了什么。
這個實驗巧妙的地方，是利用了所謂的“第二激發(fā)態(tài)”|B>。第一激發(fā)態(tài)|D>具體是“滿”是“空”，會通過它和基態(tài)|G>之間的“量子躍遷”(Quantum Jump)，間接地影響第二激發(fā)態(tài)|B>的狀態(tài)，所以實驗要做的，是去觀測第二激發(fā)態(tài)|B>，便能間接地知道第一激發(fā)態(tài)到底是“滿”還是“空”。
實驗的結果表明，第一激發(fā)態(tài)|D>在“滿”和“空”之間的切換，是有“中間態(tài)”的，且是連續(xù)的，并且這個轉變發(fā)生之前，會發(fā)出預警，這使得科學家們可以提前操作，預防這個轉變的發(fā)生。也就是說，耶魯這個實驗對量子系統(tǒng)做到了一定程度的可預測性。愛因斯坦又贏了……
猶太裔物理學家，阿爾伯特·愛因斯坦
(Albert Einstein，1879 - 1955)
當然，愛因斯坦贏了玻爾也不奇怪，玻爾可是號稱物理學界的“打臉王”，玻爾被打過的臉可以說是數(shù)不過來了，咱的楊振寧就打過玻爾的臉，以后有機會再說......
04 實驗推翻了什么?
表面上看，如果這個實驗做得沒什么問題的話，它確實推翻了玻爾和海森堡以及整個哥本哈根學派對于量子力學不可預測性的假設。這個結果可以說是對當前學術界piapia打臉了。由此看來，量子力學也沒太神奇，它不過是一個更高端精致的統(tǒng)計力學。
雖然不能說量子力學被推翻，因為現(xiàn)有的量子力學在目前的物理學尺度下一直是精確、好用的。這個實驗告訴我們，量子力學在未來需要更多完善。就我個人看來，這個實驗結果，給出了關于量子力學未來發(fā)展的兩個半可能性。無論是哪種可能性，在往后的日子里，物理學家們都有超級多事情要做了。
第一種可能性是，承認實驗的正確性，否認真隨機以及不可預測性，回歸到愛因斯坦這條路上，去發(fā)展處關于波函數(shù)坍縮“中間態(tài)”的理論。因為盡管薛定諤和愛因斯坦認為有中間態(tài)，但薛定諤的“薛定諤方程”，并未給出任何關于波函數(shù)坍縮中間態(tài)的信息，所以肯定需要再去研究。但這樣一來，平行宇宙理論便徹底不靠譜了，什么“五維”到“十維”就更是白扯，所有穿越劇、平行宇宙有關的科幻電影就都拍錯了，《星際穿越》、《彗星來的那一夜》甚至《復聯(lián)4》都變得毫無理論根據(jù)。
第二種可能，由于我們之前的量子力學理論不夠完善，有可能我們對于量子系統(tǒng)的理解還不夠到位。譬如，海森堡的這套以“不確定性原理”和“矩陣力學”為根基的量子力學理論，把不同的量子態(tài)完全處理成獨立、互不影響的狀態(tài)。所以才會有耶魯這個通過第二激發(fā)態(tài)間接觀察第一激發(fā)態(tài)的實驗，因為本質(zhì)上我們都假設了第一激發(fā)態(tài)和第二激發(fā)態(tài)是相互獨立的。但是萬一，量子態(tài)之間，事實上并非互相獨立，而是有微弱的糾纏關系，那么這個實驗很有可能從根本的設計上就出錯了，因此這個實驗并沒有推翻量子力學的“不可預測性”。也許“量子糾纏”現(xiàn)象是這個可能性的一個方向。
第兩個半可能，是哲學問題了，所以我叫它半個可能性。即我們要討論，到底什么是“真隨機”。比方你扔骰子，如果用高速攝像機拍下骰子扔出去的角度、速度，再通過牛頓力學，我們能算出來最后扔出來必然是多少。這種情況下，骰子的隨機性就是個“假隨機”，玻爾、海森堡的關于量子力學的觀點是，量子力學里的隨機性無法用一個量子的“高速攝像機”去拍攝，因為你一旦拍攝就會導致波函數(shù)坍縮，導致這個預測變得無法進行。
德國哲學家、作家，古典哲學創(chuàng)始人，伊曼努爾·康德
(Immanuel Kant，1724 - 1804)
這里就要祭出著名的哲學大師，德國哲學家康德了?？档掠兴^“物自體”的概念，大概說的是:
事物的“本體”，處在所謂的“彼岸”，我們感知事物，是通過自身感官去與事物的屬性“耦合”，所以我們只是感受到事物的“性質(zhì)”，然而這并不是事物“本體”，彼岸不可知。
康德這個理論也可以被認為是“不可知論”。運用在這個實驗里就是，盡管我們知道了量子系統(tǒng)“可預測”，但本質(zhì)上，只要我們沒有辦法真的去預測它，那它對我們來說就還是“不可預測”，還是所謂的“真隨機”。盡管耶魯?shù)膶嶒炞C明了量子系統(tǒng)存在可預測性，但萬一決定這個“可預測性”的機制不可測量，比方這個機制小于“普朗克尺度”，那這就使得在實際操作上去做預測變得不可能。那么，在康德的理論看來，這種情況的隨機，還是一個“真隨機”，至少是個“真·假隨機”。
其實關于概率論的哲學基礎，人類目前還不能說已經(jīng)研究透徹了，所以可能要先弄清概率論的哲學根基，才能更加深入地討論這個問題。
05 實驗沒推翻什么?很多科普文章說這個實驗推翻了海森堡的“不確定性原理”，因為愛因斯坦當年最反對的就是這個“不確定性原理”。這個說法有失偏頗，“不確定性原理”并未被推翻，只要海森堡這套矩陣力學還好用，“不確定性原理”就依然是正確的。除非等到新的理論做出來之后，才能真正地去探討“不確定性原理”是否真的被推翻了。
開個小差:如果不確定性原理被推翻，說不定“絕對零度不可達”這條定律也要被推翻。不確定性原理可以說是確?！敖^對零度不可達”的一個重要保證。
立個Flag:
最后說一下，這個實驗新鮮出爐，主流學術圈還要討論一陣子。但如果這個實驗的結論被普遍接受的話，我預言，這個實驗成果一定會很快獲得諾貝爾物理學獎，因為它的結論，太太太底層了，影響太太太巨大了。
