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王孟源:宣传中国的量子卫星,别把“哥本哈根解释”混进来
关键字: 量子卫星时间晶体杨振宁2
单粒子(Single Particle,没有缝隙,也没有墙)系统没有任何物理反应,所以当然用不上量子去相干;但是单事件(Single Event)实验绝对可以用量子去相干来解释清楚。请注意,量子去相干不但没有“塌缩”这个说法,它原本就是为了详细解释塌缩这个假象而发展出来的。
王向斌所说的“测量完成后,任何被测系统在所测的物理量相应的空间中都得是一个纯态,即不能与任何别的东西纠缠”,是他错误的核心。量子去相干理论真正说的,刚好相反,就是测量的过程正是让被测量的粒子和测量仪器做反应,从而形成两者之间的纠缠,同时打破被测量的粒子原本在几个不同量子态之间的相干性(靠的是测量仪器的大量凝态粒子的自我相互作用来消灭相干性)。被测量粒子和测量仪器之间形成完美的纠缠态,而不是纯态。
用双缝实验做具体的例子:被测量粒子是单个入射光子;“测量仪器”则是那面墙,测量的物理量是光子的位置。光子经过双缝的时侯,走A路和走B路的波函数是叠加的,这时A和B就是所谓的“相干”。这和古典粒子随机决定走A路和走B路不同,因为古典随机现象叠加的是机率密度,而量子现象叠加的是波函数;前者是后者在向量空间的自我做张量外积(Tensor Product)后的对角线项,一般说成是平方。因为在隙缝处两个波函数叠加,所以从隙缝到墙之间,经过薛丁格方程式的演化,在墙上的波函数分布仍然同时有A和B的贡献,于是产生了复杂的条纹,这叫做“干涉”。讨论到目前为止,都属于标准量子力学的范畴,可以用实验证明,没有任何争议。
波函数在墙上各个不同位置的可能性,也是叠加的,换句话说,仍然处于相干态。然后光子与墙作用,只有一个点亮起来,于是光子的位置被确定了,实验完成。在最后这一步,才出现对其背后逻辑的分歧看法,有了各种“解释”。
Copenhagen解释说,测量仪器和观察者都是系统(即这个单一光子)之外的神秘物体,波函数只对系统有效(只考虑被测量粒子,而不管粒子与仪器的互动,其实是Copenhagen解释的基础逻辑错误)。“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”都无法定义,反正人看到了自然会知道。那么既然只有光子有波函数,它撞墙的过程就必须从原本所有可能位置的相干态,一瞬间转变为集中在亮点的纯态,这被波尔叫做“塌缩”(Collapse)。至于在人类演化之前,显然没有任何可能的“仪器”、“测量”、“观察者”和“观察”,量子事件是怎么塌缩的,就不关波尔的事了。Copenhagen解释对懒得用脑的实验者来说,是个很直觉、容易上手的经验准则,但是完全经不起逻辑的推敲。
量子去相干则不一样。它说整个宇宙只有一个波函数,包含了每个粒子。相互之间没有作用的粒子,原本的多变量波函数可以Degenerate,分解成为个别粒子的波函数的简单乘积,所以光子的飞行过程,可以看作是单粒子波函数的演化。但是光子撞墙,就是它和墙内部的极大数量处于凝态的原子有了作用,这个过程绝对不能看作是单粒子波函数的自行演化,而必须是“光子+墙”(也就是”被测量粒子+测量仪器“)这个巨观系统的波函数的共同演化。因为墙处于低温凝态,每个原子的位置都是固定的,没有任何不同可能位置之间的不确定性和相干性,一旦光子和它作用,形成完美的纠缠,就以大欺小,把光子不同位置之间原本的相干性用巨量的原子稀释掉了(到非常接近于零,但不是数学上的零,只是物理上的零,亦即无法用实验与真零分辨出来)。这个过程叫做“去相干”;它不是什么神秘的新机制,而仍然遵守着薛丁格方程,只不过因为是数量极大的多体问题,所以不能有确解。这个过程的结果,不是一个纯态,而是”被测量粒子+测量仪器“之间的纠缠态。
Einstein所说的“上帝不掷骰子”,指的是Copenhagen解释里塌缩的过程中,原本光子有无限多个可能的位置,必须一瞬间丢弃近净,新的波函数里只剩下一个单一的测量结果,就像掷骰子一样。相对的,量子去相干解释里,原本光子的所有不同可能位置,仍然被包含在新的波函数里,并没有被舍弃;但是波函数已经不再能被视为个别粒子的波函数的简单乘积,而是一个巨观系统的波函数,所以不确定性仍然在,只是相干性被稀释光了。换句话说,新的波函数仍然包含着所有光子原本所有可能的位置a,b,c,d,e...,但是它们之间没有相干性,所以波函数在向量空间的表象里,出现了另一个与前不同的简化,是波函数分解成对应a,b,c,d,e...等等可能性的OR和(即只有一个能留存),不论现实走上哪一条路,新波函数的演化都好像只对应着一个单一的测量结果。
我想很显然的,量子去相干不但没有任何定义上的困难,而且逻辑严谨自洽,推演过程自然,应用在没有人类的宇宙中,也完全没有问题。王向斌的毛病,出在他先接受Copenhagen解释的歪论,得到一个错误的结论(即光子必须处于纯态),然后用它来“证伪”量子去相干。
总结来说,单粒子一旦被“测量”,就是与测量仪器有了作用,也就不能再被视为独立的系统;新的系统是巨观的,包括了被测量的粒子和测量仪器,如果“观察者”操作了仪器,那么他也参与了作用,必须也被包括到系统里面。这时系统有很复杂的量子纠缠,波函数不能沿观察者/仪器/粒子的分界线分解开来,但是因为巨观凝态系统能够去相干,所以反而可以沿着去相干的维度(对应着不同测量结果)来分拆。以上是量子去相干的核心论点,但是现实是否只有一个,它在不同测量结果之间如何做选择,这就超越了量子去相干理论的范畴,需要进一步的理论分析。Bohmian Mechanics认为现实对应着一个隐藏的点粒子,并以此为根据,建立了完整的逻辑体系。
我个人觉得BM是目前最好的解释,但是仍然不完美,所以大概不是最终的解释。然而量子去相干却完全没有疑义,它是量子力学测量过程的逻辑正解,任何坚持Copenhagen解释的文章,都是拒绝接受科学的进步,固守已被淘汰的破产理论,如同古人假想有天神存在一样,在事实和逻辑上原本就是站不住脚的假设,现在有了逻辑严谨的替代理论,是该放弃的时候了。
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- 责任编辑:孙武
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