为什么大自然选择了量子理论?

发布时间:2020-07-16

乔纳森·巴雷特参加大学入学考试时,给了他45分钟的时间写一篇题为《事情会不会不是这样?》如今,他是英国伦敦大学皇家霍洛威学院(Royal Holloway)的一名年轻数学讲师,他不断地回到这个问题上。

今天,巴雷特对描述原子领域物理学的量子理论特别着迷。他和他在比利时布鲁塞尔自由大学的同事Stefano Pironio正在思考是什么使得量子理论,而不是另一种物理模型,成为引领世界的最佳选择。“为什么,”巴雷特说,“自然选择了量子理论?”

然而,巴雷特第一次接触量子理论并不太令人难忘。他回忆道:“它看起来像是一个完美的物理技术,但不是我现在所知道的那种美丽而又不为人所知的东西。”量子力学以奇异著称;例如,它的传统解释告诉我们,现实的核心是不确定的。在量子实验完成之前,物理学家无法计算出精确的结果;他们只能算出得到某个结果的概率。但是作为一个概率理论并不足以定义量子力学的特殊之处。事实上,近年来,物理学家们已经意识到,有一大堆备选的概率理论共享了量子理论的许多其他听起来神秘的特征——比如纠缠、干涉、隐形传输和非定域性。然而,这些选择都被大自然拒绝了。通过研究这些备选方案,物理学家们已经了解了很多量子理论并不独特的东西。但是是什么呢?

在FQXi提供的11万美元赠款的帮助下,巴雷特和皮罗尼奥提出了一个解决这个微妙问题的新方案:“我们想知道的是关于时间的事实是否能够解释为什么量子理论有这样的结构,”巴雷特说。

两人的合作开始于皮罗尼奥在布鲁塞尔读博士时,他和当时是博士后的巴雷特共用一间办公室,当时巴雷特正在研究量子物理学属于的概率理论家族。Pironio认为量子理论与其同类理论区别的关键特征可能是可逆性。量子理论最令人困惑的方面之一是它内在的可逆性和不可逆性之间的张力。假设一个物体不与其他任何东西交互,它就会平稳地、可预测地、可逆地发展。但是用测量仪器猛击它,现在理论规定一个不可预测的,不可逆的跃迁到一个新的状态。这一点经常被薛定谔的猫的悖论所例证,在这个悖论中,一只不幸的猫被困在一个装有一小瓶毒药的盒子里,如果一个放射性原子衰变,毒药就会被释放出来,触发一个锤子打碎小瓶。在盒子被打开之前,放射性原子处于衰变和未衰变的叠加状态——用可逆物理方程来描述——因此猫既不是活的也不是死的。然而,一旦盒子被打开,猫就会被发现不是死就是活。如果你死了,你就不能让时钟倒转,让薛定谔的猫起死回生。

巴雷特和皮罗尼奥把注意力集中在量子力学中的时间和可逆性上,开始将时间之箭与热力学术语联系起来。正如任何一个孩子的玩具室所显示的那样,无序——或者热力学熵——会随着时间的推移而增加。这被编入了热力学第二定律,从而给了时间一个优先的方向。物理学家所知道和喜爱的量子理论版本遵循热力学第二定律。但是其他的概率理论呢?如果它们违反了第二定律,这可能是自然倾向于量子力学的原因吗?

《时间之箭》也提出了因果关系的问题。在日常生活中,我们直观地知道,效果不可能在引起它们的事件之前发生。但众所周知,量子论对于哪些事件导致了其他事件是模糊的。以纠缠为例,在这种量子现象中,两个或多个粒子不可避免地纠缠在一起,无论它们相距多远,测量一个粒子的性质似乎都会影响其同伴的性质。物理学家不愿说对第一个粒子的测量导致了其他粒子的变化,而是更愿意说粒子的属性是相互关联的。“任何一个优秀的科学家都知道,”巴雷特说,“相关性并不意味着因果关系。”

在20世纪60年代,约翰·贝尔提出了一个实验测试,可以明确地揭示两个遥远事件之间的量子力学相关性是否有一个直观的因果起源。这样的贝尔实验现在已经被进行,并且一致地证明了纠缠粒子无法解释简单的因果关系。贝尔的工作点燃了许多火,其中大部分仍在燃烧,而巴雷特和皮罗尼奥想帮助清除烟雾。为了做到这一点,他们求助于贝叶斯网络(Bayesian networks),这是科学家经常使用的一种工具,用于建立概率关系模型,例如,某些医学症状的出现与某种特定疾病的存在之间的关系。通过将标准的贝叶斯网络形式主义应用到量子理论中,他们计划重新研究贝尔令人毛骨悚然的相关性和因果关系之间的联系。

“这是一个富有成果的话题,”英国阿伯丁大学的物理学哲学家Guido Bacciagaluppi说。量子力学中的因果关系和贝叶斯网络中的因果关系现在是两个高度发达的领域。

西雅图华盛顿大学的物理学家John Cramer补充说,研究为什么量子理论的替代品在自然界中没有实现,对于那些目前正努力将该理论与爱因斯坦对引力的描述结合起来的人来说,可能会有长期的回报。他说:“这种方法可以令人信服地为量子引力理论可能必须具备的结构提供洞见。”

然而,巴雷特的野心要小得多。当被问及十年后他希望取得什么成就时,他笑了。“如果这是一次工作面试,我会继续谈论成为该领域的国际领导者,建立广泛的研究收入基础。”他停顿了一下。我认为最诚实的答案是,我希望已经有了一个想法。一个好一个。完全不同于我现在想象的东西。”