我讀《量子物理史話》- 6

抱歉! 我偷懶了幾天,或許大家以為我讀書心得已經寫完了?主要是這個周末都在追劇,Thread 上推薦了一個 AI 短劇 – “萬妖圖錄傳",我火速將它追完,把整理 blog 的時間用掉了。觀影心得就是:本劇似於 “我獨自升級" 的 “大唐" 版。反正 Netflix 把 “我" 劇斷尾了,看這片也是等效。總之,主角必勝。

言歸正傳。上次講到沒有局域的隱變量,所以量子物理還不是決定論。通常人類不喜歡這種沒有因果的東西,所以會想要討個說法。

[系綜派] 1935~1936 年左右,“系綜解釋” (the ensemble interpretation) 派說,只有系統整體是有意義的,不要去管一個光子怎麼跟自己干涉那種小事,解釋不了也不用解釋。這派學者奉愛因斯坦為老祖。

因為他說過 “任何試圖把量子論的描述看成是對於 ‘單一系統’的完備描述的做法,都會使它成為極不自然的理論解釋。但只要接受這樣的理解方式,也即(量子論的)描述只能針對系統的‘全集’,而非單一個體,上述的困難就馬上不存在了。 」(p. 311)

[GRW 派] 1986 年 7 月,Ghirardi、Rimini 和 Weber,他們的主要假定是,任何系統,不管是微觀還是宏觀的,都不可能在嚴格的意義上孤立,也就是和外界毫不相干。它們總是和環境發生著種種交流,因此可以用非線性的能量密度方程式來描述。

根據他們的理論,平均 1016 秒,也就是幾億年,偶爾會有一個粒子就自己坍縮了,這叫做 “自發性的定域過程" (spontaneous localization)。對於一隻貓來說,就算不肥也有 1027 個粒子,所以一秒鐘就會發生好多次微小地、破壞能量守恆的坍縮。如此一來,當我們觀察一個粒子,粒子就和我們是同一個系統,人的粒子那麼多,1 + ∞ = ∞,所以粒子就坍了。

但是另一方面,你也就不會是個完全體了,雖然你大部分在上班上課,小部分的你會以高斯分布散落在家裡到學校、辦公室的路上,更細碎的你則是散落在整個宇宙。無怪乎有人不喜歡這種非線性,如:提出 GHZ 檢測的那個 Z – Zeilinger。(p. 320)

[Q&A] 既然量子論是正確的,那麼疊加性必然是一種普遍現象。可是,為什麼火星有一條確定的軌道,而不是從軌道上向外散開呢?

[唯心派] 因為你看了它,它就坍縮了。

[GRW 派] 因為整個宇宙的粒子超級多,粒子多都會坍縮。

[MWI 派] 一念一世界,世界一直在分裂。只有一本歷史,剛好你在這個世界。

[MH 派] [DH 派] 1984 年,羅伯特・格里菲斯(Robert Griffiths)提出了 “一致歷史"(consistent histories)的想法。後來蓋爾曼(Gell-Mann)與哈特爾(Hartle)又把它發展成更常被稱作「退相干歷史」(DH = decoherent histories)的框架。

簡單地說,他們認為在一個世界有多個可能的歷史 (MH = Many Histories),我們看到的是最後粗粒(coarse-grained history)的宏觀版本。例如:"火星大致沿著某條已知的軌道運行",許多細節都被合併、平均掉了

相對地,所謂 “精粒歷史"(fine-grained history),是對系統在一連串時刻上的狀態做非常細的指定。以火星為例,可以細到描述它在不同時刻的可能位置、動量,甚至更細微的自由度。

關鍵在於:在精細描述下,不同歷史之間原則上會有量子干涉;但對火星這樣的宏觀系統來說,它與環境——光子、熱輻射、周遭物質——無時無刻不在交互作用。這些作用會迅速抹去不同宏觀歷史之間可觀測的相位關係,於是那些粗粒歷史彼此近似不再相干。這就是所謂的 “退相干" 。

當然,這套說法也不是沒有問題。在眾多可能的粗粒化方式裡,究竟哪一組歷史才是有物理意義的呢?比方說我們可以用軌道座標來描述火星的位置,也可以用火星的視角來描述。在傳統物理中,我們兩個問題都可以問,甚至互相反推。但是在一致歷史裡,第一本歷史可完全沒有記載第二本歷史的任何資訊,它們都合理但不能互相解釋。

[MMI 派] 這派認為世界沒有分裂、歷史也沒有分裂、是心分裂了 (Many Minds Interpretation)。 呃…你知道什麼樣的人都有。

那麼看了這麼多不同的說法,量子物理用在哪裡呢?對,我們終於快要講到了。

[後記] “眼尖" (?) 的網友應該發現了,本書只給費曼和路徑積分很少的篇幅。基本上路徑積分 – “粒子從 A 到 B 的量子振幅,要把所有可能路徑的振幅都加起來。" 和薛丁格、海森堡等價。

我讀《量子物理史話》- 4

上帝擲骰子嗎?

我們先列一下正反雙方代表,忽略那些不選邊站的人。

  • 正方 – 哥本哈根學派 – 機率、不確定:波耳、波恩、海森堡
  • 反方 – 因果論、決定論:愛因斯坦、德布羅意、薛丁格。

[第一戰 /1927 年第五次索爾維會議]

  • [正方,波耳] 你可以設計實驗看到波動性,也可以設計實驗看到粒子性,但不能在同一個實驗裡同時完整得到兩者。
  • [反方,愛因斯坦] 如果粒子通過某個狹縫,它一定會對狹縫產生一點點反作用力。那我不直接觀察粒子,而是觀察狹縫本身被推了一下,就能推算粒子走哪條路。
  • [正方,波耳] 你不能把測量裝置當成完全不受量子規則限制的東西。狹縫板本身也要遵守不確定性原理。

[第二戰 /1930 年第六次索爾維會議]

  • [反方,愛因斯坦] 用一個光箱關注一堆光子,開啟一個快門,讓一顆光子在 △T 的時間內飛出箱子,秤出箱子減輕 △m。E=mc2,所以△ E、△T 都可確定。
  • [正方,波耳] 想了一晚。
  • [正方,還是波耳] 假設用彈簧秤測量箱子重量,光子飛出,箱子變輕,彈簧秤位移 △q 。箱子在重力場中位置不確定,根據某位愛大的廣義相對論,透過重力時間膨脹,會造成時鐘讀數 △T 不確定。

因為波耳用的是 “以彼之道,還施彼身",反方無可辦駁,收工。

因為第二次世界大戰,物理學家不能齊聚一堂了。但辯論還沒有結束。第三戰 EPR 三英戰呂布。

[反方] 1935 年 3 月, 愛因斯坦 (E 大)、波多爾斯基 (Boris Podolsky) 和羅森 (Nathan Rosen) 合寫了一篇論文《量子力學對物理實在的描述可能是完備的嗎?》。

我們用 Bohm改寫的版本來講:假如有一顆大粒子忽然分裂成兩顆粒子 A 和 B,各自往不同的方向飛去。分裂前,粒子處於左旋和右旋的疊加態。我們去觀察第粒子 A,它忽然就坍縮 (或塌縮) 為左旋。基於角動量守恆,我們不管是否去觀察粒子 B,它都必須得右旋了,它怎麼可能超光速感應粒子A 被觀察了,這像話嗎?

[正方,波耳] 這個粒子呢,不管有沒有分裂,都是同一個系統,你觀察 A 就等於觀察 B。

EPR 論文鼓舞了薛丁格。也是 1935 年,他拿出了他有名的貓。假如有個粒子在衰變和為衰變的疊加態,又跟貓關在一子裡。你一打開箱子觀察,粒子就坍縮。坍縮成有放射性,則貓死。坍縮成非放射性,則貓活。問題是,疊加態的那段時間,貓是又死又活嗎?

我們可以看到每一戰打的主題都不同。到了 “薛丁格的貓" 這題,主要是挑戰 “觀察導致坍縮" 的不合理。事實上,本書的主要內容,我以前在別的書都讀過,算是小小複習。但是這本書比較新的地方是,它提供了更多門派對於 “觀察導致坍縮" 的解釋,我們不能一直靠波耳啊~~~

[意識流] 1967 年,維格納 (Eugene Wigner):其實儀器都沒有坍縮,是到了人的意識 (Consciousness) 這關,必須得坍縮,給出個說法。假設有個 “維格納的朋友" 和貓一起關在箱子哩,他肯定和貓共死啊!如果維格納還連絡得上他,那就是生,沒反應就是死了,生死是由外面的人判斷的。

1979 年,約翰惠勒(John Wheeler) 提出延遲實驗 (delayed choice experiment)。既然一看就坍縮,那我先不看。讓光子先經過半透鏡 (分束器,Beam Splitter) 1,下圖中,它可能往右或是往下。等到路徑確定、木已成舟再觀察如何?

本圖取自 [1]

1984 年,卡洛爾阿雷(Carroll O Alley) 和同事做出這個實驗。在沒有半透鏡 2 ( BS2 ) 之前,光子有時經過探測器 1 ,有時候是探測器 2,呈現粒子性。但是我們如果在光子還沒有到達 BS2 之前,熊熊把 BS2 塞進去…雖然理論上粒子已經選好路徑、木已成舟,但是我們卻會看到干涉現象,表示兩條路經上都"已經" 有光子?

這下好了,難道"觀察能改變歷史?" AI 可以接受的正規的解釋是:"在測量完成以前,不能用古典方式說光子早已確定走哪一條路" 、"兩條路徑的量子振幅必須共同描述"。但我們先繼續看其他有趣的解釋。

[多重世界流 (MWI – Many World Interpretation] 1957 年,休・埃弗萊特三世 (Everett) 發表了多世界理論的論文。他的觀點很簡單,你以為你觀察的瞬間發生坍縮了嗎?沒有,是世界分裂了,從疊加態分裂成了多個世界,而你在其中的一個世界,所以看到的是確定的其中一種結果。在別的平行世界裡,光子走了另外一條縫;另外一個你,看到別的結果。

這個理論最大的缺點就是太費 “世界" 了,看一眼分裂一下,成本相當地高。連奇異博士看到的 1,400 萬 605 種結局 [2],都不夠用。波耳對這個理論不買單,讓埃弗萊特灰心地退出物理界。不過 “平行宇宙” (Parallel Universes) 的想法,近年來倒是普遍為影視界所接受,成為受歡迎的解釋之一。

[高維宇宙] 1990 年後,Tegmark 提出另外一種見解。在量子力學中,N 個粒子的波函數不是定義在普通三維空間,而是定義在高維組態空間中。若只考慮位置,N 個粒子需要 3N 個空間座標;若再加上動量,古典相空間會是 6N 維。從這麼高的維度來看,任意兩個子世界都是正交的,不能互相影響,只是呈現疊加的狀態。

對於粒子走哪條路這種小事,它們的維度很低,所以多重世界互相有投影量。當系統和儀器、環境糾纏後,不同結果會對應到幾乎互相正交的環境狀態。由於環境自由度巨大,這些分支之間的干涉項迅速消失,這就是退相干 (decoherence) 的現象。

這個宇宙原本的狀態可以表示為:

(a|通過左縫> + b|通過右縫>)×|未進行觀測的我們>×|宇宙的其他部分>

如果被我們偷偷觀察了一下:

(a|通過左縫>|觀測到左的我們> + b|通過右縫>|觀測到右的我們>)×|宇宙的其他部分>

括號內維度增加,造成退相干。

OK,這是另外一套說法,當然又是有人贊成、有人反對。70 年代以來,愈來愈多的學者貢獻在這個方面,把這套理論修補地更完善了。基本上,它和多重宇宙並不衝突,並省下許多個宇宙的成本。我們再來看看反對的。

[量子自殺]

假如觀察導致坍縮,薛丁格的貓在某個世界死了,在另外一個世界就是活的。再做第二輪實驗,又死了一隻貓,但有一隻還是活著。按照這個理論,不管做幾次實驗,都有一隻活貓,所以貓其實永生不死。把貓換成人,放射線改成槍,我們得到一個自殺也永遠死不了的人 – 量子永生 (quantum immortality)。

啊!這個世界看起來這麼難以自圓其說,傷透許多完美主義者的心。那些我們下次再寫。

[REF]

  1. 延迟选择实验
  2. 在《復仇者聯盟:無限之戰》中,奇異博士預見了 1,400萬605種 未來,其中打敗薩諾斯的致勝關鍵「只有一次」——就是讓東尼·史塔克(鋼鐵人)打響指犧牲自己。