量子力学是终极理论吗

时间:2023-11-19 02:39:02

李·斯莫林(Lee Smolin):圆周理论物理研究所物理学家,著有《时间重生:从物理学危机到宇宙的未来》(Time Reborn:From the Crisis in Physics to the Future of the Universe)。

量子力学是终极理论吗

我担心我们其实并不理解量子现象。我们确实有一个成功的理论——量子力学,自从1926年被创立以来,每一个实验检验都增强了人们对它的信心;并且除了万有引力之外,它是我们理解所有物理学的基石。它还是量子信息和量子计算等新技术的基础,而这些新技术目前正蓬勃发展。不过,我仍然很难相信量子力学为自然提供了一个完整的描述,我坚持认为还有一个更真实的描述在等着人们发现。

我之所以对量子力学持保留态度,主要原因是它只对实验结果给出概率预测。原子和分子因其秉持的能量不同而处于一系列的离散状态,这些离散状态是我们认识化学的基础。当一个原子或分子在状态之间转换时,它发射或吸收光量子来补偿能级跃迁。量子力学为那些要发生的各种跃迁提供了概率。许多系统可以通过统计在某个时间点实验结果的出现频率,来验证量子力学推断的概率。

但是,我们可以设想一种具体情况,比如单个原子在一个特定瞬间从活跃状态衰减到低能态。这个瞬间会是什么时候,量子力学显然难以提供精确预测;而当它发生了,其背后有什么原因,量子力学同样也提供不了解释的基础。为什么单体事件会发生,我相信它一定遵循因果关系;而且如果我们能理解它,就能创建一个在原则上能够预测单个原子何时跃迁的理论。也就是说,我想要一个超越量子力学的量子现象理论。

那些最初创立量子力学的人们,并没有宣称量子力学给物质世界提供了一个完美的描述。玻尔、海森堡及其追随者解释说,自然中存在两种过程——一般过程和测量过程。为了区分二者,他们设置了一条界线,从而把世界一分为二。在这个分界线的一边是我们想要描述的量子系统;另一边是人类世界,我们通过测量工具以及时钟认识它,老式牛顿物理学能够很好地解释这个世界。当这两个世界相互作用,以及用概率来描述它们相互作用的结果时,一个测量过程发生了。他们争辩说,量子力学没有办法描述和说明那些发生在纯粹量子世界的事情;它是一个工具,用来讨论概率——我们对不同量子系统的干预可能得到的不同结果。

但可以肯定,我们和我们测量的由原子等组成的系统,都是量子世界的一部分。在这种情况下,把所有的事物放进分界线的量子系统这边,并把我们自己和我们的工具都看作量子系统,不应该有这种可能吗?当试着这样做的时候,我们发现无法解释那些产生具体结果的实验,也无法预言这些结果的概率。为了弄清这个所谓的测量问题,学界已经争论了80年。

一种应对是“多重宇宙”的解释,它声称现实远远大过我们能观察到的世界,而且包含无穷无尽的历史;任何事情的结果在不同历史中有不同影响,量子力学预测的是每一种影响的概率。我们亲身感受的世界只是这些历史中的一个。

我不相信现实的存在无边辽阔。我相信只有一个真实的世界,在这个世界中,有具体的实验结果,在这个世界里,只有一种历史在很多可能性中被实现了。很多其他的解决方案被提出来迎合这样一个事实,即量子力学对个别现象不能给出说明。这些解决方案,或者把逻辑改变了,以致逻辑不再能表达我们的困惑,或者认为量子力学描述的不是性质,而仅仅是一个观察者通过实验收集起来的关于物质系统的信息。

但是还有另一种可能:量子力学对那些个别现象中发生的事情不能提供解释,因为它是不完整的——量子力学遗漏了性质的若干方面,而这本来应该得到真实的描述。这就是爱因斯坦笃信的,也是德布罗意(Louis de Broglie)和薛定谔(Schrödinger)笃信的——德布罗意和薛定谔在创建量子力学的几个关键节点上都起到了重要的推动作用。这也是我相信的,而且我终生的忧虑一直是如何发现那个更完整的理论。

一个能够充分描述个别现象的完备的量子力学,被称为隐变量理论,其中几个变量已经被发现。一个一直被大量研究的变量是由德布罗意在1928年发现的,并由大卫·玻姆(David Bohm)在50年代再次发现。这表明它是可能的,现在我们要做的是找到正确的理论。最好的办法就是发现这样一个理论:它与量子力学过去所做的所有实验相一致,而和现在开发着的、大型的、复杂的量子设备的实验结果存在分歧。

我们知道,这样一个理论必须是彻底而非局部的,在这个意义上,一旦两个粒子相互作用并分离,它们的性质就纠缠在了一起,即便它们彼此游离很远。这意味着参与实验的两个粒子一旦相互产生作用,它们之间的信息精准传递的速度比光速要快。

因此,一个完备的量子现象理论必须包含一个时空理论。我一直相信,完成量子力学的任务和统一量子力学与时空的挑战,其实是同一个问题。我也看到了这样的问题,即在宇宙尺度上扩展我们物理学的认知与发现量子力学背后的世界是一样的。

许多物理学家把量子力学视为终极理论,并试图在量子物理学的现有框架内解决物理学和宇宙学中的公共问题,比如统一和量子引力。我担心这是错误的,而且不会成功,因为量子力学本身必须彻底深化和完善,以使我们对自然的认识取得更大的进展。

注:本文作者李·斯莫林的《时间重生》已由湛庐文化策划,浙江人民出版社出版。