【量子科普】從疊加態到量子詮釋

身為量子物理領域的PhD總是會遇到些量子相關有趣的言論,所以我想趁著有空梳理關於量子物理、量子力學詮釋等方向的議題,這樣大家就不會被各種似是而非甚至是完全胡扯的言論給搞到XD之後有機會再談量子計算等比較偏資訊的面向,先看這篇反應如何XD 歡迎分享、留言、轉發、拍手讚賞和捐款

量子的原意

量子顧名思義是物理量以離散(而非連續量)的存在,而量子論的誕生最早確實是用於解釋黑體輻射和原子能階的實驗問題,不過當然不是任何離散系統的我們都說他是量子,否則去賣量子佛珠比較快(笑.雖然說有些物理觀測量必須是整數的倍數這點很有趣,不過還是比不上量子論的另外一個著名特徵「疊加態」,大家都一定聽過那既死又活「薛丁格的貓」.

疊加與糾纏


那就讓我們從古典波動系統開始說明疊加態.波動力學幾個有趣特點(大家可以用繩波思考),繩波是非局域性的分佈、也就是說我們不會說抖動的繩波只在空間上某點(所以電子雲在空間中也是機率分佈);其次是在給定邊界限制後,同一組物理系統能夠允許不同頻率的繩波(本徵態),所以可以說前一段提到的「離散可測量值」是「物理系統」能用波的語言描述之自然結果;然後波可以遵守疊加原理,同時處於幾種頻率的疊加之中(超導體電路的電流迴圈能同時順時針與逆時針流動).到這邊為止量子力學的波動方程和古典繩波、水波沒什麼差別.不過前者是用複數的機率幅度而非實數的機率演化,而重點就是「實驗只會獲得實數的測量值」,這代表「測量」(提取資訊)在量子力學中自然會成為爭議砲火中心,因為測量這個步驟看似非常武斷且破壞了疊加態的演化,原本不同的量子態就各自遵循波動方程式演化,「測量」介入的結果就是貓必須是死或是活,不能夠繼續活在疊加態之中.(所以我會說薛丁格的貓爭議其實不是貓在觀察前必須處於生死之間的疊加態,而是為何「觀察」後為何沒有疊加態了).同時用波來思考物理系統就會覺得不確定性原理(測不準原理)非常自然,因為頻率穩定(有確定動量、能量)的波是在時間(和空間中)無限延伸,這種兩組物理量的取捨就根基於傅立葉轉換(當然不確定性原理也可以用矩陣力學中矩陣不可交換推導啦).


上段提到的疊加態其實也是古典波動系統會有的特徵,只是量子力學加上測量後讓其變得更幽微.要能夠說是量子世界存在而超乎常人想像的就是量子糾纏,一組在數學空間中有強關聯表現的子系統可以在物理世界中距離光年之遠(量子糾纏也可以發生在時間軸向上,系統可以設計成「先A再B」與「先B再A」的糾纏態),這樣的強相關性雖然讓不能拿來傳遞訊息,不過已經絕非古典系統可以解釋(請看詮釋下文),通常單單是疊加態不足以說明物理系統在量子力學的範疇,不過只要有糾纏態大家就會洗耳恭聽.

當然物理學家之所以要用這些的數學語言自然不是因為吃飽太閒或故弄玄虛(相反的,物理學家很喜歡簡潔優美),而是因為這個實驗結果非常精準,即使動力學的演化過程變成機率分佈不再是決定論(這點我等等談),不過從原子能階到超精細結構、蘭姆位移、以及著名的g factor 都是不斷地提高測量的精度(還得加上整個20世紀中葉到末葉的粒子物理學),量子力學理論獲得實驗認可成功的程度實在是無需多言,即使大家對於其形上學和知識論的部分有疑義,那就是下階段的內容了.

量子力學詮釋


先簡明復述量子力學有三個構成,假設一:物理系統是必須用複數描述的量子態(活在希爾伯特空間中);假設二:物理系統在演化中遵守薛丁格波動方程;假設三:測量時根據機率幅計算的機率分佈獲得某個本徵量子態而非疊加態.等等的爭議應該都會圍繞這三個構成進行.大家只要稍微思考一下就會發現假設一、二與假設三是矛盾的,如果微觀及巨觀世界和諧且一致地由量子力學描述,那要如何解釋推導出不連續演化的觀測塌陷?

很多物理學家(包含愛因斯坦和薛丁格)看到量子論賦予動力學本質上的機率分布是種本體論上的倒退(愛因斯坦在波爾模型可以計算能階、但是不能解釋能階跳躍就已經心有不安),希望可以將量子論的機率論描述當作是其完美理論的過度特徵,機率論或許只是因為我們知道的不夠(知識論),而非測量的量在測量前確實不存在(本體論),這種做法可以說是釜底抽薪,直接質疑假設一「用量子態描述物理系統是否完備」,寄望保留因果律和實在性來維護一個常識能理解的世界,可惜他們失敗了.

這個常識世界被稱為「局域實在論」,事情的因早於果(沒有超光速傳訊)、然後物理系統任一時間都處於某個確定狀態,即使觀察者(可能永遠)看不到.「局域實在論」引起的量子力學詮釋爭論在1930年誕生了EPR悖論(量子糾纏的誕生,量子糾纏這個數學結構是量子力學數學結構的必然),在1960年代催生了貝爾不等式.貝爾不等式是指出:「物理量是像局域是在論所說的不知道、還是量子力學指出的不存在」是個可以被實驗檢測斷言.1980年代的嚴謹實驗已經宣判了常識世界的死亡(量子糾纏的關聯性超過常識宇宙可解釋的範疇),其中實驗可能的漏洞也都在各種嘗試下被補上,2015年無漏洞貝爾不等式系列實驗基本上只是物理學家追求嚴謹的蓋棺論定罷了.最終的結果是:主流物理學界選擇放棄實在性保持因果律,但非局域性的糾纏態仍舊是如影隨形.

不過貝爾不等式實驗的結果其實還隱含著一個瘋狂的可能「終極決定論」:我們或許可以假設宇宙各部分在太初大霹靂就已經交換過資訊,這宇宙就是像詐騙集團一樣欺騙我們,讓古典的本體恰好表現出量子行為,諾貝爾物理獎得主Gerard ‘t Hooft 和Bell 本人都願意放棄一切代價追求那古典優美的金色光輝.當然人們可以選擇放棄因果律、保持實在性來建構理論,波姆詮釋(導波)是希望如此,粒子每一瞬間的物理性質都存在,不過可能透過非局域場來違反因果律(尷尬).

接下來就說我支持(個人主觀上還覺得優美好理解)的「多世界詮釋」,我們認為量子態是完整描述物理世界、物理系統也確實遵從波動方程式演化,所謂的觀測就只是物理系統與環境互動時量子糾纏產生的去相干而已,量子態從來沒有「被觀察後塌陷」這麼戲劇化(廢棄假設三),只是因為交換資訊創造量子糾纏後「子系統看來像是古典系統而已」.即使就整個封閉的宇宙波函數的角度來看,觀察從未發生,所有可能發生的事情都有機率福存在.不過就宇宙中的子系統(例如我們)而言,這個資訊交互作用的過程接近不可逆,我們與其他量子力學中允許的存在是無窮為向量空間中接近正交的存在.多世界詮釋就實驗上與所謂學院派的哥本哈根詮釋有一樣的預測,然後我也不認為短時間能有檢測方式,不過長時間來說應該會有很多有趣的悖論與實驗可以開發.

其他詮釋速覽


如果不能夠挑戰量子態本身,那有沒有辦法挑戰量子態的演化呢?或許量子態的演化不是完全遵守薛丁格方程式,線性疊加可能有非線性修正項.客觀塌陷理論就主張量子力學的觀察(假設三)從頭到尾都不存在,因為假設二需要被修正,小系統在獨立演化的情況下接近薛丁格方程,不過複雜系統會以很快的速度從疊加態直接塌陷成某個本徵態.不過目前任何敢挑戰假設二的詮釋大概都GG了,因為就如同之前所提到的,量子實驗的準確度不斷提高,實驗邊疆不停擴展都沒有遇到什麼問題.接下還是得提到諾貝爾獎得主Penrose的量子腦理論,Penrose 希望可以一石二鳥的解決物理學幾大問題(意識、量子力學詮釋、量子重力),所以才會認為大腦細胞中的微管束可以維持量子相干性、意識體驗本身是量子重力效應,以及測量就是意識這個客觀的量子重力現象.(誠實來說,我從來沒把皇帝新腦看懂,不過我不認為大腦是超越圖靈機那不可計算的存在,也不認為濕熱的生物體可以維持這麼複雜的巨觀量子糾纏)

%d bloggers like this: