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楼主: langyanjun

科普

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 楼主| 发表于 2019-4-30 17:00:47 | 显示全部楼层
量子迷宫(4)
实验光谱揭示出的问题,波动力学(和矩阵力学)对此似乎都不能解答。特别是,有些理论预测的发射谱线被观察到在有磁场存在时分裂为几条清楚分离的线(一种称为塞曼效应的现象)。无论波动力学还是矩阵力学都不能解释这种现象,更糟的是有些预测的谱线却找不到。别无它法,唯有引入一个论断:每一个轨道仅能容纳两个电子。一位名叫克勒尼希的年轻物理学家说,这或许是因为电子有一种“自我旋转”,他假设自旋的角动量是普朗克常数除以2π的1/2,波尔一反起先的保留态度成为一名有力的宣传者,并且大概是使用“自旋”一词来描述自身旋转的第一人,这个词沿用至今。P.37-38
尽管电子自旋的概念很直观,但即使在波尔的旧的行星原子模型里,其问题也很明显。泡利在1927年提出一个不完全的解答。他将一类新变量引入含时的薛定谔波动方程,从而得到两个互相耦合的微分方程---电子自旋以某种方式紧密联系着相对论量子效应。P.39
电子自旋的性质不以任何方式与电子绕其轴旋转这样的概念相对应。这是一种纯粹的相对论量子性质,在经典物理学中无其对应。尽管解释不明,我们固然知道,电子自旋产生的效应是给出一个小电子磁矩。这个磁矩可取顺或逆于外施磁场的方向。P.40
电子自旋角动量的两个可能方向对应于狄拉克方程一半的解,其余的解对应于电子的负能态。负能解具有一些奇特的性质。狄拉克说,假定宇宙被一个由自旋配对电子全部占据的负能态“海洋”所充塞,我们将无法知道存在这样一个海洋,因为是充满的,故而不与任何东西发生相互作用;它只能作为一个测量正能量的背景(当时中子尚未发现)。到了1931年,狄拉克改变了他的观点并声称,电子海洋中由空穴(电子受到激励逸出海洋变成一个可观察的正能电子,它就会留下一个“空穴”)产生的正能且带正电的粒子是一种假定的反电子,那是电子的带正电的翻版。1932年安德森在宇宙射线实验中发现一种轻而带正电的粒子,但直到1933年他才大胆宣布发现了“正电子”(后来就那样称呼)P.41
1923年至1933年这创造力勃发的十年,已经使量子理论从强加于经典模型的一些特别的量子定则,变成为一种自洽的结构,量子定则作为适当修正的相对论波动或矩阵方程的解从中自然得出。但,很快人们意识到这走进了一条死胡同。如今物理学家承认,需要有一种场的量子理论,从麦克斯韦电磁场的量子化开始,一个适当的量子场描述应当作为这个场本身的量子产生粒子。似乎明白的是,光子是电磁场的量子,在带电粒子相互作用时产生和堙没。这称为二次量子化。关于粒子波动性(以及波动粒子性)的认知称为初次量子化,而二次量子化是指各种类型的相互作用中产生和堙没量子的能力。问题在于,一旦在狄拉克方程中引入相互作用,发散积分就大量涌现,产生棘手的无穷大。为了保证能量守恒,泡利提出了物理学家的完美遁词——一种无质量无电荷且实际上不与任何东西发生作用的粒子,后来被称为中微子。P.42
读者感言:今天儿子放假回家,要去恒大影城看《复仇者联盟(四)》,而在今天的课堂上,我见学生就带了这个电影的优盘并播放了。《复仇者联盟》是一个连续的科幻故事,它在实质上是一个科普——关于最新科学的大众化普及:量子力学。而本书,恰恰是用通常人们听得懂的语言简述量子力学的发生和进展。
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 楼主| 发表于 2019-5-6 09:00:20 | 显示全部楼层
量子迷宫(6)
关于辐射、基本粒子、原子和分子的微观世界的实验空前奥妙,试图用经典物理学去容纳这些实验的结果,是连续不断的失败。正是这种失败推动了量子理论的发展。每当在这个理论概念结构的发展上取得了突破,接踵而来的是新的不能与之相符的实验数据,意味着对理论作进一步改进的必要。量子理论发展初期的主要人物,在这个理论的诠释上采取了截然不同的立场,使争论两极化,其影响至今犹存。有些持实用主义和工具主义的观点,理论概念的深层含义与他们试图描述的物理实在好像变得越来越脱节是无关紧要的。今天的大学教学计划中波动力学而非矩阵力学占据主导地位,完全是我们比较熟悉普通函数和数学算符,不大熟悉矩阵代数以及有关处理无穷矩阵的问题。关于量子波函数性质和诠释的激烈争论,以及未来摆脱将其误解为经典波动的需要,悄悄催生了一种新结构。P.55
矩阵很像经典物理中的矢量,只不过经典矢量运算于“日常”的三维欧几里得空间,而矩阵力学中的函数系统运算于希尔伯特空间。量子理论的数学结构,对于这个理论是微观世界的最佳描述并无争论,继续引起许多思辨和争论的,是这个理论在其概念与潜在的物理实在的关系上意味着什么——或者不意味着什么。P.56
1900年希尔伯特问题的第六个问题是物理学公理的数学处理,主张为了这门学科的真实性,最重要的只能从公理到定理的“硬连接”。量子理论类似的公理化产生了一些“量子定则”,量子理论表达就建立在这些定则之上。P.57
如今已经明白,波函数具有许多维度,远远超出普通空间的维数。单个粒子构成的系统可用三个空间坐标来描述,但一个双粒子系统需要一个六维位形空间。除了必须处理多维空间的问题以外,还要处理与电子自旋相关的“维”的问题;描述自旋的波函数变成一个列矢量,而不是简单的代数函数,且无经典对应物。此外,波函数是复函数,即它含有包含-1的平方根,显然数学表达必将是抽象的。P.58-59
冯.诺依曼认识到,矩阵力学与波动力学中函数的许多性质都可以在矢量空间理论中产生出来,使我们可以定义我们需要的任何维数和性质的空间,这些维度不限于笛卡尔坐标系的可视维度,它们不能在先前的理论结构内推导出来;相反,它们是假设的,并随后由预测与实验的一致性来检验。具有适当收敛性性质的矢量空间被筛选出来,给予特别注意,并称为希尔伯特空间。P.59
在量子理论 中,物理量不再直接出现在理论中。相反,理论是一种方法,在系统经受了某种理论上由适当数学算符的运算表示的操作时,用来抽取系统某个物理量取得某一数值的概率。观察量由施于相关希尔伯特空间的数学算符表示,还限制了算符本身的结构。算符必须是线性的,必须符合某种结合规则,必须是所谓自伴或厄米算符。最后一个要求具有根本的重要性,因为只有自伴算符的本征值才是实数,而唯有实数才能表示观察量之值。期望值具有的函数形式与概率刚分析中对应的量相映照,这再次强调了量子理论的概率性质。可以预料,实验值只是理论预测均值的近似。P.61
经典物理量如位置x和动量px是对易的,即x.px=px.x,但在微观的量子理论中,二者不相等,当然这些量不能再是普通的数来表示,它们要么是矩阵要么是算符。其算符不可对易的观察量称为互补的,同时在非对易性和不确定性原理之间存在着直接联系。P.62
现代量子理论是在经典的波动与粒子概念的融合中产生的,这个形式从经典波动世界继承了函数分子最有力的工具之一,即傅里叶分析。法国数学家傅里叶在1807年首先陈述:一个完全任意的函数可在给定区间上表示为简单正弦和余弦函数的一个无穷和,P.63
用于傅里叶分析的简单正弦函数和余弦函数正是基函数的例子,而为重构任何波函数所需的级数称为基组。在量子理论中,展开定理说:任意状态矢量|Ψ>可被展成为基矢量的线性组合(有时成为叠加)。基矢量由运算于相关希尔伯特空间的某个自伴算符的本征态的完备集构成。这里的基组不是简单的正弦和余弦函数,而是特定算符的本征态集体,它可以根据我们想要从任意状态矢量|Ψ>抽取何种信息来选择。P.64
读者感言:真如一本中国人写的科普书的前言中说的那句话了:科学,是心智跟自然的对话。读这样的书,确实必须动用心智;科学,不止是对自然的认知,它本身也是一种心智的运用。
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 楼主| 发表于 2019-5-6 16:18:13 | 显示全部楼层
量子迷宫(7)
状态矢量的概念携带着经典物理学中我们赋予矢量的许多数学性质。但是,我们可不要误入歧途。状态矢量具有经典矢量不可能具有的性质。状态矢量属于数学上有定义的空间,它们能够显示干涉效应。我们可以“测量”经典物理学中的矢量,但我们不能直接测量状态矢量:只有状态矢量的模平方是实验可观测的。P.66
双粒子状态矢量对于粒子交换是反对称的,即粒子交换时状态矢量改变符号,其模平方相等(但符号不同),这样的粒子具有半整数自旋量子数,如电子、质子、中子和某些原子核,它们统称费米子(费米是意大利物理学家)。而双粒子有相同的值和符号,其状态矢量在粒子交换时在对称的,它们具有零或整数自旋量子态,包括光子和某些原子核,统称为玻色子(玻色是印度物理学家)。在一种叫玻色凝聚的现象中,许多玻色子处于同样的量子态,玻色在1927年将他关于该凝聚的论文寄给爱因斯坦,正是爱因斯坦第一个想到,玻色子可能在足够低的温度下凝聚为最低能量子态。激光提供了玻色子凝聚的一个最佳例子。另一个例子是超流性现象:4He在大约2.2K粘滞度降低约6个数量级,这种液态玻色子凝聚态像薄膜般顺着表面向上、环绕着表面无摩擦的到处“爬行”。最后一个例子是超导:两个电子(皆为费米子)冷却到临界温度以下时一起构成一个玻色子,这对电子称为“库伯对”(库伯是美国物理学家),凝聚为同一量子态。P.68
泡利原理的核心在于所有量子粒子的不可区分性,费米子区别于玻色子的,是它们多粒子状态矢量的对称性质。它在本质上联系着它们的波粒性。P.69
测量位于量子表达的核心。经典力学的测量除了记录其性质和行为没有别的作用,但在量子理论中,测量承载着远为深刻而且几乎是不详的意义。波尔认为,我们对于测量器件的选择决定了我们能够观察到何种行为,如果我们选择了揭示量子位置而设计的装置来考察量子系统,我们就得到类似粒子的行为:粒子在“这里”或在“那里,”如果选择一种显示干涉效应而设计的装置来考察量子系统,我们就得到类似波动的行为:粒子即不在“这里”也不在“那里”,我们看到的是干涉条纹。正是在这里,我们感到我们对实在的掌握开始松动了;但,没有测量,理论只是一个空空的框架,这个理论的一切概念和哲学问题全都要在测量中被发现。P.70
量子理论的概率并不赋予个别粒子的测量结果以任何意义,而是仅适用于在一个同等制备系统的集合上重复测量结果的分布。在一定意义上,量子测量本身是产生测量结果的原因。与经典统计概率不同,量子概率并不反映我们对于某种潜在物理实在在复杂细节上的无知。量子概率乃是量子系统与实验器件相互作用产生特定测量结果的可能性大小的表达。P.72
偏振光通过两个偏振片,若两个偏振片的投射轴夹角为90度,则完全不透光,若在这两个偏振片中间再加一个偏振片并旋转之,则有部分的光透过。它意味着偏振片在其中起着非常积极的作用,而不是消极的透射一部分光而不改变其偏振性质。P.74-75
虽然量子粒子的自旋绝不应理解为粒子真的绕它自己的轴旋转,但它仍表现为一个内秉角动量。因此,一束包含大量圆偏振光子的光(例如激光束)会将一个可测量的力矩传递给目标。然而,这个角动量并不只是一种集体现象:在使一个原子或分子的电子受激的单个光子的吸收中,光子本来具有的角动量转移给了受激电子,而总角动量守恒。P.75
方解石是一种天然形成的碳酸钙盐结晶,它有天然的双折射性质:它的晶体结构使其沿两个不同的结晶平面具有不同的折射指数,一个为垂直偏振光提供了最大透射轴,另一个为水平偏振光提供了最大偏振轴。所以,可令混合偏振光通过晶体而将其垂直和水平分量在物理上分离,它们的强度可分别测量。精密加工的方解石能透过全部的入射光。P.76
读者感言:有科学属性的事物比如教育,具有同样的秉性,它不单单是一些知识——关于事实是什么的陈述,更重要的是它是一种思维方式和看待处置事物的方法。有人文品味的人,亲切;有科学品味的人,同样亲切。
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 楼主| 发表于 2019-5-9 10:38:25 | 显示全部楼层
量子迷宫(8)
依照冯.诺依曼,当一个量子系统与测量器件相互作用时,相互作用既服从量子力学定律,也为量子力学定律所描述。如果一个特定量子系统的观察量是某个算符的本征值,则我们在实验室里测量结果将类似的是某个“测量算符”的本征值,这个测量算符把测量器件描述为一个量子力学系统。当然,我们不能直接获得一个量子系统的本征值:我们只能根据与测量器件的相互作用触及系统的本征值,并用前者的本征值来解释所得的结果。P.77
一个光子射入方解石,折射出的光线出现单一的偏振态,但在测量前我们不知道它处于何种偏振态。惠勒宣称“在我判他们之前神秘都不是”,即量子测量包含着必然的非决定论性质,这是量子系统与测量器件相互作用的固有特点。爱因斯坦和他的同事们则坚持完全的决定论观点。P79-80
互作用并产生双粒子态的一个结果,是这两个光子失去了它们的独立性。它们称为纠缠的。纠缠态的惊人性质,使爱因斯坦及其同事在1935年发起了针对量子理论的诠释及其对于物理实在的含义的最令人不安的挑战。我们知道,如果对光子1做测量,复合矢量将在那一时刻塌缩,以50%的机会实现一种状态;这意味着,光子2必定类似的塌缩为另一状态,不论在对光子1测量的时刻两个光子相距多远。P.81-82
粒子的波粒双重性质所隐含着的非定域性,意味着(一个)光子通过所有的路径,引起似乎与常识相矛盾的效应。根据量子理论的正统诠释,量子粒子的状态矢量是非定域性的:它“感知”整个测量装置,并且能够以定域粒子所不可能的方式受到开启的缝隙或偏振分析器通道的影响。测量行动本身,将状态矢量“集中”于空间的一个小区域内,从而将量子粒子定域化。P.83-84
假定你是一座特殊炸弹工厂的质量主管:制造的炸弹装有一个特殊的光敏元件,只要它检测到一个光子即可引爆炸弹。不幸的是,制造过程不够精确,并且你知道,在每一批炸弹中都有一些哑弹。哑弹上的光敏元件不能吸收光子触发爆炸,而是反射光子使炸弹不能爆炸。对你的挑战是,要发明一种测试方法,使能识别哑弹而不引起过多好弹爆炸。乍看起来,这似乎是不可能的,因为识别哑弹的唯一方法看来就是用光区照射它们,看它们是否爆炸。然而,幸好,你学过许多量子理论的高级课程,十分熟悉量子非定域性和干涉现象。P.84
现在已经很清楚,我们确实能够设定这一装置,从而将分束器反射路径“采样”的可能性降到极低的水平。而实验的结果仍然完全依赖于这一可能性,无论它多么小。最终的结果是一种近乎无相互作用的测量:我们能够籍助于一枚炸弹是否产生一条通路的可能性来识别它是或是坏。即使没有光子与炸弹光敏元件的直接相互作用,我们也能够发现—确定的—那枚炸弹是好弹还是哑弹。这是“不看而知”P.86
读者感言:前述的“假想实验”,我在以前读过的多本科普读物里都读到过类似的,这类动用心智的实验实在是太巧妙了,是人的心智跟自然在捉迷藏。虽是科普读物,但即便只是从“道理”上大体搞明白而非数学上严格的逻辑推算和实际实验的推演,也耗费心神。
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 楼主| 发表于 2019-5-9 15:34:06 | 显示全部楼层
量子迷宫(9)
光子的行为是奇特的,但至少可以用实验来研究。不要被误导,以为关于哲学的争论最终是徒劳无功的,或者与实验科学家关心的重要事情无关。不是这样。P.89
波普尔把“可证伪性”提高到原理的高度,把它作为科学哲学的基石(“假设-演绎”法,即归纳法的自然替代),声称只有当一种理论被证伪时,我们才在科学上取得了真正的进步。对待归纳法的另一种方法,是不把它看成问题(读者注:指这种科学方法的不完备性,即它只能证明过去无法“证实”未来),而是把注意力转移到更为实际的问题上来,哲学家艾尔写道:“任何满足自洽这一必要条件的科学方法所必须经受的检验,就是它在实践中是否成功的检验”P.92
经验主义从传统可以从法国哲学家孔德哦打破奥地利-捷克物理学家马赫,一直追溯到休谟。马赫认为科学活动就是研究通过感官感知(多半借助于某种工具)向我们揭示的自然事实,并且尝试通过实验和观察了解它们之间的相互关系—这种尝试应当以最节约的方式进行。马赫拒绝任何经验上不可验证的关于世界的陈述,认为那是非科学的。P.93
特例:古希腊哲学家建立了一个以地球为中心的宇宙模型,约公元150年,哲学家托勒密构造了一个基于本轮圆系的精巧理论,他关于宇宙的陈述是经验上可验证的了:如果按照预定的方式应用这个理论,这些陈述与观测相比较,从而验证了它们描述了行星的运动。不难想象,我们可以发展一个托勒密系统的现代改进版。使用大量本轮圆并稍许动用计算机的力量,我们可以对行星运动作出相当精确的预测。这是否意味着,我们应当在下述意义上认为本轮圆系是“实在”的:它们代表了行星运动动力学的实在元素?P.93
托勒密的困难来自于他的假设—太阳和行星绕地球旋转(使用了众多的本轮圆),而一个经济得多的理论是把太阳置于太阳系的中心,如哥白尼提出的那样。但是,这样的系统一定比托勒密的系统能够更好的代表实在吗?马赫的观点是,想要描述超越我们直接感知的实在是没有意义的。相反,我们的判断应当由可验证性(理论与实验观察吻合吗?)与简单性(它是与实验观察相吻合的最简单的理论吗?)这两个准则为指南。在这情形下,哥白尼系统胜出,因为它是最简单的。P.94
本质上不可验证的思辨,诉诸情感和信仰的思辨,是不科学的。但是,那些属于被称为形而上学(字面的意思是“超越物理”)的哲学分支的思辨并不被彻底拒绝。它们被承认是发展生活态度的过程中一个正当的部分,但是科学中没有它们的位置。这种对可验证性的强调以及把形而上学彻底清除出科学的坚决态度,是一种哲学立场,通常称为实证主义。这个词是孔德发明的。马赫特别强调语言的正确使用,称语言为“最奇妙的交流节约”。他的观点对20世纪20年代初期出现于维也纳的一个新哲学思想流派产生了巨大影响,这个流派主张首先是:科学知识是唯一真正的知识,而一个科学陈述要有意义,就必须既符合形式逻辑,又是可验证的。他们的哲学有时称为逻辑实证主义。其基础是逻辑分析、可验证性准则,以及被认可的科学陈述与形而上学陈述之间的严格区分。P.94
有时候,逻辑实证主义者似乎与其说是哲学家倒不如是语言学家:我们绝不会接受使用无定义的项目或者自相矛盾的数学陈述,既然如此,为什么对语言就该宽松些呢?一下子,它从哲学中清除了几个世纪以来关于心灵、存在、实在和上帝的“伪陈述”,把它们归于艺术,和诗歌和音乐放在一起了。维也纳圈子的观点统治了20世纪中期的科学哲学,对物理学理论的发展的意义是明显的。理论关于物理世界的陈述是联系理论各概念的逻辑陈述,但不是关于某个潜在的独立实在的陈述,因为这样的实在是形而上学的,故而也是无意义的。这并不一定意味着根本没有实在这样东西,但的确意味着我们应当节制我们的期望。理论描述经验实在——表现为可被我们直接感知的效应、因而可验证的那种实在——的元素,但是不要期望能够超越这个经验水平。这样会陷入无意义的思辨。P.95
薛定谔和海森伯在对待量子理论的诠释上采取了十分不同的立场:薛定谔是一位实在论者,相信他的波动力学提供了潜在的独立实在的部分描述;而海森伯则采取了相当不妥协的实证主义立场,坚持他的矩阵力学除了作为一种算法以外别无其他目的,利用这种算法可将实验结果联系起来并作出新的预测。当薛定谔证明这两种算法数学上等价时,物理学家们面临一种抉择。这不仅仅是两种等价的数学方法之间的选择:这是不同哲学观点之间的选择。P.95
读者感言:科学和信仰不同,但信仰是什么?信仰不该有科学性吗?如,信仰上帝或信仰共产主义,难道是毫无根据的、毫无来由的吗?据称,马克思称他的学说是科学社会主义,而我学的关于它的教科书上说这些学说经过了实践检验的。恐怕,都一直在经受检验。
前两年,读过一本西方人写的关于上帝和科学的书,证明上帝的存在是有科学依据且经历了验证的——恐怕是对尼采宣布“上帝死了”带来的社会思想混乱的一种纠正吧。
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 楼主| 发表于 2019-5-10 17:16:51 | 显示全部楼层
量子迷宫(10)
波尔、海森伯和泡利缔造了所谓量子理论的哥本哈根诠释。其基础是不确定性原理、波粒二象性、波恩的波函数概率诠释,以及本征值与观察量测量值的等同性。它要求我们十分仔细的考虑我们在获取物理世界的知识时所用的方法,它把科学活动的焦点,从我们研究的对象转移到研究对象与用于揭示其行为的工具的关系上来:对象与工具一起占据了中心位置,而它们之间的区分变得十分模糊了。P.96
我们应当认识到我们在这里说的是什么。要言之,哥本哈根诠释说的是,在量子物理学里我们已经达到了我们所能知的极限。P.99
波尔说:“不存在量子世界。只有抽象的量子物理学描述。以为物理学的任务是发现自然是如何的,那是错误的。物理学关心的是我们能够对自然说些什么。”不论是实证主义还是实用主义,波尔哲学最重要的特点是其根本的反实在论。在说到独立于我们测量器件的潜在的物理实在时,它否认量子理论有任何意义。它否认,量子理论的进一步发展会使我们更接近于某种尚未揭示的实在的可能性。P.100
逻辑实证主义牢牢主宰科学哲学长达30年之久,但也式微了。逻辑实证主义宗旨的支柱一一倒塌,而其整体,连同其对形而上学的严厉拒斥,差不多已无人信奉。逻辑实证主义的组成部分包括可验证性准则,波普尔攻击归纳法原理和可验证性准则,认为理论绝不可能在经验上证实而只能证伪。事实上,两个准则都有问题,这关系到面临可能的证伪数据时理论的应变。例子:海王星的发现——自赫谢尔1781年发现天王星,后观测其预测轨道与观测不符。发生了什么?要以此证伪牛顿力学的整个结构吗?受到挑战的是太阳系只由七个行星构成这一(未言明的)假设。P.101
注意,这并不一定意味着理论绝不可能被实验或观察所证伪,但的确表明可证伪性不是判定科学方法的一个鲁棒准则。例子:受到成功的鼓励,1859年勒维耶试图解决水星近日点异常问题时,挑战同一辅助假设:他假设在太阳雨水星之间有一个尚未发现的行星,他称之为祝融星。然而根本没有发现这样的行星。诚如杜恒指出的,在不一致的情形下,一组假设中至少有一个需要修改,但是实验并不指明究竟是哪一个。事实上,构成牛顿力学核心的假设在这一情形下不成立:爱因斯坦的广义相对论(牛顿理论是它的一种极端情形)正确预测了水星近日点的进动。P.102
维也纳圈子的实证主义剩下的根基,是用符号逻辑技术来明晰哲学问题。罗素曾雄心勃勃想把全部数学化为逻辑。不幸的是,1931年捷克数学家哥德尔指出,罗素的尝试从定义上是不可能完成的,他那著名的“不完备”定理揭示了一个不那么显眼的事实,即不可能在包括许多重要的数学系统(例如初等算术)的一大类演绎系统中建立内部逻辑相容性。哥德尔的证明发表后,大部分哲学家放弃了逻辑主义。有趣的是,哥德尔本人却是维也纳圈子的成员。但,实证主义纲领远未死亡。它在建构经验主义的一位倡导者范.弗拉森的手里十分活跃。其宗旨仍然是对形而上学的否定态度,并且否认科学理论向着某种独立实在的真正正确的表达发展。范.弗拉森宣称,科学的目的是给予我们经验上充分的理论,而要接受一种理论,只要我们相信它在经验上是充分的就够了。P.103
实在论者相信科学理论让我们不断接近于“真理”。问题在于,一旦我们试图定义和理解真理的性质,真理本身就变得与实在一样难于捉摸。首先,对什么是“事实”就产生出一些问题,若我们理论具有“似真性”元素,或波普尔所说的逼真,随着理论越来越精细期望它收敛于“真理”。但不论是对应还是收敛,这些真理的理论并没有帮助我们区分实在论与反实在论的观点。两者皆自称要解释真实的物理世界,但对于是什么构成了相关事实的接受标准,却大相径庭。还有一种观点,就是科学家共同体内有足够数量的成员相信新范式优于旧范式。这个过程不亚于一场社会文化革命,与政治革命类似。这个社会建构论是极端反实在论的。P.104
在库恩看来,范式的变更并没有反映渐进发展,只不过是预言和描述的变化。现在,对于不同的科学家,同样的术语有不同的含义。范式变成了不可公度的。不可公度是库恩和弗耶阿本德在20世纪60年代初用于科学哲学的一个概念。社会建构论从相对主义,即科学理论与产生它们的社会或文化有关的那种观点,发起的一场骑士运动。就其极端来说,相对主义挑战我们关于理性、唯理论以及西方文化进步观的既有观念。P.105
读者感言:从科学家视角看待哲学和一些社会问题,别有一番滋味。

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 楼主| 发表于 2019-5-13 11:56:43 | 显示全部楼层
量子迷宫(11)
面对实证主义(或其现代体现,建构经验主义)、实用主义、社会建构主义以及其他本书未能加以讨论的反实在论的猛攻,实在论能有什么合理的辩护吗?年轻的爱因斯坦对他的科学(特别是狭义相对论)的态度,性质上是显著的实证主义。但是,当他创建他的广义相对论时,他已经变得更为小心谨慎,而且他的哲学观也大大的靠近了实在论立场。P.105
简单的说“爱因斯坦是实在论者”是不够的。狭义相对论的创立者恐怕不能说是朴素的实在论者——他不相信我们的物理世界理论模型的不断改进会使我们更接近于某种绝对真理,并且承认我们的物理实在的观念永远不可能是终极的。为何爱因斯坦能够为实在论找到唯一的理由要诉诸信仰,他还要选择实在论呢?爱因斯坦的回答是 简单的。建立在因果律之上且独立于观察者的实在的存在,是几百年来科学家的 一个心照不宣的信念,在量子理论出现以前从未发生问题。他是一切最重大科学发现背后的无声驱动力。如哈金指出的,科学有两个目的:理论和实验,理论是表达,实验是介入。P.106
最佳(常常是最简单因而也是最节约)的理论能够解释所有已知事实,并且可用来作出其准确性易于检测的预测。P.107
理论不会仅仅因为被证明其适用范围之局限而被摒弃。科学有能力吧物理世界的新的更好的描述吸纳入已被接受的科学知识体系之中,随着一代代的修正更新,科学成长着。反实在论者指出实在论观点包含着逻辑上的矛盾,因为我们显然不能观察一个独立于观察者的实在,因此绝无证实这种实在存在的希望。P.108
科学家一般采用反实在论的方法但实在论的观念。量子系统表现出我们与波和粒子相联系的性质,其行为好像决定于我们用来探测器性质的工具的类型;而且,量子理论的数学表达特别将这种工具依赖性表达出来。一类工具会告诉我们量子实体是一种波;另一类告诉我们它是粒子。无论就其数学表达或正统诠释来说,量子理论都是科学中确具反实在论性质的最重要的基本理论。哥本哈根物理学派相信,他们的量子理论诠释是唯一合理的诠释。但其他物理学家不同意。P.109
爱因斯坦与玻尔在量子理论诠释上的论战,过去曾被描绘为一场实在论与实证主义的直接冲突。然而,最近试图揭示爱因斯坦与玻尔两位哲学立场的一些尝试显示,事情并非这样黑白分明。爱因斯坦的实在论是出于一种必要感:一种只有实在论立场方能通向关于物理世界的丰硕理论的信念;现代原子之父(玻尔)主张,原子内部机理的实在,超越了我们以波和粒子互补性经典概念为基础的知识范围。P.110
1927年10月24日第五次索尔维会议主题是“电子与光子”,爱因斯坦、玻尔以及其他许多重要的物理学家汇聚于布鲁塞尔。论战的焦点是:量子理论的诠释及其对于我们试图认识物理世界的方法的含义。论战的结果将决定量子物理学未来的发展方向。爱因斯坦在与玻尔的论战中引用简单电子或光子先通过一个孔径、再通过第二个屏幕上的双孔径,这样的假想试验来诠释观察到的现象。
读者感言:英国人吉姆.巴戈特写的《量子迷宫》这本书,详细的记述了那场论战的假象试验——与当时世界上最卓越的大脑对话(读它,就是跟它对话了),不仅有趣而且即便现在、对我的智力也是一项挑战:理解其含义,不是轻易的事。
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 楼主| 发表于 2019-5-14 15:46:03 | 显示全部楼层
量子迷宫(12)
1930年10月20-25日在布鲁塞尔召开的第六次索尔维会议上,关于量子理论的论战再次爆发。虽然会议的主题是磁物理学,但会议的两次正式活动之间进行的关于量子理论诠释的讨论引起了与会者浓厚的兴趣。。爱因斯坦说,假定我们建造一个装置(后人称之为“光子盒实验”),时钟机构触及快门打开极短的时间间隔,放出一个光子,再次称重。据此我们根据质量差以及狭义相对论(E=mc2)确定逸出光子的精确能量。这意味着,我们精确测得从小孔逸出的光子能量和逸出的时间,从而与能量-时间不确定性相矛盾。P.115-116
波尔再次绘出了依照爱因斯坦描述的那种方式进行测量所需装置的草图,并为观测安装了刻度以测其位置。为看清刻度需要照明,而向盒子的不可控的动量转移将使它不可预测的跳动---波尔的这一回应被欢呼为波尔以及量子理论哥本哈根诠释的胜利。爱因斯坦的广义相对论被用来反对他自己。P.117
1931年爱因斯坦推想,光子盒实验里我们设置时钟来触发一个光子的释放,并令它与外面的第二个时钟同步。令释放出的光子行进到距离盒子很远(比方说半光年)的一面镜子。在光子来回一光年的旅行期间,我们尽可选择我们想做的测量:打开盒子比较两只时钟。由于称盒子重量影响内部时钟的速率,它们不在同步,可是我们可以以外部时钟为参考来校正它,由此推算出精确的光子释放时间;同样,第二次称重将告诉我们释放光子的精确能量。如此,时间和能量就都能同时精确测定——反驳了不确定性原理。P.118
1935年光子盒实验已进一步发展,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)联合发表论文。修正的光子盒实验容许实验者选择精确测量两个互补观察量中的一个,而EPR想象实验在此道路上又前进了一步:对两个在其历史上的某个时刻曾相互作用而后分离的量子粒子重的一个进行测量。我们记这两个粒子为A和B。我们考虑粒子A和B的位置之差和动量之和,则容易证明,这些量的算符是可对易的。因此,如果我们测量这两个粒子的位置之差和动量之和,能够达到精确度原理上不受限制。P.119
EPR自行提出了一个初看起来相当合理的物理实在的定义。现在假定,我们让两个粒子相互作用,然后分开很远的距离。我们对粒子A做实验,以确定性测量其位置,故原理上我们也能够以确定性推断B的位置。然而,假如我们改而选择以确定性测量粒子A的动量,原理上我们能够确定性的推断粒子B的动量。如果量子理论的这一诠释是正确的,我们就不得不承认,粒子B的位置或动量的物理实在性,取决于我们对一个完全不同且在任意距离之外的粒子所做测量的性质。EPR指出,“没有哪一个实在的合理定义会容许这样的事”P.120
EPR想象实验击中了哥本哈根诠释的核心。如果不确定性原理适用于个别的量子粒子,那么,倘若粒子B的位置和动量的实在性取决于我们对A进行何种测量,我们就必须求助于某种超距作用。P.121
波尔对EPR的回答发表在1935年10月的同一期刊上。再次强调测量器件在定义我们可以观察的实在的元素中的重要地位。这样,设置器件以确定性测量粒子A的位置,由此我们能够推断粒子B的位置,但排除了测量A的动量并以此推断B的动量的可能性。P.122
然而波尔并没有回应EPR提出的真正挑战。EPR在他们的想象实验中提出的,是一种允许在相距遥远的量子粒子间建立关联的双粒子态。做一次测量,引起波函数概念上的塌缩,隐含着似乎违反狭义相对论的“诡异的”超距作用。这样的测量必定意味着超距作用吗?确实,如果我们能够用某种方法把选择测量器件(位置或动量)延迟到几乎最后一刻,那么原理上,对于遥远距离之外的一个粒子我们能够得到的信息瞬刻就改变了。这让我们感到奇怪:粒子B怎么会“知道”对A进行测量的结果将揭示何种物理性质——位置还是动量。如果对A进行测量改变B的物理状态,或者引入某种通信把A的环境变化传递到B,那就需要超距作用。P.123
读者感言:量子的纠缠及超距作用,真的是由爱因斯坦为反击波尔的哥本哈根诠释做出的想象实验被发现的吗?那场论战真是有趣且其影响力至今依旧发挥作用。时下,我们国家以及世界其他国家如火如荼的“量子通讯”研究及实用,其理论依据以及适用研究都肇始于那场论战的结果。
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 楼主| 发表于 2019-5-15 17:03:54 | 显示全部楼层
量子迷宫(14)
那些在20世纪30年代对哥本哈根诠释感到不安的物理学家面临两种选择:他们要么完全抛弃量子理论并重新开始,要么试着来扩展这个理论,以便重新纳入严格的因果性、定域性或两者兼纳。其中,认为该理论不完整(EPR观点),使之“完整”的一种方法是引入一组新变量——不能在实验室的实验里揭示,必定是“隐藏的”。这种隐变量理论在科学史并非没有先例。这些变量常因后来采用新的实验技术而变为“非隐藏的”。P.129
爱因斯坦本人反对隐变量。因他在1927年曾采用这种方法,5月初他对他的结果还十分得意,但月末就失去了对此的热情。他证明了在他的隐变量方法中,个别系统在用复合波函数描述时仍有奇异的纠缠。换言之,虽然粒子可以保持定域性,它们还是受到制导波函数中非定域关联的影响,结果它们不能视为爱因斯坦可分的。P.130
冯.诺伊曼证明了无色散系综事实上是不可能的,因此没有哪一种隐变量理论能够重现量子理论的结果。该证明相当复杂。P.133
博姆的EPR实验。在冯.诺依曼的证明发表后人们意识到用隐变量解决量子理论问题不是科学活动的宽广园地。20年后,年轻的美国物理学家博姆开始认真注意这个问题。博姆因本人是共产党员在1950年反共浪潮中被捕并被控以藐视国会罪,在奥本海默的帮助下1974年迁至普林斯顿、1957年迁至英国布里斯托尔大学,他最后取得伦敦伯克贝克学院理论物理学教授的职位。1951年博姆对量子理论诠释的论战作出了他的第一次重大贡献。博姆的隐变量与我们迄今(且在本章中还要)考虑的不同,它是非定域的。P.135
博姆考虑一个由两个原子组成的分子,其中原子处于总电子自旋角动量为零的量子态。简单的例子是一个氢分子。假定我们能够在一个不改变其总角动量的过程中离解此分子,产生两个等价的原子碎片。一些物理学家看到,进一步具体化的博姆版EPR实验可以在实验室里实现,而不仅仅是在头脑里。P.136
博姆在结束他的EPR实验讨论时做了如下的评述:“所以,我们必须放弃每一个原子上附有一个精确定义的自旋变量这种经典图景,而代之以我们的潜在性的量子概念,其发展概率由波函数给出------这样,对于一个给定的原子,并没有一个给定变量的自旋分量以精确定义之值存在,直到与一个适当的系统,例如测量装置,发生相互作用为止。”博姆所说的“潜在性”——量子系统产生特定结果的固有的可能性——意味着,他可能已经在考虑非定域隐变量了,尽管表面上仍执著于哥本哈根诠释。他还指出,量子理论的数学表达没有包含与量子粒子的实际行为一一对应的元素。“相反,”他指出,“我们得到一个观点,波函数是一种抽象,它提供了实在的某些方面的数学反映,但不是一对一的映射”他进一步断言:“------没有哪一种力学上确定的隐变量理论能够导出量子理论的全部结果。”P.138
定域隐变量理论与量子理论在预测下述实验时是一致的:一束光子通过两个偏振分析器,计算结果显示,在这一特定的分析器设置下,两个理论完全一致。让两个偏振分析器旋转一个角度,则在0、45°、90°三个角度上与量子理论一致。但是,两种理论在所有其余角度上给出了十分不同的预测结果。P.139-140
贝尔在一篇1964年寄给Reviews of Modern Physics期刊(直到1966年才发表)的论文中,贝尔考察并拒斥冯.诺伊曼的“不可能证明”以及类似被用来否定隐变量可能性的论点。然而,在随后的一篇论文中,贝尔证明,在一定条件下,量子理论与隐变量理论对同一组关联粒子对的实验结果会给出不同的预测。这种差别为量子理论所有定域隐变量修正所固有,与其具体性质无关。这个结果总结在贝尔定理中。关于定域隐变量的问题一下子改变了性质:从关于哲学倾向的比较学术性的问题,变成了对于量子理论极具重要意义的实际问题。在量子理论与定域隐变量之间的选择,不再是偏好的问题,而是正确性的问题。贝尔的这些论文对 后来基本物理学的研究产生了深远影响。P.141-142
读者感言:我从微信《学习强国》里读到关于科普的文章,说当代的科普已经从以往的了解、理解科学发展到参与进来的时代了。科学文化是一种或许是“小众的社会文化”,它所追求信奉的东西止于科学家小圈子,但在全民科普的当代(至少是客观上需要如此),正如那些发达国家科普所走过的路所揭示的:应该并正在让越来越多的人参与到科学的进程中来。《量子迷宫》也是科普读物,但读懂它需要一定的基础;但图书中有不少图片,图片最直观了——不管它要反映的东西如何深邃。如果再有动画,以形象的方式展示那些科学的最前沿,最好了。《复仇者联盟(四)》,我去影院里看了,尽管它的场面宏大,但却是揭示和解释微观世界(同时也是宏观宇宙)的科普——当然是以娱乐的大众喜好的方式。这样的“糖衣炮弹”,越多越好;在我的课堂上,有的班里看了它。
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 楼主| 发表于 2019-5-16 17:06:42 | 显示全部楼层
量子迷宫(15)
我们将通过伯特曼博士这位中介人来推导贝尔定理。伯特曼博士是贝尔讨论实在性时使用的一个真实角色。这个讨论发表于1981年的Journal de Physique上。贝尔说:“这位街头哲学家不曾遭受过量子力学课程的折磨,对于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联几乎没留下什么印象。他能够举出日常生活中许多类似关联的例子。他时常援引伯特曼博士的袜子这样一个例子。伯特曼博士喜欢穿两只颜色不同的袜子。在给定的一天和给定的一只脚上,他穿什么颜色的袜子是完全不可预测的。但是,当你看到他第一只袜子是粉红色的,你便可确定第二只一定不是粉红色的。观察到第一只并根据伯特曼的习惯,立刻给出第二只的信息。人各有所好,除此之外别无玄妙。EPR这桩事是否也一样?”伯特曼决定让他左脚是袜子(A)经受下列三种实验:1、实验a,在0℃下洗1小时;2、实验b,在22.5℃下洗1小时;3、实验c,在45℃下洗1小时。P.142
伯特曼想起来他的袜子都是成双的。他假定除了颜色不同以外,一双中两只袜子的物理性质相同。他进一步假定,不管他选择对B做什么实验,都不会以任何方式影响他对A可能进行的任何实验结果。P.143
概率P+-(a+,b)与P+-(b,c)之和必大于或等于概率P+-(a,c).这就是贝尔不等式。用光子代替袜子、关联光子代替袜子对、偏振分析器代替洗衣机、偏振方向代替温度,按上面的推理过程重新走一遍,你还会得到贝尔不等式。---量子理论与任何定域隐变量不相容,因此也与任何定域实在不相容。P.145
这一演算只不过再次证实了量子理论与定域实在的不相容,光子间的关联可以大于两个爱因斯坦可分粒子所可能具有的值,因为它们物理性质的实在性被认为在测量之前并未建立。两个粒子在进行远距离“通信”,因为它们的行为决定于一个共同的双粒子状态矢量。量子理论要求一种违反狭义相对论的“诡异的超距作用”。现在的问题是:这对吗?P.147
在少数理论家和实验家的工作中可以感受到贝尔1966年论文的真正回响,它们阅读了那些论文并对其中提出的问题十分着迷。它们希望设计出一个检验量子非定域性的实际实验,即使贝尔不等式在实验室里实现检验。P.151
处于最低能态(所谓“基态”)的钙原子,其最外层4s轨道上充满着两个自旋配对电子。故这些电子自旋角动量的矢量和为零,且这个状态的特点是总自旋量子数s等于零。因为由(2s+1)给出的自旋多重因子为1,故该状态称为单态。如果我们可以用某种方式激发外层的两个电子,令其进入4p轨道,但仍保持电子的自旋方向。如果在实验室里产生这种双激发态,它将经由快速的级联发射回到基态,有两个光子被发射出来,光子的净角动量必定为零。这两个光子A的波长551.3nm,光子B的波长422.7nm。P.152-153
读者感言:终于看到“纠缠量子(光子)”是怎么制备的了,以及当初为什么要制备它们。
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 楼主| 发表于 2019-5-17 16:39:44 | 显示全部楼层
                                                           量子迷宫(16)
    阿斯派克特研究了量子理论的基本问题和EPR论述,也深受贝尔论文的影响。他断言1972年实验检验贝尔不等式不够理想。他及其同事用新的实验装置(分析器和检测器相距13米)做了四组测量,测量值与修正的量子理论预测吻合得很好。P.153-155
    级联发射的一种替代是参量下转换。在库尔齐费尔、奥伯帕莱特和温菲尔特1998年报告的实验结果中,得到对应于推广形式贝尔不等式关联为2.6979±0.0034,即以204倍于标准差的数值违反贝尔不等式。P.156-157
    1989年弗兰森研究出一个能量-时间纠缠光子的假想实验。他证明,若在光子A和B的路径上,在各自检测器前面引入干涉仪,则当干涉仪的路径长度(并因此,两个光子的相对相位)变化时,便有可能在检测的复合率中观察干涉效应。这相当于在偏振纠缠光子实验中引入偏振分析器,并且弗兰森能够证明,量子理论预测,当相位差变化时在完全关联和完全负关联之间是一个正弦振荡。弗兰森估计这个实验“困难但可行”。10年后,日内瓦大学应用物理组的蒂特尔、布伦德尔、吉森和兹宾登报告了一个实验结果:对设于瑞士日内瓦郊外相距约10.9公里的两个村庄的观测站检测到能量-时间纠缠光子,验证了量子理论预测违反推广形式的贝尔不等式。P.157-158
无需不等式的非定域性检验。1988年,格林伯格、霍恩和蔡林格(GHZ)概述了三个纠缠粒子的结果。这个结果从此称为GHZ态。1990年,他们将原来的GHZ思想变为一个简单的实验概念,它与贝尔不等式完全没有关系。P159
    于是我们有了 一个简单的检验。在实验中,只要测得量子理论所预测的组合态中的任何一个,就排斥了任何种类的定域隐变量理论——无需不等式。1999年米斯特、潘建伟、丹尼尔、温菲尔特和蔡林格首先报告了产生三光子GHZ态的实验。这是用两对偏振纠缠光子形成的后选择三光子组。P161
    测得的三光子复合直方图再次显示出对量子理论预测明显有利的证据。少量定域隐变量理论预测的复合被归为不可避免的实验误差所造成的的虚假事件。若是产生一个不同的初始三光子状态矢量,在预测的组合态中产生不同的关联模式,但量子理论与定域隐变量理论预测的根本不相容性依然。P.162
    堵上定域性漏洞。以上所述的实验,在量子理论与任何类型定域变量理论的对比中,提供了对前者极为有利的证据。然而,尽管这证据看来是压倒性的,仍有两个重要的“漏洞”。在阿斯派克特原来的实验中,偏振分析器在实验开始前就已经就位(即在钙原子被激励之前,而且最重要的是,在关联光子发射之前)。光子会不会事先受到装置设置方式的某种影响呢?为堵上这个漏洞,阿斯派克特、达利巴德和罗杰修改了他们原来的实验设置,将两个声光开关器件加入其中,这装置使光子无法“事先得知”它们将走哪一条路径最终通过哪一个分析器。P.163
    堵上效率漏洞。在这些实验中,实际检测到的光子对数目远远小于实际产生的数目。2001年2月,美国物理学家发表了它们就大量带正电离子产生的纠缠态进行实验的结果。这是陷在离子阱里的铍离子---这些实验产生的所有纠缠对均被检测并对测量结果做出贡献。这让我想起爱因斯坦的另一句名言:“上帝是微妙的,但他并非恶意”。不管怎么说,克服有关量子非定域性的“终极”检验的实验困难,即同时堵上定域性和效率漏洞,看来不过是一个时间问题。P.164-166
    读者感言:实践是检验真理的唯一标准,确实如此,科学上的任何知识,都是经过实践验证了的。虽然实在论者宣称的独立实在未必一定是定域实在,但是很明显,前文描述的实验为实在论者留下了许多问题,有待他们来解释。
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 楼主| 发表于 2019-5-20 14:33:00 | 显示全部楼层
                                                                 量子迷宫(17)
    量子实体的波动性使其具有本质的非定域性,仅当我们进行测量迫使波函数“塌缩”时,才因看似矛盾和违反直觉的行为而感到吃惊。光通过双缝使光子一次一个的通过双缝,将形成一个干涉图形,看起来,光子实际上同时通过了两条缝,并且自相干涉,如果在其中一条缝上安了检测器,以便确定光子通过哪一条缝。这果然验证了他们的想法:在一条缝上,检测到或未检测到光子。但那时再也观察不到干涉图形了。P.168
    互补性(以及因此,量子非定域性和纠缠)是量子实体的对偶波粒性质中彼此排斥的机理,这也就是费恩曼所说的量子理论核心处的“中心谜团”。P.182
已有人论证,我们无法利用远距相关光子间似乎快于光速的信号传递来发送有意义的信息,这一事实使量子理论与侠义相对论得以和谐共存。无论远距关联光子通信的性质如何,它肯定不是常规的。P.184
    量子比特与经典比特的最大差别在于,我们可以构成正交态|0>和|1>的相干叠加,它具有一些对量子信息处理十分有趣的结果。P.184
    纠缠的量子比特态比起经典比特来能够携带多得多的信息,从而使量子计算机具有远远优于近日标准的经典计算机的前景。量子计算可以执行同时具有数百万个输入的算法---迄今为止,只在实验室里构造了运算于几个量子比特的、包含两三个简单逻辑门的系统---看来可能性更大的是,量子力学在单个实体水平上第一个实际将是量子密码。P.185
    现代的“经典”密码系统基于不对称钥匙,这种系统基于一种叫模函数的数学结构:(私人)解密钥匙由一些随机选取的素数构成,(公共)密钥由这些素数相乘形成,由此保证了安全性。爱丽丝用鲍勃已经公开的钥匙(称为公共密钥)加密发送一个信息,鲍勃用第二个私人解密钥匙将爱丽丝的信息解码。如果这些素数足够大,第三者不仅通过分解公共密钥获取钥匙,因为这需要巨大的计算机能力和大量的时间。这种系统统称RSA,是数学家里夫斯特(R.L.Rivest)沙米尔(A.Shamir)和阿德尔曼(L.M.Adelmen)想出的利用模函数来产生非对称密码的方法。P.186
    实际应用纠缠的第三个活跃的研究领域,是量子传态。光子是不可区分的量子粒子,以它们的量子态为特征(上/下,左/右,垂直/水平)。如果我们能够让一个在位置B的光子精确复制在位置A的光子的状态,那么我们事实上就将光子A发送到了B。P.187
    正如十分活跃的量子信息研究所展示的,非定域性和纠缠如今已确立为不可否认的实验事实。由此看来,量子理论不过是一种用来将不同的实验设置联系起来的有用的方法(读者注:指当代进行的一些列以偏振光实验观察为基础的实验),使我们能够从一个结果预测另一个结果。我们不能超越这点,因为依照波尔的反实在论哲学,我们已经达到了可知的极限。我们对自然界提出的问题永远必须用某种宏观的实验设置来表达。P.188
    波尔本人有一回说:“------如果有人不被量子理论所震惊,那他是尚未理解它。”P.189
    读者感言:当代最重要的物理实验,本书都做了呈介,以此来确证那些量子理论的诸多即便现在看来依旧诡异的现象。但,人类认知到这个层面,真的如波尔所言到了人类“可知的极限”?本书写成时,尚未发现“上帝粒子”——希格斯粒子;现在希格斯粒子已被发现一年有余了吧?
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 楼主| 发表于 2019-5-22 15:23:41 | 显示全部楼层
                                               量子迷宫(18)
    没有现成的机理解释那个电子如何能在瞬刻之间“收敛”于检测点,一种实际上展布于浩瀚空间的物质如何塌缩到一点。因为看起来我们唯一能够检测的是粒子,爱因斯坦的意见,即粒子是实在的实体且遵循精确的规定的轨道,颇具说服力。1926年,德布罗意提出了一种与波恩的波函数概率解释不同的说法。P.194
    德布罗意假定,像电子和光子这样的量子实体是独立实在的粒子,表现在实在的场中运动的气垫(点粒子)。此外还存在第二个场,它与薛定谔动力学中的波函数具有同样的统计意义,因此概率解释也同样适用。但这种说法不同于试图只用波来解释一切的薛定谔波动力学:量子力学方程具有双解:一个连续波场,它具有统计意义;;另一个场包含着对应于定域粒子的点状解,代表量子场。德布罗意的双解诠释后来被简化为点粒子在连续场中运动那样的一种结构,这就是德布罗意制导波诠释:经典粒子在波场中运动,其路径有较大可能取波场振幅较大处。制导波理论是一种隐变量理论。P.195
    博姆径直假设,场的波函数可以写作包含实数振幅和相位函数的形式。每一个场中的每一个粒子具有精确定义的位置和动量,沿着相应相位函数决定的轨道运动。这样得到的运动方程不仅依赖于经典势能(通常记为V),还依赖于第二种所谓的量子势(记为U)。量子势本质上是非经典的,而且就是因为它,在本来是经典的描述中引入了量子效应。去掉量子势或令其等于零,德布罗意-博姆量子理论方程就变成了牛顿力学的经典方程(取所谓哈密顿-雅克比方程形式)。博姆发现,U只决定于波函数的数学形式,与振幅无关。这意味着,一个在没有经典势的空间区域里运动的粒子,仍然可以受到量子势的影响。P.197
    在德布罗意-博姆理论中,粒子的运动是确定的,而我们计算概率是因为不知道系统中所有粒子的初始条件。测量没有“魔术般”的效果:测量只不过告诉我们粒子的实际位置,或者它们实际上通过一个装置的轨道,这些都是一直确定着的。概率仍然联系着波函数的振幅,但这并不意味着波函数只有统计意义。相反,波函数被假设具有很强的物理意义——它也决定了量子势的形状。20世纪90年代,出现了两本详尽阐述德布罗意-博姆理论的书:博姆和希利的《完整的宇宙》和霍兰的《运动的量子理论》。P.198
    在德布罗意-博姆理论中,如果电子束的强度足够低,电子每次一个通过一条或另一条缝隙。每个电子伴随着它自己的波,描述此波的波函数即为对应于此种特定实验设置的薛定谔波动方程的解P.199
    德布罗意-博姆理论解释“双缝干涉实验”:一个通过两条缝隙中的一条的电子期限被紧邻缝口量子势的形状所“衍射”,但其随后的运动受到两缝之间大峰的影响。量子势是一种媒介,关联量子系统相距遥远部分之间的感应是藉此传递的。测量关联粒子对中的一个粒子的某种性质以一种非定域方式改变了量子势,故另一个粒子取得所需性质而无需波函数塌缩。对于电子自旋关联的EPR实验,德布罗意-博姆理论的分析表明,粒子纠缠反映在量子势的结构中。测量一个粒子的自旋引起量子势将一个“力矩”施于另个自旋,使两个粒子的自旋关联。为了保持德布罗意-博姆理论与侠义相对论基本假设之间相容,必须再次指出,“制导信息”这种看来瞬息之间的传递不能用来发送任何实际有用的信息。虽然这种感应可能传送得比光速快,它们表示粒子间完全因果关系,但是我们不能用它来传递信息。P.200
    德布罗意-博姆理论解决了常规量子理论所固有的许多更令人困惑的难题。波和粒子假设意味着不存在量子突跳,不存在波函数塌缩。概率解释回归经典。然而,这些量子问题的解决付出了增加复杂性的代价,但是没有得到任何新东西。德布罗意-博姆理论接受了量子世界的基本非定域性,同时也认为常规理论对量子世界的描述是不完整的。P.201
    今天,德布罗意-博姆理论在有关的物理学家和哲学家中有少数热心支持者,但显然仍在量子物理学的主流之外,也极少见于量子理论的教科书。P202
    墨水在盛甘油的桶内扩散后又收拢,博姆推想是秩序(定域的墨水)在甘油里扩散时变为折叠的了,然而系统的信息内容并未因这种折叠而丧失:秩序只是变为隐含的或隐序罢了。墨水滴在一个展开过程中重建,在此过程中,隐序重又变为我们容易感知的显序。在博姆的量子世界里,折叠和展开活动是最基本的。隐序代表着某种终极隐变量——通过波函数的展开向我们展示的更深层的实在。他通过修正量子场论的方程式,摆脱了求助于客观、独立的实在粒子存在的需要。粒子式的行为乃是波收敛于空间特定点的结果。波不断的扩散和收敛,产生“平均的”粒子式性质,对应于波函数不断的叠加和展开。这种“呼吸”运动受一种超量子势的控制,后者联系着整个宇宙的波函数。博姆所做的不外乎是采用一种特别的哲学立场来导出他自己的宇宙学。我们看到,对于哥本哈根诠释的分析表明,它实际上也不过是一种哲学观点。两者的差别在于:哥本哈根学派的哲学使用了量子理论的(完全随意的)假设使之“科学化”。P.203
    波普尔是一位实在论者,有一种寻找客观真理的强烈愿望。在这一点上,他与卡纳普一样,虽然他们的方法大不相同。P.204
    波普尔指出,每一概率是由作为一个整体的系统产生一个特定结果的倾向性决定的,实在仅由粒子组成。量子理论的波函数是一个纯粹的统计函数,表示粒子在特定实验设置下产生特定结果的倾向性,海森伯不确定性关系只不过是表示客观实在粒子散射的关系。波普尔的解释确实颇富直观魅力。波函数塌缩并不表示量子系统中的物理变化,而是我们对知识状态的变化。他用针板小球实验(让小球从上方落下)来说明,其论据有力且似乎十分简单。然而当我们试着用倾向性诠释来解释量子实体的波动行为时,就会遇到某些困难。P.205
    波普尔断言,干涉是一个证据,表明倾向性在物理上的实在的。他在1988年世界哲学大会上说:“倾向性,如同牛顿的引力,是看不见的,但是与引力一样,它们能够产生作用;它们是存在的,它们是实在的。我们必须赋予可能性以某种实在性,特别是加了权的可能性---世界不再是一架一你过机器——如今它可被视为一个倾向性的世界,一个实现可能性和展开新的可能性的展开过程。”波普尔曾指出:德布罗意的制导波最好被解释为倾向波。他起初不愿意接受隐含在他的倾向性诠释里的非定域性,然而当实验结果变得越来越难于用任何定域实在论的理论来解释时,波普尔改变了他的观点。若是承认通过倾向场传递的非定域、超光速感应的存在,则波普尔对
于需要一种整体方法的强调意味着,在波普尔的倾向场和博姆的隐序之间几乎没有差别。P.206
    读者感言:对现象如何诠释,以至于对切实的物理实验如何诠释,确实非常重要。诠释不止是如何认识,也是人如何行动——即便在科学上,亦然。
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 楼主| 发表于 2019-5-23 14:29:38 | 显示全部楼层
                                                   量子迷宫(19)
    如果通过德布罗意-博姆理论在量子物理学中恢复因果性的方法未能说服我们,波普尔的概率意义解释也没有说服我们,而量子理论的哥本哈根诠释(非决定论和非因果性;测量问题)又让科学家感到不安,我们就须为量子概率和波函数塌缩问题寻求其他的答案。确实,大部分科学家关心的主要是量子理论的确定性部分,他们的兴趣是应用它来考虑基本粒子、原子或分子在没有观察者介入时的行为。举例说,分子的量子理论能够提供分子电子轨道的惊人图像,我们可藉此理解化学结构、键和光谱。但是我们的信息是从测量导出的,是从确定性运动方程不适用的过程导出的。探寻量子测量问题的答案,其结果是产生了一些非常奇特的想法。P.207
    热力学第二定律说的是自发或不可逆变化。对于可逆变化,熵不增,但可从系统的一部分挪到另一部分。随着玻尔兹曼统计热力学的出现,把熵理解为一种新的概率密度遂成为可能。量子统计力学基本上是关于量子粒子系综的统计理论。P.210
测量发生后,系综中的每一个粒子都投影为一个且仅一个可能的测量本征态。测量行为将纯态转换为混合态。冯.诺依曼证明,这种转换在量子统计力学中联系着熵的增加。这样看来,不可逆或时间不对称性似乎是量子测量的固有特点。P.211
    诺奖获得者普利高金认为我们在处理两类不同的物理学:一类是存在的可逆的、时间对称的经典和量子力学方程,另一类是生成的不可逆的、时间不对称的过程,这种过程使孤立系统的熵增加。他在其1980年出版的《从存在到生成》一书中说:“经典的次序是:粒子在先,第二定律在后,存在先于生成!在基本粒子的水平上,情形可逆不再如此,在能够定义实体之前,我们必须先引入第二定律”P.211
    普利高金:“理论上的可逆性来源于经典和量子力学中理想化的使用,这种理想化超出了任意有限精度测量的可能性。我们所说的不可逆性,是一种适当的考虑了观察的性质和局限的理论所具有的特点。”换言之,正是可逆性,而非不可逆性,才是一种假象:一种我们用来使理论物理学和化学简化的结构。P.212
    玻尔认识到了测量这种将测量器件的宏观世界与量子粒子的微观世界联系起来的“不可逆行动”的重要性。若干年后,惠勒谈到“不可逆的放大行动”:只有当我们将基本量子事件(如光子的吸收)放大,并将其变为可感知的宏观信号(如指针在度盘上偏转),我们才能获取微观世界的信息。在个别量子(光子、电子、原子)水平上普普通通的现象,对于大块的物体(指针和猫)消失了。如果我们能够应用已有的量子理论表达,来解释这种从微观到宏观的变化,那就无须在其中增加什么了。也许答案是:我们能够以叠加态制备的量子系统比较简单,仅具有限个自由度,而将测量结果的信息加以变换和放大的装置却很复杂,由许多电子、原子和分子组成,具有许多自由度。物理学家齐(H.D.Zeh)首先指出,状态矢量与实验装置及其“环境”的相互作用可以导致叠加分量的突然和不可逆的退耦或“退相”,结果毁掉了干涉项,我们因此不能观察到宏观物体的干涉。这种状态矢量的退耦或退相,伴随着装置及其环境的无数状态的强耦合,如今一般称为退相干。P.213
    原来,一个适当制备的状态矢量的相干性是极端脆弱的,与几个光子或原子的相互作用就足以很快造成相位关联的丧失,并把整个量子系统变为某种迅速取得经典系统模样的东西。P.214
    一个通过双缝装置的电子具有较长的退相干时间,因而以非定域物存在。其状态矢量通过两条缝隙并形成干涉。而当我们在其路径上放置了感光胶片,这就使得状态
    矢量与感光凝胶中的大量分子态相耦合并由此与更大的环境耦合。退相干时间于是大为降低,电子在难以置信的短时间内定域化,以致好像是瞬间发生的,同时我们发现电子在“这里”或“那里”。P.215
    读者感言:解释得通,就是理论;如果在某种框架下将所有的现象都用一种合乎逻辑的自洽的解释通,就了不得了。
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 楼主| 发表于 2019-5-27 11:06:00 | 显示全部楼层
                                                                   量子迷宫(20)
    退相干有着以富有直观魅力的方式解释量子实体的微观世界与我们直接经验的宏观时间之间许多巨大差别的潜力。但有些东西这个理论未予解释:没有机理解释为何一次特定的测量该给出这个特定的结果。哥本哈根诠释只告诉我们,粒子的状态在测量前是未定的(所有的结果都是潜在的同样正当的:A和B),并在测量后确定(只观察到一个结果:A或B)。所以,我们必须寻求一种帮助我们理解“和”如何变为“或”的机理。退相干没有提供这样的机理。P.216
    贝尔之所以反对退相干解决了测量问题的观点,确是源于我们理解(或不理解)量子测量和量子概率机理的缺失。欧姆內斯(以及其他退相干理论的倡导者)想要保留量子概率的波恩诠释,同时用退相干将量子世界(包括它所有的叠加和非决定论性质)与宏观世界(在那里,经验告诉我们,所有的叠加都消失了)连接起来。毫不奇怪,并非所有人都对此方法感到满意。P.217
    意大利科学家吉拉尔迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和T.韦伯(T.Weber)1986年阐述了这样一种理论。这个理论后来被贝尔及其同事改进和推广。GRW理论在通常的非相对论、时间对称的运动方程中加入一个非线性项。此项使状态矢量在位形空间中受到随机、自发的定域化。他们的雄心主要在于填平微观和宏观系统动力学之间的鸿沟,从而形成一个统一的理论。P.218
    将量子理论与侠义相对论在数学上融合而为量子场论充满了困难。近年来在量子引力理论的发展上已经取得了一些进展。数学家彭罗斯认为,在进入时空曲率很大的区域时,量子态的线性叠加开始崩溃并最终塌缩为一个特定的本征态。在退相干或GRW理论中,粒子数是塌缩的关键;与此不同,在彭罗斯的理论中,质-能密度才是重要的。P.219
    退相干理论、GRW理论、彭罗斯时空几何理论,在物理学家莱格特看来是一种宏观实在论:他们在常规量子理论里引入附加的特点,以便使波函数塌缩变得客观明显,并由此否定了宏观上不同的状态的叠加在自然界发生的可能性。宏观实在论主张的是:定义为具有显著广延差异和分离度的不同宏观态之间不可能产生叠加。近年来进行了越来越多的实验,以图确定是否可能对很大的物体观察到量子行为。但是,对于宏观实在论的观念提出最强挑战的,是超导器件中观察到的量子干涉效应。P.221
    超导环直径1cm左右的量子态——已经被实验所证实。在一个厚度均匀的超导环内,量子化的磁通态不发生相互作用。环的量子态只能通过将环加温、改变外施磁场,然后再将它冷却到超导温度来改变。然而,如果环内包含一个约瑟夫森结,通量态的混合就成为可能。基本上,约瑟夫森结是环内插入了一小段绝缘体,狭窄到只容许电子对从一侧到另一侧的量子隧穿。各种量子干涉效应于是成为可能,而环被称为超导量子干涉器件(SQUID)。这种器件难以置信的灵敏,在各种医学应用中被用来测量磁场强度。其可检测的磁通能量大约相当于在地球引力场中将一个电子举起1mm的能量。更加灵敏的器件可接近海森伯不确定性原理的极限。有趣的是,这种灵敏性是约瑟夫森结而非环的它特点。这就是说,宏观变量(例如电子绕环的可测通量)可用微观数量的能量来控制,其方式与环本身的物理尺度无关。2000年报告的实验结果意味着:可以产生这种器件的不同宏观态的叠加。但是,对这些实验的解释颇为微妙。P.222
    读者感言:量子理论除了经典的哥本哈根诠释,实在论解释和实验也同时在进行,且得到现今实验条件下的证实。可见,量子到底是个什么东西,是实在还是反实在,依旧没有定论。
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