理论物理学

量子世界的发现

量子理论庆祝成立一百周年之际,惊人的成功与缠绵的难题竞争。

马克斯·泰格马克(Max Tegmark)和约翰·阿奇博尔德·惠勒(约翰·阿奇博尔德·惠勒) 科学档案N°68
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“在几年内,所有主要的物理常数都会被估算出来……科学家剩下的唯一工作就是提高其精确度。 »进入我们的第二个十年 xi e 一个世纪以来,这句话似乎很有意义……只是由于苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)于1871年宣布要在剑桥大学开设课程而引起的。他表达了他物理学家的一般感觉

自110年过去以来,一直存在着许多谜团,并且辩论不断激起科学界的注意:量子力学在诸如量子计算,平行宇宙,意识甚至自然本身等领域的后果是什么?物理现实?从实践的角度来看,我们不欣赏量子力学在实践和科学上的巨大贡献:欧洲和美国约30%的产品是由它产生的发明产生的;从集成电路的半导体到激光器的读取器通过 DVD 和磁共振医学成像等

1871年,物理学家完全有理由感到乐观。古典力学和电磁学理论激发了工业革命,他们认为基本方程可以描述几乎所有物理系统。有一些小细节……但是魔鬼在细节中!因此,当他们通过将自己放置在经典框架中来计算热物体(黑体)发出的光的光谱时,他们找不到测得的光谱。计算结果甚至预示着一场荒谬的“紫外线灾难”,也就是说,紫外线和X射线会大量发射,可能会使任何看过的人致盲,例如……一个炉子!

氢灾难

在1900年的一篇文章中,普朗克给出了黑体光谱的正确表达。但是,他的论证是基于一个非常奇怪的假设,以至于他本人多年来一直否认这一假设:他不得不承认,他的黑体只能以“量子”的形式散发出小能量。这个奇异的假设被证明是卓有成效的。 1905年,爱因斯坦(Albert Einstein)进一步提出了这个想法。他想解释光电效应,该效应今天已用于光电电池和数码相机传感器(ccd):他认为电磁辐射还会在小颗粒,光子中携带能量。

早在1911年,物理学家就面临另一个难题:欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)使他们相信,原子是由围绕带正电的核旋转的电子组成的,就像微小的太阳系一样。但是,麦克斯韦的经典电磁理论指出,运动中的带电粒子会通过辐射损失能量。因此,绕原子核运行的电子应该在不到百万分之一秒的百万分之一的时间内失去能量,并被原子核“吸引”。不可能,因为氢原子是稳定的。自从电磁学预测氢原子的寿命以40个数量级的误差以来,这是有史以来最糟糕的减振物理学!

1913年,戴恩·尼尔斯·玻尔(Dane Niels Bohr)来到曼彻斯特大学(University of Manchester)的卢瑟福(Rutherford)工作,并找到了一种解释,这种解释再次吸引了量子学。他推测电子的角动量只能取某些非常精确的值,这将电子限制在几个离散的轨道上(在非常精确的能量下)。电子只能通过从其轨道跳到较低的轨道来释放能量:然后它们发射光子。该模型还解释了氢原子的稳定性:到达最低轨道的电子保留在那里,因为它不再能够跳入能量较低的轨道。

这种“玻尔模型”不仅解释了原子的稳定性,而且解释了该元素的光谱结构,即激发的氢原子发射的特定频率。它也适用于氦气,但仅当该原子缺少其两个电子之一时才适用。

回到哥本哈根,玻尔收到了卢瑟福的一封信,敦促他发表研究结果。他告诉卢瑟福,直到他设法解释所有元素的幽灵之前,没有人会相信他。卢瑟福坚持说:“玻尔,你解释氢,你解释氦,其余的你都会被相信。”

尽管量子思想在早期取得了成功,但是量子化的奇怪规则在1920年代初使物理学家感到困惑,因为没有适用一般法则。 1923年,路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)在他的博士学位论文中提出了一个。他相信电子和其他粒子的行为就像驻波。这样的波像吉他弦的振动一样,具有离散的(量化的)频率,也就是说,它们仅采用非常精确的值。这个想法太不寻常了,审查委员会寻求外界的建议。经咨询,爱因斯坦给出了正面的意见,并且论文被接受。

1925年11月,欧文·施罗丁格(ErwinSchrödinger)来苏黎世举办关于路易斯·德布罗意(Louis de Broglie)作品的研讨会。完成后,彼得·德拜(Peter Debye)问他:“你的意思是波浪,但是波浪方程在哪里?” Schrödinger开始工作,就在那时,他开发了他著名的方程式,该方程式已成为现代物理学众多领域的基础。

此后不久,Max Born,Pascual Jordan和Werner Heisenberg以矩阵形式给出了量子理论的等价表述。一旦建立了这些坚实的数学基础,量子力学便取得了长足的进步。几年来,物理学家解释了许多实验结果,包括更复杂的原子光谱和化学反应。

这到底是什么意思?薛定er方程描述的“波函数”是什么?即使在今天,量子力学这个令人惊奇的概念还是有争议的。

麦克斯·伯恩(Max Born)明白,波动函数必须根据概率来解释。当实验者确定电子的位置时,在给定位置找到电子的可能性取决于该位置处波函数的大小(实际上是该大小的平方)。因此,机会似乎是作为自然法则而建立的。爱因斯坦不喜欢这个想法,并用这样一个著名的短语表达了他对确定性宇宙的偏爱:“我不敢相信上帝在玩骰子。” ”

奇异的猫和量子卡

薛定er也不愿。波动函数描述了不同状态的组合,称为叠加。例如,一个电子可能处于多个位置的叠加中。 Schrödinger指出,虽然可以在覆盖层中找到诸如原子之类的微观对象,但由于它们是由原子组成的,因此可以在宏观对象中找到。为了说明这个想法,他想象了一个实验,此实验一直保持着名气,即当(且仅当)不稳定原子分解时,变态装置才能杀死猫。由于放射性原子将处于分解状态和未分解状态的叠加,因此它会同时产生活着的和死的猫。

可以想像一下这种假想体验的简单变化。您拿一张纸牌并在边缘平衡。在古典物理学中,这样的映射原则上无限期地保持平衡。相反,Schrödinger的等式预测,卡片将在几秒钟内掉落(无论您如何努力使它保持平衡),而且,它会一次落在两面的叠加上。状态“向左”和状态“向右”。

当然,在古典物理学中,映射图是随机分布在右侧或左侧,但是从不“左右”分布,正如薛定er方程似乎表明的那样。显然,像卡这样宏观的系统“拒绝”保持量子叠加状态。这里有一个明显的矛盾,这是量子力学的主要奥秘之一的核心。

所谓的“哥本哈根”量子力学的解释源于玻尔和海森堡在1920年代后期之间的讨论。它假设观察或测量具有非常特殊的作用,从而解决了有关量子的神秘问题。只要我们没有观察到下降卡,它的波动函数都会通过遵循Schrödinger方程来演化。物理学家认为这种有规律和连续的进化是“单一的”。演化的单一性产生了一个量子叠加,该量子叠加导致该图同时向右和向左下落。然而,当观察到该系统时,波函数突然改变为常规可解释状态之一。这称为波动函数的减少。观察者看到的卡处于明确定义的状态(在右侧或左侧),因此,仅保留了与该经典状态相对应的波动函数的分量。根据波动函数施加的概率,一切都会发生,就像自然界随机选择了一种可能的状态一样。

哥本哈根的解释为计算提供了令人惊讶的高效“配方”,其预测与实验结果精确匹配。然而,一个人含糊地想知道,一个至今未知的方程式是否不能描述减少的时间和方式。一些物理学家将这个方程式的缺失解释为量子力学中的错误,这很快就会被填补这一空白的更好​​的理论所取代。因此,大多数物理学家没有关注方程的本体论结果,而是绕开了它们,致力于核物理中的多个令人兴奋的应用或未解决的问题。

这种务实的方法被证明是富有成果的。多亏了量子力学,我们才能够预测反物质,了解放射性(并掌握核能),解释固体的行为,例如半导体(从中诞生电子的半导体),预测超导性,描述光与物质的相互作用(导致发现激光)或无线电波与原子核的相互作用(导致医学磁共振成像)等。量子理论的许多成功都涉及其扩展之一:量子场论;量子场论;量子场论。从起源到中微子振荡,希格斯玻色子研究和超对称性的当前实验挑战,这一理论都是粒子物理学的基础。

平行宇宙

在取得了如此巨大的成功之后,在1950年代初期,人们已经清楚地认识到,量子理论不仅仅是临时性的理论修补。因此,大约在本世纪中叶,普林斯顿大学的休·埃弗里特(Hugh Everett)决定重新研究其博士论文中减少波包的假设。他想知道如果宇宙的进化保持统一会发生什么,将量子思想推向了极限。确实,如果量子力学足以描述宇宙,那么它的状态可以用波动函数(非常复杂)来表示。对于埃弗里特(Everett),该波动函数必须以确定性的方式发展,这排除了波动包减少的神秘非统一现象:上帝不会玩骰子。

代替减少,微观系统的叠加状态将在测量过程中迅速放大以给出宏观叠加。因此,上述量子图实际上将同时位于两个位置。另外,看着她的人也会进入两种不同的心理状态的叠加,每种状态都感知到其中一种结果。如果您押注女王会倒下,那么您最终将处于满意状态和失望状态的叠加(请参见侧栏)。埃弗里特(Everett)的绝妙想法是说,这个量子世界的观察者尽管具有确定性,却具有精神分裂性,但仍会感知到我们习惯的美好的古老明确的现实。而且,他们会遵循明显的概率定律观察到明显的巧合。

埃弗里特(Everett)的观点-实名,相对状态的表述-被称为量子力学的并行宇宙解释,因为叠加的心理状态的每个组成部分仅感知到它所属的世界。根据埃弗里特(Everett)的说法,波动函数永远不会减少,但是,每次测量时,宇宙都会分裂为尽可能多的平行宇宙,每个平行宇宙对应于特定的值。测量的数量。这种观点通过消除减小波包的假设简化了基础理论,但是这种“简化”需要付出一定的代价:除了似乎无法测试之外,似乎很难承认观察者本人会分成几个不同的观察者,对每个观察者都进行测量,并且对现实的各种看法与其他看法一样真实。

这项工作将近20年没有被注意到。太多的物理学家仍然希望找到一种更相关的理论,该理论将使世界恢复其经典性质,并同时在两个地方排除诸如宏观物体之类的怪异事物。一系列新的实验打破了这些希望。

我们是否可以用一定数量(当然是未知数)代替表观量子机会,但这将表征粒子的一个隐藏变量?约翰·贝尔(John Bell),理论家 塞恩表示,如果是这种情况,则某些量的测量结果将不同于量子力学的预测。在物理学家掌握执行相应实验的技术并排除隐藏变量的可能性之前,已经过去了许多年。

1978年,我们中的一个人(J. A. Wheeler)提出了“延迟选择”实验,该实验于1984年成功进行:它证明了世界上一个新的量子方面,无视经典概念。在此实验中,一个光子可以同时位于两个位置,但事后,一个人也可以选择该光子是仅位于一个位置还是同时位于两个位置。 1982年,奥兰光学研究所的Alain Aspect及其同事以及维也纳光学研究所的安东·蔡林格(Anton Zeilinger)小组于2006年进行了其他实验,这些实验也是决定性的。带有隐藏变量的理论(请参阅《从爱因斯坦的直觉到量子位》,作者:A。Aspect和Ph。Grangier,第26页,以及《我们通过观察创造世界吗?》,J。Roebke,第32页)。

退相干,量子审查

美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynmann)认为,斯特恩和格拉拉奇(Stern and Gerlach)的实验中,光子或电子穿过两个缝隙并产生干涉,这是“所有量子效应之母”。它已经用原子和分子之类的大物体复制了(参见A. Ourjoumtsev的“走向宏观量子”,第80页)。 A组Zeilinger甚至考虑过用病毒重复该实验。所有这些经验都产生了一个不可避免的现实:无论它是否适合我们,量子奇异都是非常真实的。

过去几十年的实验进展伴随着理论进展。埃弗里特(Everett)的工作留下了两个基本问题未解决:如果世界真的包含奇怪的宏观叠加,我们为什么不理解它们呢?根据什么机制可以观察到两个经典状态之一(纸牌倒置和纸牌倒置)?

第一个问题的答案出现在1970年,当时海德堡大学的Dieter Zeh证明了Schrödinger方程本身就产生了一种检查形式。与量子相干归因于量子叠加的状态相反,这种效应被称为去相干。退相干理论是由美国洛斯阿拉莫斯实验室的D.Zeh和Wojciech Zurek提出的。他们已经证明,只有世界上其他地方忽略了相干叠加层,它们才会存在。因此,自由落体的量子卡不断受到空气分子和光子施加的冲击,因为许多微粒永久地“确定”该卡的下落方式,从而破坏(“脱粘”)叠加,因此我们再也观察不到

一个分子就足够了

被研究系统的环境几乎就像观察者一样,只是因为他在看地图,所以减少了波动函数。假设一位朋友看着卡掉到哪一边而没有告诉您结果。根据哥本哈根的解释,他的观察将叠加状态简化为定义明确的状态,对这种情况的最佳描述不再是量子叠加状态,而是对无知的经典表示。你的朋友看到​​的。更简单地说,退相干计算表明观察者不是必需的(因此,显式波动函数的减小):一个空气分子从侧面的一侧反弹。卡就足够了。这种微小的相互作用足以使叠加状态的连贯性消失,并使经典情况重新出现。

退相干现象解释了为什么我们不在周围的世界中观察到量子叠加。量子力学并没有停止应用于超过一定临界尺寸的物体,但是宏观系统(例如猫或卡片)没有被足够隔离以防止退相干。相反,微观对象更容易与环境隔离,并且它们更好地保留了其量子行为。

退相干还为埃弗里特的第二个问题提供了答案:哪种机制赋予两个经典状态(卡向右或向左)赋予特定状态(可观察状态)?如果从严格的量子角度考虑这些状态,那么它们对叠加态有什么特别的影响?为什么埃弗里特的多个宇宙总是以这样的方式分裂:只有我们知道的“左”或“右”类别出现,而没有其他类别出现?答案来自于退相干理论:计算表明,这些经典状态恰好是“抵制”退相干的状态,也就是说,与环境的相互作用使地图处于一个或多个状态。在两个面中的另一个上,但是使一个叠加状态朝向经典状态中的一个或另一个(朝左或朝右)。

物理学家习惯将宇宙分为两部分:研究中的系统和其余部分。例如,在热力学中,我们区分了材料主体及其周围环境,后者强加了温度和压力条件。同样,在量子物理学中,从经典的角度来看,所研究的系统与测量设备是分离的。但是,如果我们承认宇宙和退相干的统一演化,则必须将宇宙分为三个部分,每个部分都由一个量子态描述:研究的系统,其环境和原子能级。观察者(请参见对页中的框)。

退相干与大脑

由于被研究对象与其环境之间的相互作用而导致的退相干,使我们无法感知到心理状态的量子叠加。我们的大脑与周围环境紧密相连,即使我们的神经元可以感知到这种覆盖,它们的去相干性也是不可避免的,几乎是瞬间的。 D. Zeh注意到,这为后验论证了量子力学创始文本中波包减少的假设,也就是说,我们可以进行所有的概率计算,从我们承认从观察到物体开始就减小波函数的那一刻起就希望即使按照埃弗里特的理论,波函数永远不会减小,物理学家也同意,实际上,退相干的影响类似于波包的减小。

退相干现象的发现以及奇怪量子现象的实验证明的大量增加,大大改变了物理学家对量子力学的认识。最初,引入波包减少的假设是为了解释为什么实验产生确定的结果而不是奇怪的结果叠加。这种最初的动机实际上已经消失了。而且,还没有人算出能够确定何时应该发生这种神秘的波包减少的方程式。尽管量子物理学的书中总是说减少波包的原理是一个基本假设,但物理学家却越来越少地相信它,尤其是那些从事量子计算机研究的人。该方法仍然是有用的“计算公式”,但是在任何学生文献中都应指出,波动函数的减小可能不会违反Schrödinger方程。

经过110年的量子思想,未来将会怎样?还有哪些奥秘?即使继续讨论量子力学的解释和现实的深刻本质,该理论也可能只是更大理论的一部分。可以将不同的物理理论分类为一种家谱,其中每种“谱系”都从更基本的“基础”学说中“下降”。量子场论和广义相对论将构成树的创始主干。最初的分支包括量子力学和狭义相对论,它们延伸到电磁学,经典力学甚至原子物理学中。计算机科学,心理学甚至医学在更高的分支机构上都距离更远。

所有这些理论都表现出两个方面:一整套连贯的数学方程式以及将这些方程式与实验结果联系起来的解释。通常表示的量子力学也表示为方程式和一些明确的假设。逐渐引入了新的概念(质子,原子,细胞,有机体等),因为它们可以提高对所涉及现象的理解,而不必求助于更基本的理论。因此,方程的数量与解释它们所需的单词数量的比率随着在理论树中的上升而下降,并在诸如医学或社会学等应用领域中趋于零。相反,接近于理论进化树的张力的概念本质上是数学的。

找到母亲理论

物理学家的最终目标是找到被人戏称为“万物理论”的理论,所有其他理论都可以从中推论得出。如果存在这样的理论,它将成为理论树的深层根源,是广义相对论和量子理论的源头。物理学家特别知道他们缺乏引力和量子物理学理论的“母理论”。

万物的理论可能不包含任何概念,否则人们将不得不根据一种更基本的理论来试图解释它……直到人们获得了最终的学说。因此,后者将是纯数学的,没有任何解释或假设。一位无限智能的数学家将仅从方程式中得出整个理论树,并描述它们所描述的宇宙的特性,其居民的特征以及对世界的感知。

量子力学的前110年为我们提供了强大的技术,并解决了许多问题。但是,物理学家提出了新的问题,与麦克斯韦在剑桥大学演讲时保持开放的问题一样重要,例如重力的性质和现实的性质。

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