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迪士尼彩乐园加盟 量子力学一百年:一场未完成的改造

发布日期:2024-02-29 12:26    点击次数:141

来源:欧米伽将来议论所

一个世纪前,物理学经历了达尔文时刻——这种不雅点的休养对于物理科学的影响就像天然采用的进化论对于生物学的影响一样首要。

科学想想或表面很少能从根蒂上改变咱们对现实的看法。结伙国已书记 2025 年为外洋量子科学手艺年,咱们正庆祝这一改造性时刻。这象征着量子力学降生一百周年,该表面始于 100 年前的多量论文。如若莫得查尔斯·达尔文的进化论,咱们就不可能结伙当代生物学,咱们对物理寰宇的根蒂结伙现时也植根于量子旨趣。当代物理学便是量子物理学。

量子这个词指的是物资给与或开释能量的方式——以闹翻包或量子的阵势。它在物理学中的使用来自德语单词quant,该词源于拉丁语,意为“些许”。1900 年把握,马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦等物理学家启动以一种临时的方式形色为什么一些亚原子领域的现象无法用艾萨克·牛顿等东谈主在两个世纪前发展的经典力学来解释。随后,在 1925 年,量子启动被用来形色一种全新阵势的力学的基本旨趣——物理学的一个分支,形色力和物理对象畅通之间的关系。

正如科学史学家克里斯蒂安·卡米莱里 (Kristian Camilleri) 在一篇对于那一年及之后的惊东谈主发展的论文中所形色的那样,物理学家维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 于 1925 年夏天前去德国北海的黑尔戈兰岛 (Heligoland),寻求缓解严重的花粉症。尔后不久,他向Zeitschrift für Physik杂志提交了一篇论文,其标题翻译为“对于畅通学和力学关系的量子表面再行解释”( W. Heisenberg Z. Physik 33 , 879–893; 1925 )。这促使海森堡和他的亲密相助者在接下来的几个月里进行了进一步的议论,以及埃尔温·薛定谔使用另一种规范进行的工作。

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这场改造并非始于物理学家放置经典力学定律,而是他们对能量和动量等经典意见的绝对再行解说。关联词,这场改造如实要求发起者烧毁他们所珍贵的知识性不雅念 — — 举例,渴望粒子等亚原子物体在职何给定时期都有明确的位置和动量。相背,物理学家发现天然现象现实上具有不可知的性质。换句话说,经典物理学只是现实的一种近似暗示,况且只在宏不雅层面上体现出来。一个世纪当年了,这种对物理寰宇现实的瞻念察仍然让东谈主兴盛不已,也让东谈主困惑不已。好多《天然》杂志的读者都知谈,量子猫既辞世又故去,它们提议的形而上学艰巨,以及围绕量子计较而发展起来的产业。

其他东谈主会知谈量子想想若何催生了通过互联网电缆传输信息的激光器,以及为电子芯片提供处理能力的晶体管。但量子想想也塑造了咱们对天然界各个层面的结伙,解释了为什么固体不会土崩剖释,以及恒星若何发光并最终沦一火。

量子年

将来 12 个月,寰宇各地都在操办悲悼步履。这些步履包括2 月份在巴黎结伙国教科文组织总部举行的结伙国年开幕式;3 月份在加利福尼亚州阿纳海姆举行的好意思国物理学会会议上的突出步履;以及 6 月份在黑尔戈兰岛为物理学家举办的研讨会。组织者的共同方针是不仅庆祝量子力学百年生日,而且庆祝当年一个世纪中量子力学产生的科学和应用,并探索量子物理学若何不才个世纪带来进一步的变革。

本年 5 月,开端提议结伙国将 2025 年定为量子科学年的国度加纳将在库马西举办一场对于该主题的外洋会议。8 月,科学史学家将在巴西萨尔瓦多庆祝量子世纪。

此次会议将是一个为期20 年的议论神色的激越,该神色旨在再行扫视量子表面的发展。明尼阿波利斯明尼苏达大学的历史学家 Michel Janssen 暗示,这项工作的一个主要方针是详情一群科学家的孝顺,其中好多东谈主——尤其是女性——在该领域的历史上尚未得到招供。

加拿大多伦多约克大学历史学家丹妮拉·莫纳尔迪说,这些“荫藏的东谈主物”包括露西·门辛,她与海森堡同属一个小组,并议论出了海森堡量子力学表面的一些早期应用。本年最值得关注的事件之一将是出书一册列传集,其中收录了 16 位女性的论文,即《量子物理学史上的女性》。

尽管量子改造已经带来了诸多效能,但它仍有好多未竟之事。在议论东谈主员奠定量子力学基础的几年里,他们也启动从量子基础重建其他物理学分支,如电磁学和物资情景议论。他们还试图将表面扩展到接近光速转移的物体,这是开端的量子表面所莫得的。这些奋发大大扩展了量子科学的范围,并促使议论东谈主员诱导出粒子和场的模范模子,这也曾过最终在 20 世纪 70 年代完成。

模范模子取得了令东谈主难以置信的收效,并在 2012 年发现了其要道的基本粒子希格斯玻色子。但这些扩展的表面基础不如量子力学那么平稳,况且留住了一些无法解释的现象,举例“暗物资”的性质,它似乎远远杰出天地中老例可见物资。此外,引力这一进击现象仍然无法量化。

量子物理学的其他意见问题仍未得到科罚。突出是,议论东谈主员奋发结伙当实验将量子对象的迂缓概率“压缩”为一个精准测量值时究竟会发生什么,这是创造咱们所生活的宏不雅寰宇(仍然是冷凌弃的经典)的要道一步。在当年的几十年里,议论东谈主员一直在诱导将这些量子现实的怪癖休养为有用手艺的规范。由此产生的计较、超安全通讯和创新科学仪器方面的应用仍处于起步阶段。

量子表面不时高出。本年是一个值得庆祝的契机,让坚强公众坚毅到量子物理在他们生活中的作用——并激励将来的一代东谈主,不管他们是谁,不管他们身在何处,为下一个量子世纪作念出孝顺。

天然 637 , 251-252 (2025)

机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00014-5

第二篇 Nature:量子力学是如安在一百年前的几个月内降生的

德国黑尔戈兰岛,维尔纳·海森堡在此撰写了突破性的量子表面论文。图片来源:Getty

1925 年 7 月,一位 23 岁的德国物理学家向《物理学杂志》提交了一篇论文1,题为“对于量子表面对畅通学和力学关系的再行解释”。维尔纳·海森堡著述的发表不错说是开启量子力学当代期间的一个时刻,从而引发了咱们对物理学基本结伙的惊东谈主改造,其影响一直持续到今天。结伙国书记 2025 年为外洋量子科学手艺年,这在很猛进程上是因为 100 年前启动以惊东谈主的速率伸开的事件。

海森堡的论文斗胆尝试,试图找到一种规范解脱困扰原子光谱(原子辐照和给与的光的频率和振幅)解释工作的艰巨。他争论的焦点是玻尔-索末菲原子模子,该模子以两位物理学家尼尔斯·玻尔和阿诺德·索末菲的名字定名,他们于 20 世纪 10 年代诱导了该模子。该模子是其后被称为旧量子表面的中枢,而旧量子表面本人是 20 世纪初东谈主们通晓到古典物理学的旨趣不及以解释亚原子现象的不雅察的产品。关联词,不错通过临时假定能量以闹翻包的阵势出现:量子,来弥补这一空缺。

玻尔-索末菲模子假定电子在一定的量化条款下绕原子核以椭圆轨谈畅通,从而提供了一套轨则,用于采用经典系统(在氢原子中,电子绕质子旋转)的某些“允许”轨谈,并得出与不雅测到的能谱一致的计较值。该模子收效地解释了氢原子的光谱(仅由一个质子和一个电子构成)以及在施加电场(斯塔克效应)或磁场(普通塞曼效应)的情况下谱线的区别。但在处理氢分子和具有多个电子的原子时,它遭受了好多问题。

1923 年,海森堡加入德国哥廷根大学表面物理议论所,担任表面物理学家马克斯·玻恩的助手时,就发现了这个问题。他和玻恩行使玻尔-索末菲模子允许的扫数轨谈,对氦原子的光谱进行了一系列可贵计较,但落幕与实验不雅察不一致。他们开端怀疑问题出在计较规范上,但很快被更根蒂的疑虑所取代。玻恩写谈2 “越来越有可能的是,不仅需要从物理假定的角度提议新的假定,而且通盘物理学意见体系都必须重新启动重建。”1923 年 12 月,海森堡在写给他的老敦厚索末菲的信中指出:“扫数模子表述都莫得确切的敬爱。轨谈不管是对于频率如故能量都是不确切的。”

海森堡并不是独逐一个抒发这种怀疑的东谈主。他的一又友兼通讯频繁的沃尔夫冈·泡利也越来越信托电子在轨谈上畅通的想法是站不住脚的,他在 1924 年 12 月告诉索末菲,“咱们所说的谈话不及以形色量子寰宇的简单性和娟秀。”关联词,莫得轨谈模子,若何链接下去还不昭着。直到 1925 年 4 月,海森堡还写谈,“在现时的量子表面中,东谈主们必须依靠标记化的、模子状的图像,这些图像或多或少是建立在经典表面中电子的机械行径之上的” 3。

几个月后,海森堡在德国北海黑尔戈兰岛寻求花粉症缓解时,提议了一个更为激进的决策。海森堡莫得建立基于电子以大致经典的方式沿明确界说的轨谈转移的原子模子,而是决定发展一种创新的畅通表面,即“量子力学”,在这种表面中,电子不再被视为沿勾通轨迹转移的粒子。7 月 9 日,他写信给泡利说:“我扫数的奋发都是为了绝抵消失轨谈意见——归正轨谈是无法不雅察到的。”这是与经典力学的决定性决裂。

维尔纳·海森堡,摄于 1925 年。图片来源:Corbis via Getty

在几周后提交的论文1中,他入部下手“建立表面量子力学的基础,该基础实足建立在原则上可不雅察的量之间的关系上”。海森堡凭证周期系统的经典畅通方程制定了电子畅通方程。它取代了位置和动量等量,包括可不雅察能量和跃迁振幅(原子从一个量子态跃迁到另一个量子态的概率)的复杂阵列。

这一计策更多的是出于无望,而非形而上学信念。正如海森堡在论文导言中所解释的那样,琢磨到处理含有多个电子的原子的复杂性,“烧毁不雅察迄今为止无法不雅察的量(如电子的位置和周期)的扫数但愿似乎是贤惠的”。

关联词,很丢脸出摈弃不可不雅测量将若何提醒表面的进一步发展。在表面约略形色诸如碰撞息争脱粒子畅通等现象之前,它必须包括能量和跃迁振幅以外的其他量。除此以外,以致不昭着哪些量应该被视为不可不雅测量。举例,电子位置在 1927 年被再行承认为可不雅测量。正如玻恩几十年后所反想的那样,摈弃不可不雅测量的想法在 1925 年听起来很合理,但在扩展中,这种“蒙眬而迂缓的表述是绝不消处的,以致具有误导性”。

求实的琢磨是海森堡物理学的中枢。他时时尝试各式想法,直到找到一个可行的想法——这种规范相称顺应这种意见脱落的时期。形而上学旨趣平素被用作克服僵局的技能,或临了的技能,当它们不再有用时就不错丢弃。正如玻恩其后指出的那样,形而上学旨趣对在职物理学家的确切价值只可凭证它们在产生落幕方面的相对有用性来判断。

矩阵如故波?

海森堡对峙认为,唯独“更长远的数学议论”才能揭示他在 7 月论文中使用的规范是否“令东谈主称心”。随后几个月,波恩和帕斯夸尔·乔丹在哥廷根完成了这项工作。他们坚毅到海森堡方程中出现的量不错暗示为矩阵(其时大多数物理学家都不熟谙的数学阵势),因此他们用矩阵再行表述了表面。他们创新的“矩阵力学”在一篇长篇论文4中进行了阐述,这篇论文平素被称为Dreimännerarbeit(三东谈主论文),由波恩、海森堡和乔丹于 1925 年 11 月提交。

但这个模子是有代价的。正如作者所解释的那样,新表面“的过失是不成平直用几何可视化的解释来解释,因为电子的畅通不成用熟谙的空间和时期意见来形色”。尽管玻恩和约当千里迷于抽象,但海森堡在 1925 年 6 月写给泡利的一封信中不禁想知谈“畅通方程的确切含义”。泡利在当年 12 月使用该决策收效计较了氢原子光谱5,这被平淡认为是对这一奋发的评释。但大多数物理学家发现很难收受难懂的数学。几个月后,即 1926 年上半年,一种实足不同的规范出现了,这让东谈主松了连气儿。

这是瑞士苏黎世大学的埃尔温·薛定谔6在《物理学年鉴》上发表的一系列创举性论文。在薛定谔看来,电子畅通无法在时空中形色的想法是对物理学家工作的烧毁,等于烧毁了结伙原子里面运作的扫数但愿。薛定谔对峙认为,这种结伙是可能的。在其中一篇论文的脚注中,他承认他“愤懑”哥廷根对量子力学的规范,相背,他建立了一个波动方程,这使他约略计较氢原子的能态。对薛定谔来说,这有望更直不雅地结伙量子态是“原子内的振动经过”。他提议,电子不错被视为波,电荷在三维空间中勾通漫衍,而不是在轨谈上畅通的粒子。

海森堡对此不以为然。在参加德国慕尼黑的一次学术研讨会后,薛定谔在会上先容了他的表面。海森堡向泡利挟恨说,波动表面无法解释多量量子现象,包括光电效应(金属名义受光照时会辐照电子)和斯特恩-格拉赫效应(原子束在穿过空间变化的磁场时会以两种方式之一偏转)。此外,形色多粒子系统需要抽象多维空间中的波函数。波函数无疑是一种有用的计较用具,但它似乎无法形色任何访佛确切波的东西。海森堡在 1926 年 6 月写谈:“即使约略诱导出平素三维空间中一致的物资波动表面,它也很难用咱们熟谙的时空意见对原子经过进行可贵形色。” 7

在接下来的一年里,薛定谔勇敢地尝试为他的波能源学找到令东谈主称心的物结伙释,但船到平时不烧香迟。1927 年 10 月,在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议上,他再次抒发了“一切事物都将再次在三维空间中变得可结伙”的但愿。到那时,很少有物理学家抱有这种但愿。薛定谔的波能源学很快成为科罚问题的首选数学阵势,但他试图解释原子在空间和时期中的单个经过的奋发却莫得得到些许赞助。薛定谔对他匡助创举的新期间越来越失望,在这个新期间,物理学家们不再以为有必要,以致不可能想象原子中发生的事情。

超卓速率

转头当年,量子力学的造成速率之快令东谈主畏俱。矩阵和波动公式的等价性于 1926 年春建立,引发了一系列发展。1926 年 6 月,玻恩提交了两篇对于碰撞现象的论文中的前8 篇,他在论文中将薛定谔表面中波函数振幅的平方再行解释为粒子与原子碰撞后向特定标的散射的概率。随后,乔丹和保罗·狄拉克发表了对于“变换表面”的论文,用概率振幅来形色量子态(而不单是是它们之间的跃迁)。

约略统计,从 1925 年 7 月海森堡发表量子力学论文到 1927 年 3 月他发表的相通具有创举性、完善量子力学发展效能的论文9 ,一共发表了近 200 篇对于量子力学的著述。在这篇论文中,海森堡引入了省略情关系的意见,该意见提议,电子的位置越精准,其动量就越难详情(反之也是)。概率现时成为量子力学的一个基本意见。

核乳胶板自满放射性 α 衰变,这是量子表面不错解释的事件。图片来源:C. Powell、P. Fowler 和 D. Perkins/SPL

从 1926 年中期启动,物理学家们还将量子表面应用于越来越多的现实问题,赢得了令东谈主诧异的观点,并在许厚情况下提供了更长远的结伙。举例,尤金·维格纳在 1926-27 年的一系列论文中展示了若何通过应用量子力学的对称旨趣和群论的数学手艺来推导权衡原子结构和分子光谱的资历轨则。

论文如雪崩般知晓,让好多物理学家难以跟上最新发展。刚有东谈主掌持了量子力学的新手艺或公式,另一项就出现了。有好几个物理学家完成了一篇论文,却发现别东谈主也发现了相通的东西,并抢先发表了。发展速率之快让好多物理学家挟恨“才能消化不良”。想考新物理学的深层含义是一种虚耗,很少有物理学家能包袱得起。

到 1927 年索尔维会议时,大多数物理学家认为量子力学已经得出了暂时的论断。海森堡和玻恩在他们的论说中声称量子力学是一个“圆善的表面,其基本物理和数学假定不再容易被修改”。其他东谈主则不那么信托。在会议临了一天的开幕致辞中,其时 74 岁、被称为“物理学元老”的亨德里克·安东·洛伦兹暗示,但愿东谈主们约略还原对电子在空间和时期中的畅通的形色。

薛定谔、阿尔伯特·爱因斯坦和路易·德布罗意也抒发了访佛的不雅点,后者于 1923 年头次提议电子具有波的特质。他们都认为量子力学存在很大问题。爱因斯坦在 1927 年 11 月写信给索末菲,迪士尼彩乐园官网提现他说量子力学“可能是统计定律的正确表面,但它对单个基本经过的意见不够充分”。爱因斯坦从未动摇过这一不雅点,但公论潮水与他以火去蛾中。月旦者速即成为局外东谈主,他们的抗议被视为对古典物理学失意天国的吊问。至少从数学角度来看,量子力学已经白玉无瑕。剩下的便是沿着当代物理学走过的谈路链接前进。

大多数物理学家都乐于这么作念,并将表面付诸扩展。仅举几个例子,在 1925 年之后的那些令东谈主兴盛的岁月中,量子力学被用来提供对化学键性质的基本观点,解释原子核中放射性 α 衰变的经过,并结伙电子如安在晶格中解脱转移,从而灵验地科罚了金属导电的原因。“几年之内,”海森堡在莱比锡的博士后学生、薛定谔在柏林的助手维克多·魏斯科普夫其后回忆谈,“几十年来一直被认为无法科罚的问题——举例分子键的性质、金属的结构和原子的辐射——终于被结伙了。”

对于量子表面的物结伙释的更深脉络的问题仍然在形而上学界引起争论。但不管该表面提议过什么形而上学艰巨,它都为了解亚原子领域提供了一个超卓的窗口。

天然 637 , 269-271 (2025)

机构编号: https://doi.org/10.1038/d41586-024-04217-0

第三篇:Nature:爱因斯坦为安在解释量子现实方面失败

通过压制 “形而上学” 问题,战后物理学家创造了一种破损置疑的正宗不雅念,这种不雅念一直延续于今。作者:吉姆・巴戈特(Jim Baggott)

量子力学是一种极其收效的科学表面,咱们敌手艺陶醉的生活方式在很猛进程上依赖于它。但它也令东谈主困惑。

尽管该表面行之灵验,但它让物理学家追赶概率而非详情趣,并冲破了因果关系之间的权衡。它让咱们看到既是粒子又是波的存在、似乎既死又活的猫,以及围绕难以解释的现象(如量子纠缠)的好多诡异的量子歪邪之处。对于量子力学的别传也比比齐是。举例,在 20 世纪早期,当该表面的创立者们就其含义争论不停时,丹麦物理学家尼尔斯・玻尔(Niels Bohr)的不雅点占据了主导地位。阿尔伯特・爱因斯坦(Albert Einstein)知名地与他意见相左,在 20 世纪 20 年代和 30 年代,两东谈主在申辩中短兵贯串。一个持续存在的别传是,玻尔通过胁迫幽静且日益孑然的爱因斯坦使其屈服而赢得了这场争论。玻尔 “流派” 的物理学家们像狂热的神职东谈主员一样,试图闭幕进一步的申辩。他们修复了以玻尔议论所处所地定名的 “哥本哈根解说”,将其行为一种教条式的正宗不雅念。

我与科学史学家约翰・海尔布伦(John Heilbron)合著的新书《量子戏剧》(Quantum Drama)探讨了这个别传的发源偏激在激励那些其后挑战它的私有东谈主物方面所起的作用。他们在面对广宽的淡薄时逆水行舟,最终得到了陈说,因为他们为展望到 2040 年价值数百亿好意思元的量子计较产业奠定了基础。

约翰于 2023 年 11 月 5 日物化,缺憾的是未能看到他的临了一部作品出书。这篇著述是为了悲悼他。

基础别传

一个科学别传不是有时或演叨产生的。它需要奋发。海尔布伦在 2014 年的一次会议演讲中说:“要成为一个别传,一个演叨的说法应该是持续且平淡存在的。它应该有一个看似合理且可详情的耐久原因,以及平直的文化联系性。天然这些别传是演叨或疯狂的,但它们并非实足演叨,它们的夸张之处突显了在其他情况下可能被忽视的情况、关系或神色的某些方面。”

为明晰解这些不雅点若何适用于量子力学的历史发展,让咱们更仔细地望望玻尔 - 爱因斯坦申辩。玻尔在 1927 年认为,结伙该表面的独一规范是收受他的互补性旨趣。物理学家别无采用,只可使用从经典物理学中借用的实足不相容但互补的意见来形色量子实验偏激落幕。

举例,在一种实验中,电子阐述得像经典波;在另一种实验中,它阐述得像经典粒子。物理学家一次只可不雅察到一种行径,因为不可能遐想出一个能同期自满这两种行径的实验。

玻尔对峙认为互补性并不矛盾,因为这些经典意见的使用隧谈是象征性的。这不是对于电子到底是波如故粒子的问题,而是对于收受物理学家长期无法知谈电子到底是什么,况且他们必须在合适的时候采选波和粒子的象征性形色。在这些规章条款下,玻尔认为该表面是圆善的 —— 不需要进一步的阐述。

这么的声明引发了一个进击问题。物理学的主义是什么?它的主要方针是赢得对现象越来越可贵的形色和规章,而不管物理学家是否能结伙这些形色吗?或者,它是对物理现实现实的不时长远探究?

爱因斯坦倾向于第二种谜底,况且拒却收受互补性是这个问题的最终定论。在他与玻尔的申辩中,他遐想了一系列用心的想想实验,试图评释该表面的不一致性、迂缓性和不圆善性。这些实验旨在隆起原则性问题,而不是要从字面上结伙。

纠缠概率

1935 年,爱因斯坦的月旦蚁集在他与新泽西州普林斯顿高级议论院的共事鲍里斯・波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森・罗森(Nathan Rosen)发表的一篇论文中。在他们的想想实验(称为 EPR,即作者名字的首字母缩写)中,一双粒子(A 和 B)互相作用后分开。假定每个粒子以绝顶的概率具有两种量子属性中的一种,为了简单起见,我将其称为相对于某个仪器建树测量的 “上” 和 “下”。假定它们的属性由物理定律联系联,如若 A 被测量为 “上”,B 必须为 “下”,反之也是。奥地利物理学家埃尔温・薛定谔(Erwin Schrödinger)创造了 “纠缠” 这个术语来形色这种情况。

如若允许纠缠粒子相距充足远,以至于它们不再互相影响,物理学家可能会说它们不再处于 “因果权衡” 中。量子力学预测,科学家仍然应该约略测量 A,并由此详情地推断出 B 的联系属性。但该表面只给出了概率,咱们无法提前知谈对 A 的测量落幕会是什么。如若 A 被发现是 “下”,那么辽远、因果上不相连的 B 若何 “知谈” 若何与它的纠缠伙伴联系联并给出 “上” 的落幕呢?粒子不成冲破这种联系性,因为这会违抗产生它的物理定律。物理学家不错简单地假定,当粒子相距充足远时,它们是零丁且不同的,即 “局域实在” 的,每个粒子在互相作用的那一刻其属性就已详情。假定 A 带着 “上” 的属性向测量仪器转移,一个阴恶的实验者实足不错改变仪器建树,使稳妥 A 到达时,它被测量为 “下”。那么,这种联系性是若何建立的呢?粒子是否以某种方式保持权衡,在辽远距离上以超光速互相发送音问或施加影响,这与爱因斯坦的狭义相对论相冲突?

另一种相通令东谈主不安的可能性是,纠缠粒子现实上并非互相零丁存在。它们是 “非局域” 的,这意味着它们的属性在对其中一个进行测量之前是省略情的。

这两种可能性对爱因斯坦来说都是不可收受的,这使他得出量子力学不可能是圆善的论断。

EPR 想想实验给玻尔阵营带来了冲击,但很快(尽管莫得劝服力)就被玻尔驳回了。爱因斯坦的挑战还不够,他餍足于月旦该表面,但对于玻尔互补性的替代决策并莫得杀青共鸣。更平淡的科学界认为玻尔赢得了这场申辩,到 20 世纪 50 年代初,爱因斯坦的影响力正在削弱。

与玻尔不同,爱因斯坦莫得建立我方的流派。他更倾向于千里浸在我方的想维中,徒然地追求一种能解除电磁学和引力的表面,从而实足摈弃对量子力学的需求。他称我方为 “孤独的旅行者”。1948 年,好意思国表面物理学家 J. 罗伯特・奥本海默(J. Robert Oppenheimer)对《期间》杂志的别称记者说,年长的爱因斯坦已经成为 “一个地标,但不是一盏明灯”。

主流不雅点

那个时候,八戒还叫作猪刚鬣,一直在福陵山上靠吃人为生。

前路浩浩荡荡 万物皆可期待,半山腰总是最挤的,你得去山顶看看

对量子历史这一时期的后续解读产生了一个持续且平淡的不雅点,即哥本哈根解说已被修复为正宗不雅点。我提供两个遗闻行为例证。20 世纪 50 年代,好意思国物理学家 N. 大卫・默明(N. David Mermin)在哈佛大学读议论生学习量子力学时,他昭着地记起他的意见性问题从涵养那儿得到的回复,他把涵养们视为 “哥本哈根的代理东谈主”。他们建议他:“如若你让我方被这种琐事分神,你就长期拿不到博士学位,是以回到严肃的工作中去,作念出一些效能。换句话说,闭嘴,计较。”

似乎持不快乐见者濒临着严重的后果。20 世纪 70 年代早期,好意思国物理学家约翰・克劳泽(John Clauser)是量子力学实验测试的前驱,当他奋发寻找学术职位时,他心里很昭着原因。他认为我方冒犯了玻尔和哥本哈根流派所倡导的 “宗教”:“任何公开月旦以致讲求质疑这些基础的物理学家…… 立即被贴上‘江湖骗子’的标签。江湖骗子天然很难在这个行业中找到体面的工作。”

但梳理历史踪影会发现,对于默明和克劳泽的窘境有不同的解释。由于莫得可行的互补性替代决策,20 世纪 40 年代末编写第一批战后量子力学学生教科书的东谈主别无采用,只可呈现(时时是脱落的)玻尔表面的版块。玻尔的表面出了名地迂缓,而且时时难以结伙。对于该表面基础的毒手问题平素被忽视。对学生来说,学习若何应用表面比担忧其含义更进击。

一个进击的例外是好意思国物理学家大卫・玻姆(David Bohm)1951 年出书的《量子表面》(Quantum Theory)一书,其中对该表面的解说进行了平淡的接头,包括 EPR 挑战。但在其时,玻姆对峙玻尔的不雅点。

战后物理学的好意思国化意味着不爱重莫得现实效能的 “形而上学” 申辩。“得出数字” 的任务意味着莫得时期或意愿进行玻尔和爱因斯坦所热衷的那种无敬爱的接头。实用主义占了优势。物理学家饱读舞他们的学生采用可能为他们的学术糊口提供合适基础的议论课题,或者是那些能诱导潜在老板的课题,这些课题不包括量子基础议论。

这些发展共同产生了一种略有不同的正宗不雅念。在《科学改造的结构》(1962 年)中,好意思国形而上学家托马斯・库恩(Thomas Kuhn)将 “老例” 科学形色为科学家在主流 “范式” 配景下的日常解谜步履。这不错被解释为科学结伙所基于的基础框架。库恩认为,从事老例科学议论的东谈主员倾向于收受基础表面,而不质疑这些意见并在其范围内寻求科罚问题。唯独当毒手的问题聚积起来且情况变得无法隐忍时,范式才可能 “休养”,库恩将这个经过比作一场政事改造。

主流不雅点还界说了科学界将收受哪些问题为科学问题,以及饱读舞(和资助)议论东谈主员议论哪些问题。正如库恩在他的书中所承认的:“其他问题,包括好多以前的模范问题,被视为玄学问题、另一个学科的关注点,或者有时被认为太成问题而不值得破耗时期。” 库恩对于老例科学的不雅点不错应用于 “主流” 物理学。到 20 世纪 50 年代,物理学界对主流以外的基础问题广宽漠抵拒和。这些问题被认为属于形而上学课堂,而形而上学在物理学中莫得安身之地。默明的涵养们并非如他开端所想的是 “哥本哈根的代理东谈主”。正如他其后告诉我的,他的涵养们 “对结伙玻尔莫得兴味,况且认为爱因斯坦对 [量子力学] 的厌恶很愚蠢”。相背,他们 “只是对形而上学漠抵拒和。便是这么。量子力学是灵验的。为什么要记念它的含义呢?”

克劳泽更有可能是冒犯了主流物理学的正宗不雅念。他在 1972 年对量子力学进行的实验测试遭到了淡薄对待,或者更积极地被斥为垃圾科学或边际科学。毕竟,正如预期的那样,量子力学通过了克劳泽的测试,而且不错说莫得发现新的东西。克劳泽莫得赢得学术职位,不是因为他勇于挑战哥本哈根解说,而是因为他勇于挑战主流。正如一位同过其后告诉克劳泽的,他央求的一所大学的物理系成员 “认为通盘领域都有争议”。关联词,必须承认,哥本哈根解说的耐久别传也有一定的确切性。玻尔个性强势且专横。他但愿与量子表面概括相连,就像爱因斯坦与相对论概括相连一样。玻尔流派的物理学家收受互补性是这个问题的定论。其中最狠恶的是玻尔的 “斗牛犬” 莱昂・罗森菲尔德(Léon Rosenfeld)、沃尔夫冈・泡利(Wolfgang Pauli)和沃纳・海森堡(Werner Heisenberg),尽管他们对该解说的现实含义都有不同的看法。

他们如实试图打压敌手。法国物理学家路易・德布罗意(Louis de Broglie)的 “导波” 解说还原了因果关系和决定论,在这个表面中,确切粒子由确切波教训,但在 1927 年被泡利否决。大要 30 年后,好意思国物理学家休・埃弗雷特(Hugh Everett)的相对态或多寰宇解说被罗森菲尔德驳回,正如他其后形色的,是 “极其演叨的想法”。罗森菲尔德还补充说,埃弗雷特 “笨得无法刻画,连量子力学中最简单的东西都不懂”。

非正宗解说

然则,哥本哈根解说的别传起到了进击的作用。它引发了一个正本可能被忽视的议论标的。爱因斯坦很心爱玻姆的《量子表面》,并于 1951 年春天邀请他到普林斯顿碰头。他们的接头促使玻姆烧毁了玻尔的不雅点,进而再行提议了德布罗意的导波表面。

他还针对 EPR 挑战提议了一种替代决策,有望休养为现实实验。

被玻尔的迂缓性搞得困惑不已,又在学生教科书中找不到慰藉,同期受到玻姆的启发,爱尔兰物理学家约翰・贝尔(John Bell)启动反对哥本哈根解说,并于 1964 年在玻姆版块的 EPR 基础上发展出了如今知名的定理。假定纠缠粒子 A 和 B 是局域实在的,这会导致与量子力学预测不相容的落幕。这不再只是是形而上学家的问题,而是关乎确切的物理学。

克劳泽在哥伦比亚大学修读高级量子力学议论生课程时考了三次才通过,因为他的大脑 “有点抗拒学习这个”。他怪罪于玻尔和哥本哈根解说,其后找到了玻姆和贝尔,并在 1972 年景为第一个用纠缠光子对贝尔定理进行实验测试的东谈主。

法国物理学家阿兰・阿斯佩(Alain Aspect)相通奋发探寻 “数学背后的物理寰宇”,对互补性感到困惑(“玻尔的表面让东谈主无法结伙”),其后也找到了贝尔。1982 年,他进行了一项具有象征性的贝尔定理测试,在纠缠光子对飞行经过中改变测量其属性的仪器建树。这么就幸免了光子通过互相传递信息或影响来使自身产生关联,因为在它们相距太远之前,测量的性质尚未详情。扫数这些测试都赞助了量子力学和非局域性。

尽管更平淡的物理学界仍然认为测试量子力学是边际科学,大多是滥用时期,但揭示出一个此前未被怀疑的现象 —— 量子纠缠和非局域性 —— 并非如斯。阿斯佩的议论获利于好意思国物理学家理查德・费曼(Richard Feynman),他在 1981 年发表了我方版块的贝尔定理,并意想了建造量子计较机的可能性。1984 年,IBM 的查尔斯・贝内特(Charles Bennett)和加拿大蒙特利尔大学的吉尔斯・布拉萨德(Giles Brassard)提议将纠缠行为一种创新的量子密码学系统的基础。

东谈主们很容易认为这些发展最终使量子基础议论参预了主流物理学领域,使其变得受东谈主尊重。但事实并非如斯。据匡助创立量子信息科学偏激量子手艺出息的奥地利物理学家安东・塞林格(Anton Zeilinger)说,即使是从事量子信息议论的东谈主也认为基础议论 “不是正确的标的”。“咱们不解白原因。服气是心绪原因之类的,相称深脉络的原因,” 塞林格说。

通过将 2022 年诺贝尔物理学奖授予克劳泽、阿斯佩和塞林格,诺贝尔奖机构不一定就对基础议论变得友好。诺贝尔物理学委员会主席安德斯・伊尔贝克(Anders Irbäck)在驳倒该奖项时说:“越来越彰着的是,一种新式的量子手艺正在兴起。咱们不错看到,获奖者在纠缠态方面的工作相称进击,以致超越了对于量子力学解说的基本问题。” 或者更着实地说,他们的工作之是以进击,是因为少数持不快乐见者(如玻姆和贝尔)的奋发,他们准备欺压主流物理学的正宗不雅念,而他们将这种正宗不雅念视为耐久的别传。

从玻尔 - 爱因斯坦之争和纠缠之谜中得到的资历是:即使咱们准备承认这个别传,咱们仍然需要严慎。海尔布伦申饬不要松驰放弃:“你今天放弃的别传可能包含你来日需要的真谛。”

吉姆・巴戈特是南非开普敦的别称科学作者。他与约翰・海尔布伦合著了《量子戏剧》。

发布于:甘肃省




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