「量子不確定性」 從何而來？宇宙真的是“隨機”的嗎？

說到量子力學 就繞不開一個最讓人又愛又恨的概念 不確定性原理 它是量子力學區別於經典力學的核心特徵之一 也是最容易被誤解的原理之一 它看起來非常簡單 甚至比薛定諤方程或算幅矩陣要友好的多 不需要複雜的數學推導 幾乎人人都能談上幾句 但要真正理解它的含義 遠沒有看上去那麼容易 這點就像狹義相對論裏的智能方程 一等於mc平方 表面上看 誰都能背出來 也能隨口解釋一番 可一旦想深入理解 就必須跳出牛頓力學的思維框架 進入愛因斯坦的相對論世界 否則 就會陷入各種誤讀 量子不確定性原理同樣如此 它不僅僅是一個抽象的理論概念 更是量子世界與經典世界之間的分界線 它在量子糾纏檢測 誤差干擾關係等領域都有着重要應用 簡單來說 不確定性原理描述的是 某些物理量之間存在着 無法同時被精確測量的關係 特別是那些所謂非交換的物理量 它們之間總存在着一個測量範圍的限制 最經典的例子就是 我們無法同時確定粒子的位置和動量 或者更常聽到的說法是 你越想測準一個粒子的位置 它的動量就會越不確定 反之亦然 很多人因此得出了一個看似合理的解釋 我們測不準 是因爲測量本身會干擾粒子 比如 你想知道一個電子在哪裏 就得用光子去照它 爲了看得更清楚 你得用波長更短 能量更高的光 可這些高能光子一撞上電子 就會把它撞飛 導致它的動量變得更加不確定 於是 人們認爲 正是因爲我們在測量時干擾了電子 所以才測不準 這聽起來挺有道理 也確實是很多科普文的常見解釋 不過 這其實只是一種近似的 宏觀化的理解方式 真正的海森堡不確定性原理 並不只是說 我們技術不夠好 或者測量手段會干擾粒子 它揭示的是一種量子世界本身的基本性質 這種不確定性 是宇宙層面固有的 而不是實驗造成的 海森堡指出 在量子層面 有些物理量根本不可能被同時精確地確定 比如位置和動量 能量和時間 自旋和方向 角動量和角度 這些量之間 都存在着類似的不確定性關係 舉幾個例子 電子在原子中的位置和動量 測準一個 就會干擾另一個 光子的波長和能量 測準波長 就會讓能量變得模糊 粒子的自旋和方向 測準自旋 就失去了方向的確定性 甚至能量和時間之間 也存在着這種奇特的不確定關係 這意味着 在量子層面 我們永遠無法像在經典世界那樣 看清一切 不確定性原理告訴我們 宇宙在微觀尺度下 並不是精密可控的機器 而是一個充滿概率與波動的世界 它不僅改變了我們對物理的理解 也深刻影響了量子通信 量子計算等領域 比如 在量子密鑰分發中 正是利用這種不可避免的不確定性 來保證信息的安全性 而在量子計算中 量子比特的狀態 也往往不是確定的 而是通過概率疊加來進行計算 海森堡的不確定性原理 讓我們明白 有些不確定 不是因爲我們無能爲力 而是因爲自然界本身 就是這樣運作的 這或許是量子力學最令人着迷 也最讓人困惑的地方 或許我們發現的宇宙中 最奇特的屬性是 我們的物理現實 似乎並非由純粹的決定論法則支配 相反 在基本的量子層面上 物理定律僅僅是概率性的 你可以計算出 可能發生的實驗結果的概率 但只有通過測量相關物理量 才能真正確定你的系統 在某一時刻的狀態 此外 測量觀察某些物理量的行爲 本身會導致某些相關屬性的不確定性增加 物理學家稱之爲 共惡變量 儘管許多人提出 這種不確定性和不確定性 可能只是表象 可能是由於某些我們看不見的 真正具有決定性的隱藏變量造成的 但我們至今仍未找到 能夠成功預測任何量子結果的機制 那麼 空間固有的量子場 會不會是罪魁禍首呢? 會不會是量子真空 本身提供了某種必要條件 導致我們在試圖同時測量 那些無法同時精確知曉的物理量時 所感受到的量子不確定性 讓我們來看看宇宙對此有何回應 在量子物理學中 思考不確定性主要有兩種方式 一種是 我創建了一個具有這些特定屬性的系統 然後過一段時間後 我還能對這些屬性做出什麼判斷 對於某些屬性 例如穩定粒子的質量 粒子的電荷 原子機態束縛電子的能級等等 這些屬性將保持不變 只要量子粒子與其周圍環境之間 沒有進一步的相互作用 這些屬性就完全屬於已知範疇 不存在任何不確定性 但其他屬性則不太確定 將一個自由電子放置在空間中 一個精確已知的位置 過一段時間後 你再回來觀察時 電子的位置就無法確定了 描述其位置的波函數會隨時間擴散 如果你想知道一個不穩定的粒子 是否衰變了 你只能通過測量該粒子的屬性 來判斷它是否衰變 如果你問一個不穩定的粒子 發生放射性衰變後的質量是多少 你可以通過測量它衰變成的 每個粒子的能量和動量 來重建它的質量 你會得到一個略有不同的答案 這個答案會因時間而異 並且會因粒子的壽命而變得不確定 這是一種因時間演化而產生的不確定性 因爲現實的量子特性決定了 某些屬性只能被精確地瞭解 隨着時間的推移 這種不確定性會傳播到未來 導致物理狀態無法被任意精確地確定 但不確定性還有另一種產生方式 某些量對 即共惡變量 之間存在着某種關聯 對其中一個量了解得越精確 對另一個量了解得就越少 這直接源於海森堡不確定性原理 並且在各種情況下都會出現 最常見的粒子是位置和動量之間的關係 你對粒子位置的測量越精確 你就越難以確定它的動量 及它的運動速度和方向 如果你思考一下位置測量是如何進行的 這一點就很容易理解了 通過栽培測粒子與另一個量子 無論是否具有靜止質量 之間產生量子相互作用來實現 無論哪種方式 都可以給粒子賦予一個波長 能量越高的粒子波長越短 因此能夠更精確地測量位置 但是 如果你通過使一個量子粒子 與另一個量子粒子相互作用來激發它 它們之間就會發生動量交換 相互作用粒子的能量越大 其波長越短 從而更容易確定其位置 但也會導致傳遞給該粒子的能量和動量越大 進而導致其動量的不確定性越大 你或許會認爲你可以用一些巧妙的方法來作弊 例如測量你用來確定粒子位置的 出射粒子的動量 但可惜的是 這樣的嘗試並不能解決問題 存在一個始終保持不變的最小不確定性 你對這兩個量的不確定性的成績 必須始終大於或等於一個特定值 無論你如何精確地測量 參與這些相互作用的每個粒子的位置和或動量 它們的不確定性成績始終大於或等於 優化普朗克常數的一半 並非只有位置和動量才具有這種不確定性關係 還有許多其他物理量也體現了這種不確定性關係 這些物理量包括方向和角動量 能量和時間 粒子在相互垂直方向上的自旋 電勢和自由電荷 磁勢和自由電流 以及其他許多物理量 我們生活在一個量子宇宙中 這是不爭的事實 因此 直覺上 我們自然會問 是否存在某種隱藏變量支撐着所有這些量子怪異現象 畢竟 許多人都在思考 這種不確定性是不可避免的量子概念 是自然界固有的屬性 還是存在某種我們尚未發現的潛在原因 後一種方法 爲歷史上許多偉大的思想家所青睞 通常被稱爲隱藏變量假設 我喜歡這樣想象隱變量 宇宙及其所有粒子彷彿置於一個快速 混沌振動的平板之上 而平板的振幅被調至最低 當你從宏觀尺度觀察宇宙時 你根本無法察覺這種振動的影響 宇宙的背景 所有粒子存在的環境 看起來穩定 恆定 且毫無波動 但當你將目光投向越來越小的尺度時 你會注意到量子特性的存在 物理量確實會波動 事物不會始終保持絕對穩定不變 而且 你越是執着於確定某個特定的量子特性 就越會發現與其相關的貢額量存在更大的不確定性 基於量子場瀰漫於整個空間 甚至完全空無一物的空間這一事實 你可以很容易地想象 這些底層場本身就是一切的根源 我們所看到的這種不確定性 或許正是量子真空的結果 鑑於量子不確定性 已根植於我們對粒子合場的基本理解之中 因此 這種觀點絕非輕易就能被排除 所有有效的量子力學和量子場論公式 都包含了量子不確定性 而且是在根本層面上包含 而非事後臨時添加 事實上 我們甚至不知道如何利用量子場論 來計算每種基本力對量子真空的總體貢獻 我們只能通過對暗能量的測量來得知總貢獻值 當我們嘗試進行此類計算時 得到的答案毫無意義 根本無法提供任何有意義的信息 但是 如果認爲底層空間本身的漲落 導致了我們觀測到的量子不確定性和波包擴散 那麼有些信息就難以解釋 例如 考慮一下 當你取一個具有固有角動量的量子粒子 讓它在空間中運動 並對其施加磁場時會發生什麼 該粒子會發生正向或負向偏轉 偏轉量取決於你施加的磁場方向 以及該粒子的自旋方向是正向還是負向 偏轉方向與磁場方向相同 現在 嘗試施加一個方向垂直的磁場 你已經確定了粒子在某個特定方向上的自旋方向 那麼你認爲 如果將磁場方向改爲垂直方向會發生什麼 答案是粒子會再次發生偏轉 偏轉方向與磁場方向一致或相反的概率各佔50% 但這並非重點 重點在於 施加這個額外的垂直磁場 實際上破壞了你之前通過施加第一個磁場所獲得的信息 如果你在施加與實驗第一部分中施加的相同的場 即使這些粒子之前都是正向的 它們的自旋也會再次變得隨機 50%以上同向 50%以上反向 如果假設量子真空本身是量子不確定性的全部根源 那麼很難理解這個現象 在這種情況下 粒子的行爲取決於你施加在其上的外部場 以及它隨後經歷的相互作用 而不是它所穿過的空曠空間的性質 如果你從上述裝置中移除第二個磁鐵 那個與第一個和第三個磁鐵垂直的磁鐵 那麼當粒子到達第三個磁鐵時 它的自旋就不會存在不確定性 根據這個實驗的結果 很難理解空曠空間本身 或者如果你願意的話 也可以稱之爲量子真空 是如何導致量子不確定性的 決定量子不確定性如何出現的 是量子系統經歷的相互作用或缺乏相互作用 而不是瀰漫於整個空間的場的任何固有屬性 不管你喜不喜歡 你所觀察到的事物的真實性 取決於你觀察它的方式以及你是否觀察它 你得到的實驗結果之所以不同 僅僅是因爲你的測量設備的具體情況不同 迄今爲止 沒有任何關於引變量的理論 能夠提供任何實驗或觀測證據 證明存在一個獨立於我們測量之外的 潛在的客觀現實 許多人懷疑存在這樣的現實 但這僅僅基於直覺和哲學推理 而這兩者都不能作爲科學上有效的論據來得出任何結論 但這並不意味着人們不應該繼續構建此類理論 或者嘗試設計能夠揭示或排除引變量存在的實驗 這正是科學進步的途徑之一 但到目前爲止 所有此類理論的構建都僅僅限制或否定了特定類型的引變量理論 存在引變量 並且它們都編碼在量子真空中這種觀點仍然無法被排除 但如果讓我預測下一步的研究方向 我會指出 在引力理論中也存在共額變量 引力式和質量密度 如果電磁學的類比成立 那就意味着我們也可以推導出引力的不確定性關係 引力本質上是一種量子力碼 或許有一天 我們能夠通過實驗確定引力是否存在這種量子不確定性 如果答案是肯定的 我們就找到了答案 在我們日常生活中 一切似乎都按部就班 樹木隨四季更替生長 人們的生活遵循着既定的規律 我們習慣了這種看似穩定和可預測的現實 然而 在物理學家的眼中 現實卻有着截然不同的面貌 儘管我們在日常生活中感覺自己是靜止的 但實際上我們正隨着地球以驚人的速度圍繞太陽旋轉 我們一直認爲自己是堅實的存在 但實際上身體的大部分是近乎虛無的 甚至 我們所感知的時間流逝 也可能並非我們所認爲的那樣是絕對的 而或許只是一種幻覺 這些看似違背常理的觀點 正皆是這現實世界中隱藏在表象之下的奧祕 位於芝加哥郊外的費米實驗室 是高能物理研究的重要場所 這裏擁有美國最大的照電子福特加速器 在這個實驗室的質子 反質子對撞機中 質子和反質子在地面以下十米深處 以每秒千萬次的極高頻率發生着激烈碰撞 在這條長達六公里 被超到磁鐵包圍的真空環形管道里 兩個亞原子粒子以接近光速的速度相撞 科學家們期望從這些撞機產生的碎片中 找尋到現實的基本構成 那些極小且不可破壞的基本粒子 人類對微觀世界的認識是一個不斷深入的過程 最初原子被視爲基本粒子 但當實驗學家首次對原子進行撞機實驗時 發現原子內部還有更小的組成部分 即電子、中子和質子 隨後當他們試圖進一步撞擊質子時 新的難題出現了 這些微小粒子需要極高的能量才能被分解 這就需要建造更爲強大的機器 然而在這衆多的粒子中 哪一個纔是真正的基本粒子呢? 理論學家們將這些新粒子歸納爲由更基本的單元構成 並提出了夸克的概念 夸克被描述爲六種 上和下夸克 其和、內夸克 以及底和頂夸克 其中頂夸克作爲六種夸克中最重的一種 其尋找過程充滿了巨大的挑戰 爲了捕捉到頂夸克的蹤跡 科學家們決定建造更爲強大的粒子加速器 頂夸克即便存在 其存在時間也極爲短暫 最多不超過百萬分之一秒 這意味着 爲了探測到頂夸克 科學家們需要進行數以兆計的粒子碰撞 才能從其中篩選出那極其微小的幾次夸克產生的跡象 經過多年的不懈努力 科學家們終於成功地發現了頂夸克 但新的問題又隨之而來 夸克究竟是由什麼構成的呢? 雙縫實驗則爲我們揭示了現實世界中 諸多令人費解的矛盾 這個實驗的裝置看似簡單 只需要激光、雙縫裝置和顯示屏 然而 實驗的結果卻讓人大爲困惑 在實驗中 每次只發射一個光子穿過縫隙 但最終形成的圖像並不是我們所預期的兩條清晰的線 而是三道條紋 物理學家對此的解釋是 光子是以波動的形式存在的 經過雙縫後會形成明暗相間的干涉條紋 但矛盾的地方在於 單個粒子怎麼能夠形成波動條紋呢? 這似乎意味着一個光子能夠以某種方式分裂成兩個 進而通過兩道縫隙 這無疑對我們所理解的自然法則構成了挑戰 進一步的實驗發現 不僅僅是光子 連原子核和分子也展現出了類似的奇異行爲 那麼 爲什麼我們不直接觀察量子現實呢? 然而 事情遠比我們想象的要更加複雜和神祕 如果在縫隙旁邊放置檢測器 光子的神祕行爲就會消失 它會表現得如同一顆子彈般直接穿過縫隙 而一旦移除檢測器 那神祕的多條紋現象又會再次出現 這一現象令人震驚 似乎我們的觀察行爲能夠改變現實的模式 在人類對世界的探索中 物理學的研究不斷推動着我們對現實本質的理解 從宏觀到微觀 從熟悉的日常現象到神祕的量子世界 每一個新的發現都在挑戰着我們的認知 也激勵着我們不斷前行 去揭示更多關於這個世界的奧祕 宇宙是隻包含一切物質、能量和空間的總體 也就是說 宇宙包括了所有的星星、行星、星系、恆星、行星等等 這個總體是有大小的 它的尺寸是有限的 因此從這個角度來看 宇宙是有邊界的 但是這個邊界並不是我們平常所理解的邊界 而是一個抽象的概念 有些人認爲宇宙的邊界是不存在的 因爲宇宙是一個無限大的空間 它沒有明確的界限 這個觀點認爲宇宙是無限的 沒有起點也沒有終點 因此也就沒有邊界 但是這個觀點並沒有被科學家所認可 因爲宇宙雖然很大 但它是有限的 另外一些人認爲 宇宙的邊界是存在的 他們認爲宇宙是一個封閉的系統 所有物質和能量都被包含在宇宙的範圍內 這個觀點認爲 宇宙有一個明確的邊界 這個邊界就是宇宙的邊緣 但是這個觀點也面臨着一些問題 比如說宇宙的邊緣在哪裏 我們能否到達那裏 在探索宇宙的過程中 我們不僅發現了它的結構和性質 還發現了它的起源和演化 科學家們通過觀測 實驗和理論計算等多種方法 逐漸揭開了宇宙的神祕面紗 現在我們已經知道 宇宙是在大約138億年前的一次大爆炸中形成的 在此之後 宇宙開始不斷地擴張和冷卻 逐漸形成了我們現在所看到的宇宙鏡像 在宇宙學研究中 時空區域是一個核心概念 它描述了引力場對時空結構的影響 爲我們理解宇宙提供了重要的視角 時空區域是指引力場作用下時空結構的彎曲 它與平面集合不同 不再是由直線和角度組成的平面 而是由曲線和曲面組成的流行 時空區域的大小由物質分佈和能量流動決定 反映了引力場對時空的影響 愛因斯坦的廣義相對論認爲 物質和能量會導致時空彎曲 這種彎曲又會導致物質和能量的運動 因此 時空區域是宇宙中物質和能量相互作用的宏觀表現 廣義相對論是解釋時空區域的重要理論工具 該理論認爲 物質和能量會導致時空彎曲 這種彎曲又會導致物質和能量的運動 因此 引力場不是一種力 而是時空區域的體現 同時 廣義相對論預言了引力波的存在 即時空區域的波動 引力波的探測對於驗證廣義相對論的預測 以及研究宇宙中的天體現象具有重要意義 時空區域的實驗研究主要包括衛星測量 射電望遠近觀測等 衛星測量通過精確測量地球引力的變化 進而計算出地球質量分佈物對時空區域的影響 射電望遠近觀測則通過觀察遙遠天體的射電信號 分析其受到的引力影響 這些研究都表明了時空區域與引力場之間的密切關係 以及對宇宙結構和天體現象的重要影響 愛因斯坦並不認爲我們所生存的這個宇宙是一個平坦的宇宙 反而他認爲我們所生存的這個時空是可以彎曲的時空 他也曾經多次提出過這樣一種概念 他認爲我們所生存的這個世界是一個有界無邊的宇宙 這就好比把一隻螞蟻放到一個足球上一樣 那麼大家認爲在螞蟻的世界觀裏 它們會認爲自己所生存的足球是一個有邊界的足球嗎 它們當然不會感受到 螞蟻如果朝着某一個方向一直往前走的話 在未來的某一天終究會回到最初的起點 而我們人類同樣也是如此 在未來的某一天 如果科技發達了 人類可以實現遠距離的星際航行 那麼人類到了那個時候 如果同樣也是朝着宇宙的某一個方向一直往前走的話 那麼在未來的某一刻同樣也會回到最初起始的位置 可能有些人會認爲愛因斯坦所提出的這個有界無邊的理論並沒有被證實 只是它對於宇宙的一種假想概念 但是大家還記得曾經在百年以前愛因斯坦預測黑洞的存在嗎 他通過方程式計算出黑洞這個天體存在於宇宙 直到2019年4月10日才被人類首次拍攝出來 所以愛因斯坦的推測並不是憑空想象的 它爲我們人類探索宇宙指明瞭一條道路 所以宇宙加速膨脹理論和宇宙有界無邊的趨勢 導致我們人類可能永遠都沒有辦法探測到宇宙的邊界 這兩種理論也是阻礙人類尋找宇宙邊界的兩塊半角石 超過465億光年之外的天體 它們的膨脹速度已經超過了光速 這也就導致了465億光年之外的天體 它們的光線根本沒有辦法投射到我們地球上 因此我們人類也沒有辦法觀測到它們 當然有關宇宙邊界之外的世界是什麼樣子的 還有另外一種假想理論 它就是平行宇宙理論 平行宇宙假說最早是由美國物理學家修埃富里特在1957年提出的 他認爲在我們的宇宙之外存在着許多其他的宇宙 這些宇宙可能與我們的宇宙相互作用 也可能彼此獨立存在 這些宇宙的數量可能是無限的 也可能會有限但非常龐大 平行宇宙假說的理論依據主要是量子力學 在量子力學中 粒子在某些情況下可以同時處於多個位置 這種現象被稱爲量子疊加態 埃富里特認爲 這種量子疊加態可能並不是我們宇宙中的一種特殊現象 而是所有宇宙中都存在的普遍現象 廣義相對論是描述引力作用的理論 在廣義相對論中 引力被解釋爲時空的彎曲 埃富里特認爲 這種彎曲可能並不是我們宇宙中的一種特殊現象 而是所有宇宙中都存在的普遍現象 雙縫實驗是支持平行宇宙假說的一個著名實驗 在這個實驗中 光通過兩個平行排列的狹縫時 會產生干涉現象 如果將探測器放置在其中一個狹縫後面 光就會變得不確定 及同時穿過兩個狹縫 產生干涉現象 這種現象被稱爲量子不確定性 埃富里特認爲 這種不確定性可能並不是我們宇宙中的一種特殊現象 而是所有宇宙中都存在的普遍現象 量子糾纏是描述兩個或多個粒子之間的一種特殊關係 當兩個粒子處於糾纏態時 它們的狀態是相互關聯的 即使它們之間相隔很遠 這種關係仍然存在 埃富里特認爲 這種糾纏關係可能並不是我們宇宙中的一種特殊現象 而是所有宇宙中都存在的普遍現象 平行宇宙假說在物理學界仍然存在一定的爭議 一些物理學家認爲 這個假說過於複雜和難以驗證 缺乏足夠的實驗數據支持 然而 隨着量子力學和廣義相對論等理論的不斷發展 越來越多的物理學家開始關注平行宇宙假說 並嘗試通過實驗驗證其真實性 平行宇宙假說是一個充滿未知和挑戰的領域 隨着物理學理論的不斷發展和實驗技術的進步 我們有望在未來獲得更多的證據和支持 更好地理解宇宙的本質和結構 也許量子世界的不確定並不是混亂或錯誤 而是宇宙以另一種語言告訴我們 世界本就不是確定的 當我們凝視電子的位置 它才現現 當我們試圖理解宇宙的秩序 它又會以隨機 或許真正的謎團不在粒子裏 而在我們如何看待現實 那麼你認爲這世界的根本是隨機 還是隱藏着某種更深的秩序