你不看月亮的时候,月亮真的存在吗?正常人都会说,这不是废话吗?但2022年
诺贝尔物理学奖告诉全世界:对不起,常识是错的。
他们的实验证明了一个足以让整个人类文明失眠的真相:局域实在论是错的。简单来说,物体在被观察之前根本没有确定的状态。
苹果不是因为它是红的才被你看到,而是因为你看了它,它才被迫变成了红色。这种现象就是让爱因斯坦直呼见鬼的量子纠缠。如果现实世界是不确定的,那我们到底活在什么地方?今天我们就来聊聊到底什么是量子纠缠?为什么爱因斯坦至死不接受它?
2022年诺贝尔奖到底证明了什么?以及那个让人不寒而栗的问题:这个世界真的存在吗?
1935年,爱因斯坦和两位同事发表了一篇论文,提出了著名的EPR悖论。他想证明量子力学是个半成品,一定漏掉了什么关键因素。
论文描述了一种诡异现象,两个粒子可以处于奇怪的关联状态,当你测量其中一个粒子,另一个粒子的对应属性会瞬间确定,不是光速,是同时,无论相隔多远,北京到纽约,地球到月球,瞬间同步。
爱因斯坦称之为幽灵般的超距作用,他不是觉得现象是假的,而是无法接受量子力学的解释。量子力学说粒子在被测量之前根本没有确定状态,观测的那一刻他才选择一个状态。
爱因斯坦觉得这是胡说八道,他的解释很简单,就像两只手套,一只左手,一只右手,分别装进盒子,寄到世界两端,你打开盒子发现是左手,手套立刻就知道另一个是右手。这不是超距作用,只是信息的揭示。
手套在打开之前就已经确定了,只是你不知道而已。爱因斯坦认为粒子也一样,一定有某些隐藏变量没被发现,找到它们,世界就能恢复正常。
但量子力学另一派领袖波尔完全不同意。不是我们不知道粒子状态,而是粒子在观测前压根不存在确定状态,观测本身创造了结果。这不是计算方法的分歧,是关于现实本质的根本对立。
爱因斯坦实在论世界客观存在,无论你看不看,月亮都在那里。波尔反实在论世界是被观测创造的,观测前问是什么状态毫无意义。这场争论持续几十年,被称为物理学史上最伟大的辩论。焦点就是那个幽灵量子纠缠。
20世纪初,物理学经历两场革命,相对论爱因斯坦主导,和量子力学波尔、海森堡、薛定谔等人共同建立。有趣的是,爱因斯坦对量子力学有贡献,他提出的光量子概念是奠基石之一,还因此获得诺贝尔奖。
但他越研究越觉得不对劲。量子力学说,粒子可以同时处于多个状态,既在这里又在那里,既是波又是粒子,只有观测时才坍缩成确定状态。爱因斯坦无法接受,他说上帝不掷骰子。
从1927年开始,两人在物理学会议上反复交锋,模式总是爱因斯坦设计精妙的思想实验攻击量子力学,波尔彻夜思考后找到反驳。一次又一次,爱因斯坦进攻,波尔防守。这场辩论持续近30年。
1955年,爱因斯坦去世,仍不接受量子力学的解释。问题在于,双方争论始终停留在哲学层面,无法设计实验判定谁对谁错。就像争论对方是不是真的爱我,双方都有理由,但谁也给不出最终答案。
这个僵局持续了30年,直到1964年,一个叫约翰·贝尔的物理学家发表了几页纸的论文,改变了一切。
用最直白的话解释量子纠缠。想象两个色子,正常色子各扔各的结果完全独立。但量子纠缠色子不一样。无论分开多远,当你扔一个得到某个数字,另一个一定给出对应数字。
比如,两个结果永远加起来等于7,你扔出2,另一个必是5,每次都这样,绝不出错。
你可能说,也许骰子出场时就设定好了,但诡异之处在于,结果不是提前设定的,而是扔的那一刻才产生。扔之前,色子处于叠加态,同时是1 2 3 4 5 6的混合。
更诡异的是,两个色子可能相隔1万公里,你在北京扔出2,同一瞬间不是光速传递,是真正的。同时,纽约的骰子确定为5,就像他们之间有心灵感应,没有任何信号传递,就是同时确定了总时直立。
回到真实物理学科学家可以制造一对纠缠光子,他们的偏振方向,光子振动的方向是关联的。测量一个是水平,另一个瞬间确定为垂直,无论相隔多远。这个现象已被无数实验验证。
争论焦点不是存不存在,而是怎么解释。爱因斯坦光子早就商量好了有引变量在起作用,波尔测量本身创造了结果。关联是量子力学的固有特性。两种解释当时都说得通,所以争论持续了30年,无人能给出最终裁决。
1964年,约翰·贝尔发表了一篇只有几页纸的论文,没有复杂实验,没有昂贵设备,只有数学推导。但就是这几页纸,彻底改变了游戏规则。
贝尔做了所有人认为不可能的事,找到一种方法,用实验区分爱因斯坦和波尔谁对谁错。他的思路是,如果爱因斯坦是对的,粒子有引变量,那么测量结果必须满足某种数学关系。
贝尔不等式符合贝尔不等式,爱因斯坦赢,引变量存在,世界是确定的。违反贝尔不等式,布尔银量子纠缠是真实的,幽灵存在。这是革命性的突破,第一次把哲学争论变成了可检验的科学问题。
接下来就是做实验。1972年,克劳泽做了第一个严格实验,结果违反不等式,波尔赢了,但实验有漏洞。
1982年,阿斯佩做了更精密的实验,在光子飞行途中随机改变测量方向,排除任何隐蔽通信的可能,结果仍然违反,波尔又赢了。
2015年,荷兰戴尔福特理工大学做了无漏洞贝尔实验,堵死所有已知漏洞,结果还是违反波尔三连胜。
2022年,诺贝尔物理学奖颁给了阿斯佩·克劳泽和赛琳格。为这场世纪争论盖棺定论,爱因斯坦错了,幽灵是真的,所谓世界不存在,到底什么意思?严格说,诺贝尔奖证明的是局域实在论是错的。
什么是局域实在论?两部分:实在论,物体有客观确定的属性,不依赖观测。月亮没人看也在那里。局域性,任何影响都不能超光速,纽约的事不可能瞬间影响北京。这两条合起来就是我们从出生起默认为真的世界观。
而贝尔实验证明这个世界观是错的。错在哪两种可能?
第一种,放弃实在论。粒子在观测前没有确定属性,观测本身创造现实。这是主流的哥本哈根诠释。
第二种,放弃局域性。粒子有确定属性,但存在超光速联系,代价是和相对论冲突。主流物理学界选择第一种,放弃实在论,更干净。所以,世界不存在的准确表述是经典意义上独立于观测的客观世界不存在。
在量子层面,现实是被观测塑造出来的。但必须澄清两个误解。
误解一,不看房子,房子就消失?
不会。量子效应发生在微观尺度,宏观物体有10的28次方个原子退相干过程会把量子效应抹平。你的房子不会因为你不看就消失。
误解二,人类意识创造现实也不是观测,是技术术语指量子系统与环境的相互作用。石头探测器都能当观测者,和意识无关。用量子力学推销玄学的,基本都是胡扯。但即便有这些限定,结论仍然震撼。
在最基本的层面,世界不是确定的客观的实体,而是一片可能性的海洋,只有当相互作用发生,确定的现实才浮现出来。
这不是科幻,是科学。你可能会说,这些都是微观世界的事,和我有什么关系?量子力学能帮我还房贷吗?不能,但它可能改变你看世界的方式。
第一,认知上的谦卑。人类靠直觉理解世界,而直觉来自日常经验。我们的日常经验发生在宏观尺度,所以直觉只适用于宏观世界。但量子世界的规则和宏观世界完全相反。这说明什么?
人类的认知是有边界的,我们觉得理所当然的东西,可能只是我们碰巧生活在这个尺度的产物,常识在更深的层面上可能是错的。
这种谦卑也适用于生活。你认为理所当然的社会规则、人生道路、价值判断,可能只是你碰巧生活的这个时代、这个文化的产物,不是宇宙真理。
第二,学会与不确定性共处。爱因斯坦渴望一个确定的、可预测的宇宙。他说上帝不掷骰子,但量子力学说,不好意思,上帝掷的还挺欢。
不确定性不是因为我们无知,而是宇宙的底层代码。我们都渴望确定性,稳定的工作,可预期的未来,可控的关系。
但如果不确定性是宇宙的本质,这种渴望从一开始就是幻觉。真正的智慧也许不是消除不确定性,而是学会和它共处。在不确定的海上学会冲浪,而不是造一堵墙。
第三,你是参与者,不是旁观者。经典物理学里,观察者是被动的,你只是在看一个独立于你的世界。但量子力学里,观察者是主动的,你的观测参与塑造了结果。这不能直接套用到生活上,但它是个有趣的隐喻。
你的选择,你的注意力,你的行动都在塑造你的现实。你不是人生的观众,你是导演。
第四,技术革命正在发生。量子纠缠不只是哲学话题,它正在催生颠覆性技术。量子计算机某些问题,传统计算机算几万年,量子计算机几分钟搞定。
量子通信理论上绝对安全,任何窃听都会被发现。量子加密真正无法破解的密码。2022年诺贝尔奖颁给这个领域,正是因为它既有理论深度,又有巨大应用潜力。
回到开头的问题,这个世界真的存在吗?
量子力学的回答让人不安。世界不是一个独立于观察者的客观实体,它更像是一片可能性的海洋。只有当观测发生时,某种确定的现实才浮现出来。这个结论被爱因斯坦抵抗了30年,被物理学界争论了近一个世纪。
2022年诺贝尔奖是最终裁决爱因斯坦错了。道德经》开篇说道,可道,非常道,真正的道无法用语言完全描述。量子力学似乎在用现代科学的语言呼应这个古老智慧。
现实的本质比我们的语言和直觉所能捕捉的要奇异的多。我们日常使用的概念、存在、位置确定,都只是宏观世界的近似,不是最终真相。
但这不是虚无主义。量子力学不是说什么都不存在,而是说存在的方式和我们以为的不一样。理解这一点,你会对这个宇宙多一份敬畏。
那些我们自以为理解的可能只是冰山一角,那些我们觉得不可能的,可能只是认知的局限。保持好奇,保持谦卑,保持对未知的开放。