量子热学不是尼克斯科学,但它很有可能替代鹈鹕科学,成为一个令人难以理解的物理困局。量子热学出了名的令人无法理解,它遵守直觉又看上去毫无意义。科普报导总是将它描述为“奇怪的”、“怪异的”、“令人无法置信的”或以上所有特性。
但是,我们并不那么觉得,量子热学是完全可以理解的。只是化学学家在半个世纪前舍弃了惟一的理解方式。时至今日量子和粒子物理学何以解释一切,数学学的基础理论几乎停滞不前。当初没能解决的重大问题明天依然悬而未决。我们始终不晓得暗物质是哪些,我们依然没有解决爱因斯坦引力理论和粒子化学标准模型之间的分歧,我们一直不了解量子热学中检测意味着哪些。
我们如何能够克服这种困局?是时侯重新考量一个已经被遗忘的解决方案:超决定论(),即宇宙中没有哪两个部份是真正互相独立的。这个方案让我们对量子检测有了数学上的理解,并有望借以改进量子理论。修正量子理论将成为化学学家们努力解决数学学中其他问题和找寻量子技术新应用的驱动器。
量子热学无处不在
到目前为止,化学学家和哲学家都觉得,有缺点的不是量子热学,而是我们对它的理解。因而,对量子热学的理解可以侧重在其物理的重新解释里面,希望问题最终能否取得突破。但突破还没有出现,由于量子热学的每一种解释都存在问题,她们都不是完全自洽的,只有更好的理论能够解决那些问题。量子热学不可能是自然界运行的最基本的规则,我们要赶超它才行。
问题是,没有人晓得为何当人们企图检测量子效应时,量子效应会消失。
公正地说,责怪量子热学的缺点并为此要求完全代替它的其他理论,是对一个这么成功和精确的理论的最大羞辱。我们必须指出的是,无论量子热学奇怪与否,它都早已存在了超过100年,它完成了好多了不起的工作并帮助相信它的化学学家博得了大量奖金。
没有量子热学,我们就没有激光,就没有半导体和晶体管,就没有计算机、数码单反和触摸屏。我们不会有载流子磁共振,电子隧洞显微镜和原子钟。我们也不会拥有基于所有那些技术的无数应用程序中的任何一个。我们没有Wi-Fi,没有人工智能,没有LED,现代医学基本上也会不复存在,由于现今大多数成像工具和剖析方式都依赖于量子热学。最后但也很重要的是,量子计算机不会出现。
因而,毫无疑惑,量子热学与社会息息相关。同理,毫无疑惑,更好地理解它可以获得更多成果和进步。
没有人理解量子热学
这么,为何连知名的化学学家都一再申明量子热学是难以理解的呢?
量子热学的核心概念是波函数。在量子热学中,一切都是由波函数描述的。波函数是形容基本粒子的,而基本粒子又组成了一切,所以一切事物都是由波函数来形容。所以有电子的波函数,原子的波函数,猫的波函数等等。严格地说,一切事物都有量子行为,只是在日常生活中大多数量子行为是观测不到的。
问题是,没有人晓得为何当人们企图检测量子效应时,量子效应会消失。自从化学学家们提出量子热学以来,这个“测量问题”就始终困惑着她们。部份谜团都已得到了解决,但对这一部份的理解仍不令人满意。
隐变量:掷色子的结果是难以预测的,由于它对细节(比如手的动作)敏感。因为这部份信息未知,因而对于实际目的,掷色子是随机的。这是怎样理解量子热学的方式。倘若缺乏信息,则可以进行量子检测的结果。
为了了解这个问题,假定你有一个粒子和两个侦测器,一个在左侧,一个在左边。若果将粒子向左发送,则左检查器会发出滴答声。若果将粒子往右发送,则右检查器会发出嘶嘶声。但在量子热学中,你可以做的不止这种:你可以让一个粒子同时处于两种状态。比如,你可以通过分束器(beam-)发射粒子,这样以后它就可以既向左运动又往右运动。化学学家说粒子是左右“叠加”的。
并且你从来没有观测到过一个处于叠加态的粒子。对于这样的叠加态,波函数并不会告诉你一定会检测到哪些,你只能预测你检测结果的机率。假定它预测到向左的机率是50%,往右的机率也是50%。这样的预测对于一组粒子或一系列重复检测是有意义的,但对于单个粒子却没有意义。侦测器要么发出咔嗒声,要么不发出咔嗒声。
物理上,“发出咔嚓声或不发出咔嚓声”要求我们在检测顿时改变它的波函数,这样在检测以后,粒子在确实测量到它的侦测器中百分之百地存在。
量子热学不可能是自然界运行的最基本的规则,我们要赶超它才行。
这些改变(亦称为波函数的“塌缩”)是瞬时的,它在任何地方都同时发生。这显然与爱因斯坦的光速是信息传播速率的极限相冲突。但是,观测者不能借助这一点来发送比光还快的信息,由于观测者难以控制检测结果是哪些。
事实上,检测更新的同时性并不是主要问题。主要的问题是,假如量子热学像大多数化学学家所相信的那样是一种基本理论,这么检测更新应当是多余的。虽然,侦测器也是由基本粒子组成的,所以我们应当才能估算出在检测中发生了哪些。
不幸的是,我们除了不晓得怎么估算侦测器被粒子击中时的行为,除非我们只是假定检测会造成波函数的突变,更糟的是,我们晓得这是不可能发生的。
我们晓得,假如没有波函数的塌缩,就不可能正确地描述量子检测,由于检测过程比不观察波函数时的行为更复杂。检测过程的主要作用是去除可检测结果的叠加性。相反,一个没有被检测的波函数就会处于叠加态,这根本不是我们观察到的结果。我们从来没有碰到过同时发出嘶嘶声和不发出嘶嘶声的侦测器。
这在方式上意味着,尽管量子热学是线性的(保持叠加),但检测过程是“非线性的”,它属于比量子热学更复杂的一类理论。这是改进量子热学的一条重要线索,但几乎完全没有人注意到。
相反,有些化学学家觉得波函数并没有描述单个粒子的行为,进而扫除了量子检测的困局。她们觉得波函数描述的不是粒子本身,而是观察者对粒子行为的了解。当我们进行检测时,这种知识应当得到更新。但关于这种知识是哪些,你不应当问。
但是,这些解释并不能去除这样一个问题:假若量子热学是基本的,这么我们应当才能估算出在检测过程中发生了哪些。“观察者”所得到的“知识”也应适用于宏观对象,其行为起码在原则上应当可以从基本粒子的行为中导入。并且,我们晓得这是不可能的,由于检测过程不是线性的。一个人不能通过重新解释物理来解决矛盾,只能通过纠正物理来解决。
一种可能的解决方式
解决这个困局只有两条路。一是反对还原论,承认宏观物体的行为不能从其组成部份的行为中推演下来,甚至在原则上也不能。
拒绝还原论在哲学屋内很流行,但在科学屋内却十分不受欢迎,但是理由充分。还原论早已取得了明显的成功,并在经验上得到了挺好的否认。更重要的是,从来没有人提出过一个一致的、非还原论的自然理论。而舍弃还原论而不提出更好的解释除了毫无益处,并且反科学的。这无助于我们取得进展。
另一个合乎逻辑的解决方案是,量子热学并不是一个基本理论,它只是对更深层现实的一瞥。
假如量子热学不是一个基本理论,这么我们不能预检测子检测结果的诱因仅仅是我们缺少信息。为此,量子随机性和掷色子的随机性没有区别。
普遍关联性,这个概念的特点,并没有在基本粒子的层次上突显下来。
掷色子的结果在原则上是可以预测的。但它在实践中是不可预测的,由于它对最微小的扰动都十分敏感,例如你的手的精确运动,磨具形状的缺陷,或则它滚动表面的粗糙度。因为这是我们没有的信息(或则虽然我们有,也难以估算),掷色子在所有实际应用中都是随机的。我们最好的预测是,当我们对未知的、确切的细节进行平均时,任何一面出现的机率是1/6。
这是我们理解量子热学的一种形式。检测结果原则上可以预测,只是我们缺乏信息。波函数本身并不是对单个粒子的描述,检测结果只是一个平均值。这就解释了为何量子热学只做机率预测。似乎潜在的新理论可以重现量子力学的预测,但假如我们有这个理论,我们也可以辨认出在什么情况下我们应当见到偏离量子热学的现象。
这个观点得到了这样一个事实的支持,即描述波函数行为的经验性确定性的等式几乎与化学学家拿来描述大量粒子而不是单个粒子行为的等式相同。
历史上,这些理解量子热学的方式被称为“隐变量理论()”,“隐变量”在这儿是所有未知信息的集合,假如我们有了它,量子检测的结果将可以被确切预测。
数学学走在错误的公路上吗?
须要指出的是,带有隐藏变量的理论不是对量子热学的解释。它们是不同的理论,它们更确切地描述了自然,但是确实可以解决检测问题。
不用多说,我们并不是第一个强调量子热学如同一个求平均的理论的人。这可能是每位人在面对随机检测结果时就会想到的。从量子热学初期开始,数学学家就开始考虑隐变量。但后来她们错误地觉得这一选择是不可行的,这一错误在明天依旧存在。
化学学家几六年前犯的错误是从1964年约翰·贝尔证明的物理定律中得出错误的推论。这个定律表明,在任何蕴涵变量容许我们预测检测结果的理论中,检测结果之间的相关性服从一个界限。从那时起,无数的实验表明,这个界限是可以被打破的。由此可知,贝尔定律所适用的隐变量理论是被证伪的。化学学家得出的推论是量子理论是正确的,而隐变量理论不正确。
然而贝尔定律提出了一个假定,这个假定本身没有得到证据支持:隐变量(不管它们是哪些)与测量器的设置无关。这些被称为“统计独立性”的假定是合理的,只要实验只涉及像药丸、老鼠或癌细胞这样的小型物体。但是,量子粒子是否创立,没有人晓得。
违背统计独立性的隐变量理论引出了超决定论。令人惊讶的是,她们未曾被排除在外。她们甚至未曾进行过实验测试,由于这须要一种不同于数学学家迄今所做的实验。为了检验超决定论,人们必须找寻证据,证明量子化学并不像我们想像的那样随机。
超决定论的核心思想是,宇宙中的一切都与其他一切有关,由于自然法则严禁个别粒子的构象。假如你有一个低矮的宇宙,把一个粒子置于其中,这么你就不能任意地把其他粒子置于其中。她们必须先服从个别关系。
这些普遍的关联性非常意味着,假如你想检测量子粒子的性质,这么这个粒子永远不会独立于检测设备。这并不是由于装置和粒子之间发生了任何互相作用。二者之间的依赖性只是一种自然属性,但是,假若一个人只关注宏观设备,这些关联性就不会被注意到。假如是这样的话,量子检测就有了明晰的结果,因而在解决检测问题的同时,会造成违背贝尔定界。
很难解释为何化学学家花了半个世纪的时间来研究一个不一致的理论,却从来没有认真考虑过统计独立性可能会失效。假如在量子实验中违背了统计独立性,这么对其具体后果的剖析就极少了。如上所述,任何解决检测问题的理论都必须是非线性的,因而很可能会形成混沌动力学。小的变化形成大的结果的可能性是混乱的标志之一,并且在关于隐变量的争辩中却被完全忽视了。
低风险,高回报
鉴于量子热学的技术相关性,赶超它将是一个重大的科学突破。但因为历史遗留问题,研究过或目前研究超决定论的研究人员要么被忽略,要么被指责。因而,这一看法关注的人依然甚少。
因为缺少研究,我们至今还没有普遍适用的超决定论理论。我们确实有一些模型为理解违背贝尔不方程提供了基础量子和粒子物理学何以解释一切,而且没有理论能像现有的量子热学理论那样灵活。其实超决定论作出的一些预测在很大程度上是与模型无关的,因而检测结果的随机分布应当比量子热学中的少,但因为这种预测不是基于一个成熟的理论,因而很容易遭到批评。
实验主义者甚至不想测试这个看法。但我们不太可能碰巧发觉超决定论的证据。普遍关联性并没有在基本粒子的层次上突显下来。为此,我们不觉得用越来越大的粒子加速器侦测越来越小的距离将有助于解决一直悬而未决的基本问题。
明天的大多数化学学家被错误地教导检测问题早已解决,或则错误地觉得隐藏的变量早已被排除,这对化学学的进步是无用的。