点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:哥本哈根研究所100岁了 量子世界依旧迷雾重重
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

哥本哈根研究所100岁了 量子世界依旧迷雾重重

来源:科技日报2021-06-17 09:48

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  玻尔创造的“哥本哈根精神”是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

  1900年,为了解决黑体辐射疑难,德国物理学家普朗克提出了“能量子”模型。彼时,爱因斯坦21岁,刚从大学毕业;玻尔才刚15岁,可能还在中学学习。

  1905年,爱因斯坦提出“光量子”假说,通过把“本应该是一种电磁波”的光想象成一个个光微粒,成功解释了光电效应。紧随其后,玻尔在1913年提出了量子化的原子结构,成功解释了氢原子的能级结构和光谱,获得了当年的诺贝尔奖。

  1921年,玻尔拒绝了恩师卢瑟福的工作邀请,决定创建哥本哈根大学理论物理研究所,继续深入研究量子力学。研究所一成立,玻尔的人格魅力很快就像磁场一样,吸引了一大批杰出的青年物理学家,海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力学大咖都出自这个研究所,形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。除了玻尔外,这个研究所出了9位诺贝尔物理学奖获得者,盛况空前。到现在,100年过去,哥本哈根仍是物理学家的“朝拜圣地”。

  “上帝掷骰子吗?”

  哥本哈根学派在创立之初就开始从哲学层面思考量子问题。光和电子时而像波,时而像粒子的“波粒二象性”到底意味着什么?其本源是什么?为什么我们每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”?最终,量子力学的“哥本哈根诠释”浮出水面:

  ——一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述。波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部信息,量子系统的描述是概率性的。

  ——在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定。

  ——物质具有波粒二象性,一个实验可以展示出物质的粒子行为或波动行为。但不能同时展示出两种行为。

  ——测量仪器是经典仪器,只能测量经典性质,如位置、动量等。

  ——大尺度宏观系统的量子物理行为应该近似于经典行为。

  哥本哈根学派对量子力学的“概率诠释”,其核心观点还有“测量塌缩”。一个量子尺度的物体,它当前的状态其实是几种可能状态的“概率叠加”;在未被测量之前,我们完全无法预测物体真正的状态,这是一种真真正正的随机性;一旦启动了测量,物体就会“塌缩”成一种可能状态,仿佛它一直就是那种状态一样。

  虽然“概率诠释”类似于“骰子实验”,但量子力学更纯粹。骰子的随机性其实是伪随机,“出千高手”完全可以掌控掷骰子的结果。但哥本哈根学派认为,回到微观的量子世界,再荒谬至极的事实,都可能在量子世界中出现。

  于是,科学史上那段著名的论战拉开了序幕。以爱因斯坦为首的经典派对哥本哈根学派发起了猛烈的攻击,每次针锋相对都闪耀着智慧甚至是艺术的火花。

  爱因斯坦:上帝不掷骰子!

  玻尔:请不要告诉上帝应该怎么做!

  这段经典的对话,便是这场论战的开端与往后争论的核心。

  与爱因斯坦同一阵线的薛定谔,更是为了反驳“概率诠释”学说而举了一个他本人认为“荒诞至极”的例子:把一只猫和一套通过放射性元素驱动的毒药释放系统一起放在盒子里,在打开盒子观察前,猫同时处于“活着”和“被毒死了”双重状态的叠加态中,这便是鼎鼎大名的“薛定谔的猫”。

  值得一提的是,薛定谔肯定没有想到,自己提出的这个用来反驳哥本哈根学说,认为其荒谬、与现实格格不入的实验,被不少人误认为是“概率诠释”的一个经典论点。

  一般认为,在科学上一个人没取得的成就,在未来肯定会有另一个人代替他成功。但是玻尔创造的“哥本哈根精神”却是无法复制的。这是一种在切磋中提高,在争论中完善,平等无拘束地讨论和紧密合作的学术气氛,就是要在辩论中,推动量子力学的发展,这非常符合玻尔的个性与主张。

  如今,距离那场世纪论战已经过去了许多年,物理学界中最受普遍认可的哥本哈根学派“概率诠释”学说也依然面对许多争议。

  尽管玻尔与爱因斯坦终生都在争辩,却丝毫不影响两人的友谊。无论谁离开了谁,这条量子银河都会变得黯淡无光。

  “没有人真正理解量子力学”

  在1958年出版的《物理学与哲学:现代科学中的革命》一书中,维尔纳·海森堡讲述了在与尼尔斯·玻尔进行那些彻夜长谈后,他是如何不断地对自己说:“自然真的有可能如此荒谬吗?”因为量子世界看起来是如此的不合常理,以及如此的有违直觉,以至于理查德·费曼说出了关于那句著名的话:“没有人真正理解量子力学。”

  尽管量子力学已经一次又一次地证明了它的预测能力,但这并不能削弱这样一个事实:除了哥本哈根诠释外,科学界还有对量子理论的诸多诠释。

  多世界诠释认为波函数是物理上真实的,薛定谔方程恰恰就是一种对现实的描述。当你对同时处于不同位置的叠加的粒子进行测量时,被测量的粒子事实上在不同版本的现实中在所有那些位置出现。换句话说,这就意味着,你所处的两个“现实”分叉成了两个不同的分支。这听起来像是,如果你在这个现实里做了什么糟糕的

  决定,别担心,也许在另一个现实中,你仍然可以获得一个完美的结果。多世界诠释也是经常被流行文化借用的一种。多世界诠释带来了一个问题——它让概率失去了意义。

  为了解决多世界诠释在概率上的问题,一些科学家发展出了宇宙学诠释。这种诠释认为,如果有无穷个宇宙,那么多世界诠释一定成立,因为有无穷个“你”正在进行实验,而现实将会按照概率的比例进行分裂。这样一来,经典概率就仍然存在意义。

  还有科学家提出“隐变量”的猜想:也许粒子的性质具有一些“秘密”的变量,它其实是一种确定的状态,只是我们不知道而已,而直到我们测量才会发现。

  科学家在隐变量理论的基础上提出了“非定域隐变量理论”,也就是德布罗意—玻姆诠释。这种诠释认为粒子是真实存在的,它们在我们看不见的导波的引导下运动。

  此外,还有量子贝叶斯主义、量子达尔文主义、交易诠释、关系性诠释等,许多物理学家提出了不同的想法和观点。但也有一些科学家因此相信,这么多种不同诠释的出现,恰恰意味着,量子力学中还有一些非常基础和根本的部分等待着被发掘。

  “多个世界”与“多个历史”

  人们提出了上述各种各样量子力学诠释,其核心思想本质上来自于逻辑简练、物理寓意深远、但图像十分反直觉的多世界诠释。多世界理论表达的是“一个波函数,多个世界”,而由它发展出来的各类诠释,大都基于自洽历史,讲的是“一个世界,多个历史”,只不过各自的着眼点与侧重点不同。

  由于不当解释和以讹传讹,多世界诠释被污名化了许久。特别是目前不少人觉得哥本哈根诠释的正确是天经地义的,而多世界诠释则被认为是形而上学,甚至是伪科学。

  正是由于量子力学的哥本哈根诠释强调必须借助经典世界,从逻辑上讲是不自洽的。从哲学角度讲,量子力学的哥本哈根版本是一种二元论,而一个理想的完美的理论应该是一元论:一切源于量子,经典只是量子体系宏观极限下的“衍生”现象。

  无论如何,把不可观测的特性引入到物理学中,物理学就变成了玄学。当务之急是给波函数找到一个可以测量验证的、观测不会导致波函数坍缩的解释。

  量子力学在多个领域为世界带来变化。从第一个晶体管到今天的科技社会,再到或许在不久的将来就能成为现实的量子计算机。我们不能完全理解它并不要紧,因为物理学家自己也不能完全理解它。我们能做的就是听从费曼的建议,“放松心情,尽情享受”,然后期待“新物理学”的诞生,为探求世界宇宙开启新的篇章。(记者 吴长锋)

[ 责编:赵宇豪 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西安:非遗展演迎新春

  • 博物院里找“马”

独家策划

推荐阅读
近日,国家管网集团西部管道公司成功完成所辖新疆段天然气、原油、成品油管道输送全生命周期碳足迹核算,获得中国质量认证中心颁发的“产品碳足迹证书”。
2026-02-06 09:18
近日,中国农业科学院蔬菜花卉研究所蔬菜分子设计育种创新团队研发出新型植物基因研究工具——对目标DNA序列的邻近空间蛋白标记系统。
2026-02-06 09:38
因为像了解自己的孩子一样了解黑土地,韩晓增有个外号——“黑土地的营养搭配师”。他带领团队精心配制出一套营养搭配的“秘方”。
2026-02-06 09:33
蚊种与病毒之间存在高度匹配关系。1901年,公共卫生与热带医学领域先驱沃尔特·里德证明,蚊子是传播黄热病的元凶。科学界传统观点认为,病毒以颗粒形式在蚊子体内传播,却始终不知道真正的“病毒受体”是什么。
2026-02-06 09:31
科技创新和产业创新的深度融合,不仅是构建现代化产业体系的战略举措,更是贯彻新发展理念、推动高质量发展、加快构建新发展格局的重要抓手。
2026-02-06 09:13
2025年我国人均粮食占有量达到508.9公斤,远超国际公认的400公斤的安全线,粮食等重要农产品供给丰富、市场平稳、储备充足。
2026-02-05 10:15
一代代南来北往的科研“候鸟”安心在三亚当起了“留鸟”,南繁热土上,他们用坚守加速农业科研进程,守护着国家粮食安全的希望。
2026-02-05 10:06
工业和信息化部等八部门近日联合印发《汽车数据出境安全指引(2026版)》,推动建立高效便利安全的汽车数据跨境流动机制,提升汽车数据出境便利化水平。
2026-02-05 10:03
月球表面的年龄是揭示其演化奥秘的基础。对于月球上未采样的区域,科学家主要依靠统计撞击坑的密度来估算年龄:区域越古老,撞击坑通常越密集。
2026-02-06 09:14
近日,内蒙古大学化学化工学院刘健教授、王艳琴副教授团队在节能制绿氢联产高附加值化学品领域取得重大突破,在《自然》子刊发表研究成果。
2026-02-05 10:01
近日,四川达州宣汉县深层海相钾盐资源分采分运攻关实验配套装置顺利完成试车,成功提取出高纯度氯化钾产品。
2026-02-05 10:01
我国互联网事业的蓬勃发展,既为“十四五”收官交出了亮眼答卷,也为“十五五”布局奠定了坚实基础。
2026-02-05 10:12
L5点位于地球的“后方”,位于该点的人造探测器无需消耗太多燃料就可以稳定长期驻留,因此“羲和二号”的设计寿命将长达7年。
2026-02-04 09:13
《月令七十二候集解》记载:“立,建始也”,“立”即“开始”之意。那么,立春的“立”,意味着怎样的开始?
2026-02-04 09:34
寒冬腊月,新春的氛围已在市井烟火中渐渐浓厚。进入寒假的第7天,在位于青岛的山东科技大学土木工程与建筑学院办公室里,教授李为腾和研究生杨光辉正在讨论工作。
2026-02-04 09:27
进藏工作10余年,那曲市农牧业(草业)科技研究推广中心畜牧师何世丞感慨颇深:“保护这片广袤而脆弱的草原,挑战不小,但我们一直在行动。”
2026-02-04 09:32
桥式起重机的轰响打破宁静,长十余米、重数十吨的火箭芯一级被缓缓吊离托座。操作手董磊手持控制设备,眼睛紧盯箭体,每一个动作都专注、沉稳。
2026-02-04 09:20
在人工智能(AI)和大数据时代背景下,高性能计算的战略地位已可与高能望远镜、同步辐射光源和粒子加速器等重大科研基础设施相提并论
2026-02-03 14:09
2月1日,农业农村部发布的《农产品质量安全承诺达标合格证管理办法》(以下简称《办法》)正式施行,我国农产品全面启用新版“身份证”——农产品质量安全承诺达标合格证。
2026-02-03 09:48
近日,记者从中国科学院空天信息创新研究院(以下简称空天院)获悉,该院成功开展超百G星地激光通信业务化应用实验,通信速率达到120吉比特每秒(Gbps)。”
2026-02-03 09:40
加载更多