辉煌的成就
量子理论也许是人类从无到有建立起来的一套最伟大的理论,其中最惊人的一点是它违背我们一直以来的认知。当然,量子理论也是人类认知达到一定程度后,探索得到的阶段性成果,不是天上掉下来的。
无疑,量子理论获得了巨大的成功。它对人类社会的发展具有极其深远的影响,导致了人类社会的快速技术进步和信息革命,对世界的认知也从几乎懵懂无知到似乎无所不知。除了宇宙生死这样超宏大问题,我们似乎已经了解了所有的自然奥秘。
顺手拈来,我们可以列举一些量子理论带来的巨大变化:
l 我们最先通过量子理论了解了原子的结构,也了解了原子光谱,从而知道了一种识别所有物质的方法,即光谱分析。因此,我们可以用X射线照射任何物质,从而知道该物质的元素成分。我们因此也知道了太阳,木星,乃至遥远的恒星和行星大气的组成。
l 我们马上又了解了原子核的构造和反应原理,从而实现了核能利用,放射性利用。通过测量样片中放射性元素的构成,确定该样品的形成年代,从而知道古生物的诞生和灭绝时间,不同地质时期大陆的形状,大气的成分,以及古人类的生存、迁徙、交流过程。
l 由于对原子核的了解,我们利用X射线照相,正电子发射计算机断层成像(PET),核磁共振(MRI),可以直接看见人体内部,诊断病因,甚至直接治疗疾病。我们可以用中子检测很大的钢铁结构,甚至可以用宇宙射线透视金字塔。
l 由于我们了解了元素产生过程,我们知道了地球几十亿年和宇宙一百多亿年的历史,恒星的演化过程。
l 由于对原子辐射的了解,我们发明了人类从来不知道的激光。激光可以做各种精确测量,包括地球到月亮之间的距离,观察月亮如何漂移。激光也使高宽带高速通讯成为可能,让全球同步,信息共享。激光也使可控核聚变成为可能。
l 我们对固体物理的了解,让我们用半导体做成芯片,实现了高速信息处理。人类因而进入信息时代,人工智能时代。电子化,信息化,智能化,让我们进入全球一体化时代,并奠定了走向星际文明的基础。
l 我们也发现了超导,一种人类从来不知道的现象。
l 我们也进一步了解了物质的基本构成,建立了关于基本粒子和相互作用的标准物理模型,已经差不多可以解释从宏观到微观的所有物理现象。
量子论是几乎所有现代科学和技术的基础,比如化学,生物学,天文学,宇宙学,地质学,考古学,医学,信息科学,材料学,……
光明的未来
量子论已经取得的巨大成就无可辩驳。未来,它还会不会带来有更多的颠覆式应用?很多人很乐观。比如:
量子通讯:可以实现绝对安全的通讯。现代社会是信息社会,全世界无时不刻通过网络互联互通,通讯的安全就是重大的基本社会需求。因通讯安全带来的信息安全漏洞,和因此带来的数据被窃,严重危害信息社会的安全。量子通讯原则上是绝对安全的。
量子计算:传统计算处理很多问题的时候力有不及,难以解决一些复杂性问题,高计算量问题,多自由度问题,等。量子计算可能很快计算出大量传统计算无法处理的问题,也会威胁依赖于计算复杂性的传统技术,比如传统信息加密技术。量子计算带来的计算能力,可能让我们能够很容易设计蛋白质,设计药物,从而治疗癌症,治疗病毒,甚至让人类实现永生。药物设计虽然属于生物学与医学,但是量子理论是基础。
量子远程传物:即通过量子纠缠将信息瞬时传到远处。是的,听起来难以置信,但是已经有实验结果在严肃杂志上发表。这里有一点补充说明,就是信息虽然传过去了,但是对方却无法得到。或者说,虽然得到了,却无法知晓,除非发送方再通过传统通讯方式发送一条信息告诉接收方。所以信息以超光速发过去了,但是接收方读出它还是要受到光速限制。
这样的话,似乎应该叫做量子远程传态,而不能叫传物,甚至传信吧。既然叫了传物,就不能怪大家理解成传递物品了。
当然,我们通常对远程传物的理解是,直接把东西嗖的一下传到远处。比如,最好火星上,最好也不需要时间,超光速就行。量子远程传物似乎还不能实现这样神奇的传递。不过,不要紧,量子应用的前途很难预计,说不定以后科学家们又取得什么进展,突破了现在的限制呢?量子纠缠本来就不需要时间,这已经大大突破传统理论的限制了。
如果,我们想象中的远程传物真的实现了,还有更多的传统物理限制受到挑战。第一条就是相对论,因为相对论禁止超光速信息传递,更不用说物体了。物体达到光速都不可能。第二条是能量守恒,因为一件物体突然在某处消失或者出现,都将扰乱本地的能量(物质)平衡。第三条是物质不灭。第四条是时间的方向性,因为时空一体,空间瞬移就是时间瞬移。我们可以迅速穿越到远处,此时看到的是地球的过去,再迅速穿越到地球,不就回到过去了吗?
可能,我们也未必需要真正违背物理原理的限制,或者那些限制本来就不存在。广义相对论里说的虫洞不就可以实现时空瞬移吗?而诺贝尔物理学奖获得者已经证明,ER = EPR。不久前,科学家们在实验室里做出来了量子虫洞,用量子计算机实现了虫洞的功能,并成功穿越瞬移。
量子太伟大了!
或者未必?
等一下。以上即将或者有人认为已经实现的伟大应用,都需要量子纠缠。而量子纠缠,量子物理学家还没有搞清楚是什么东西。量子也一样,教科书上甚至没有正式定义。我们应该对一个我们说不清的东西充满信心吗?
量子理论的确取得了巨大的成功。但这些成果来自于量子力学的公式体系,即如何计算。量子理论中的各种基本概念一直存在巨大争议。自认为正统的哥本哈根诠释,虽然了解的人很多,但争议也很大。量子力学公式体系的成功,不等于诠释的成功。诠释不应该碰瓷、蹭流量。公式体系的主要贡献者,薛定谔,尤其痛恨哥本哈根诠释,不管是“叠加”,还是“跃迁”。
无论是量子通讯,量子计算,还是量子远程传物,都是还没有实现,或者至少还有争议的新应用,都依赖于说不清的量子纠缠。量子论已经一百多年了,各行各业的应用拓展无远弗届,还有完全没有发现的新应用,应该不太可能。
量子论也应该好好解决一下诠释的问题,因为它是基本概念,是理论的基础,不能各说各话就完了。爱因斯坦-薛定谔一边,玻尔-海森堡一边,双方互不相让。后来的人只是不争了,问题并没有解决。量子大厦如果要坚实,还是应该先解决基础的隐患。
薛定谔方程有物理体系的哈密顿量,所以能得到关于体系的能量及本征态信息。除了波函数的解读需要诠释,其它物理量的图像都很清晰,如能量,角动量,哈密顿量中的耦合物理量,等。所以诠释对薛定谔方程,及用它解出来的物理体系都影响不大。
但量子纠缠数学表达上只是简单的叠加,不包含物理作用,因而对叠加的诠释就很重要。叠加就是简单相加,是最基本的概念,不应该有歧义,但是绝大部分量子物理学家甚至没有意识到这一概念差别的存在。叠加定义的差别是玻尔与薛定谔在薛定谔猫问题上的争论核心。
量子理论过去的成功突破,并不意味着以后还能持续突破,虽然前面的成功很大程度上是推崇者们信心的来源。就像牛顿引力理论取得了巨大的成功,但我们并不期望,牛顿引力论在现在的宇宙学中,产生比广义相对论和大爆炸宇宙学等更大的突破。
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