量子的智慧选择

量子的智慧选择_生命藏在量子中

构成生命的基础，比如碳、氢、氧等，世界所有物质都是由分子构成，或直接由原子构成，原子指化学反应的基本微粒，原子在化学反应中是不可分割。原子直径的数量级大约是10-10米。原子质量极小，且99.9%集中在原子核。原子核外分布着电子，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。质子数=电子数，因此正负抵消，原子就不显电，原子是个空心球体，原子中大部分的质量都集中在原子核上，电子几乎不占质量，通常忽略不计。假如原子核是葡萄那么大，那么整个原子就有200米左右，原子的大部分空间是不断运动的电磁场，不断运动的电子好比这个200米运动场的一粒沙子，而质子大小好比一个米粒。当然在量子概念里，它们真正的含义是不确定的。

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。已发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

图031　原子核构想图（图片来源：微图网）

在国际当前流行的量子构成方面，被科学检验的最成功的是粒子模型，粒子模型是指物质构成单元有不可再分割的粒子构成，粒子模型中基本粒子，在夸克模型提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

1905年和1915年，爱因斯坦分别提出狭义相对论和广义相对论震惊了世界。相对论是对牛顿的万有引力提出新的升华，把宇宙表述为时间与空间纠缠一起的四维空间，从此奠定了其物理界的伟大定位。

但是在1927年、1930年两届物理学盛会的索维尔会议中，关于量子力学的辩论，爱因斯坦两次都被以玻尔为首的哥本哈根派打败。爱因斯坦强调量子世界的因果关系，而哥本哈根派强调量子世界的不确定性。爱因斯坦由于被羞辱，从此走上了大统一理论的研究上来，试图寻找新的理论，把相对论与量子力学联系起来。

除了在哲学观念的冲突之外，相对论与量子理论的冲突主要表现在三个方面，普朗克长度一下的10-35米空间里，就会引发量子泡沫，而在宇宙大爆炸的开端以及黑洞，都需要相对论与量子力学结合起来，但是在这些方面相对论与量子力学都是矛盾的。

霍金在他的《时间简史》中坦言，当今世界上可能会有些人在有生之年，发现大统一理论。但这个大统一理论并不是爱因斯坦最初想的大统一理论，不可能通过一个简单的美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。因为宇宙是确定性和不确定性相互统一的，量子理论中测不准原理体现了不确定性。

现代物理学证据证明，量子力学并非不确定，电子可以分裂说明爱因斯坦的疑问并非完全错误，而爱因斯坦研究大统一理论，也是准备用新理论代替统一量子力学与相对论。至少爱因斯坦本人认为相对论并非完美，正如他所认为的量子力学不完美一样。宇宙的深层里面，微观量子世界与宏观相对论时空世界，必然产生联系。当然新理论还要囊括占据宇宙23%的暗物质与73%的暗能量。

粒子的双重属性粒子性和波动性：微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

量子的智慧选择：量子实验本身证明了光子，电子或者60个碳分子组成的巴基球的一些不可思议的一面，比如在双缝实验中，一个光子或者电子，能够同时穿越两条缝隙，而历史求和表明量子在传播过程中具有千万个路径，在分光延迟实验中，光子在传播中，光表现出了智慧性，光子似乎看见有人或者物质挡在光子分光的另一条路径上，于是提前就没有通过该路径。而在电子双缝实验中，当有人在一边放上一个摄像机，试图记录电子传播路径的时候，电子似乎知道有人在看，于是选择了另一种传播方式，摄像机的观察影响了电子的选择，这也正是人类对量子不可了解性之一。让我们看看这几个经典实验，并了解量子的神奇性。

托马斯·杨的光实验的现代版被称为双缝实验。

图032　双缝实验

此实验显示，从一个波源发出的一列波，然后这一列波通过开有一对相距很近的狭缝的挡板，通过挡板后两条波的发生衍射，在挡板后远端区域内扩散开来投射到屏幕上，有的点波峰遇波峰，波谷遇波谷产生干涉相长。有的点在这里波谷将与波峰相遇，从而产生干涉相消。全部的结果就是屏上出现的明暗相间的条纹，这是波动性强有力的证据。如果用电子，60个碳原子组成的巴基球代替光，那么也会出现类似结果。

单电子双缝干涉实验——如果采取控制手段，单独的一个个发射电子，或者使用弱光源，每次只让一个光子或者电子等（粒子）通过装置，如图034。

图033　巴基球富勒烯（图片来源：微图网）

图034　单个粒子发射双缝干涉发射实验

实验装置用微小粒子探测器代替屏幕，可对到达的单电子或者光子进行标记。这种单粒子双缝实验效果，如图035所示。

图035　每次双缝发射一个电子或者光子后，探测到电子或者光子，产生的模拟图，分别显示不同数量粒子的结果，毎幅图都包含了前面图的结果。

这种单粒子双缝实验揭示了量子物理奇异性，在此实验实现之前，玻尔与爱因斯曾经为此争论了几十年。后来，随着电子技术和探测器技术的发展，这一实验得以实现，并震惊了所有人，无论他是否是科学家。

这一实验过程是，将电子或者光子一个个向双缝发射，电子（光子）也将在探测器阵列中某一随机点显示。一直持续下去，一个电子（光子）接一个电子（光子）地发射。一开始看起来是随机的，但是发射几十个上百个电子（光子）之后，将开始出现新的现象，大部分光子的着陆点正是波动理论所预言的干涉加强处（这些着陆点大部分处在挡板的“阴影”处）。

少数光子出现在波动理论预言的干涉部分相消处，波动理论预言的干涉完全相消处则没有光子到达。随着持续不断，成千上百万的光子通过装置后，探测器阵列上将会出现清晰的明暗条纹，与波动理论预设的完全一致。

非常奇怪，人们产生质疑，是什么导致了这种现象？这个看起来随机与无法预测的，电子或者光子实验，一个个单独发射，但是结果却出现了清晰简单的与光波一样的图样，人们想问：一个电子或者光子到底是通过哪个狭缝？光子如何“知道”哪里适合着陆，哪里不适合着陆？是什么决定着光子最后的选择哪个着陆点呢？为什么就单独两个光子来说，在理论上是全同的，但是行为上却并不完全相同，不能同时着陆一点呢？与观测结果和量子理论以及一系列实验相符合的唯一解释是，每个单独的电子或者光子（包括巴基球）从光源出发到探测器的过程像波一样运动，每个光子同时通过两个缝，光子产生于一点，探测时也是一点，从光子产生到被探测到（实际是它湮灭）之间，它的行为像波。这就是波粒二象性的本质。此外，概率在这一图像中出现了，光子并不知道在哪里着陆，它只知道在不同点着陆的概率：波动理论预言的干涉相长处概率大，波动理论预言的干涉相消处概率小。在这里单个光子——同时通过两个缝——会发生衍射并且会发生干涉，观测者无论什么时候看一个光子（也就是说看探测器，或者你眼睛的视网膜实际记录的光子），它都是一个点。你不看的时候，它就会鬼使神差地像经典理论中的电磁波一样成为波在空间中传播。

为了更好的观察粒子轨迹，科学家电子把粒子源换成电子发射设备，也会出现以上所有现象，当单个电子发射的时候，电子同时通过了两条缝，与自己干涉。

科学家想知道，电子到底通过了两条狭缝的那条缝，于是如图036，在一条狭缝放置了一台叫狭缝侦测器的观察设备，当他们开始观察时，神奇的事情发生了。电子开始变得象个小球，在后面屏幕上打出痕迹，但干涉图像消失了。电子好像意识到有人观察他，然后选择了不同的路径。

图036

如果粒子源换成光子，也同样如上用狭缝侦测器观测，我们所熟悉的干涉图案，也立刻就会消失不见，转而改变成另外一种图案。

因为按照一些科学家的假设猜想，使用侦测器这个动作，涉及了光子与狭缝侦测器之间的相互作用。这种行为改变了电子（光子）的量子态。假设，两个同频率的电子或者光子，在同时间被发射出来，则这两个粒子是同调的。将狭缝侦测器关掉，则两个同调粒子，都会不被干扰地经过狭缝，同调地抵达侦测屏。可是，假设我们将狭缝侦测器打开，而两个同调粒子之中的一个粒子，被狭缝侦测器侦侧到，则由于粒子与狭缝侦测器之间的相互作用，两个粒子不再同调，不再互相干涉。所以，侦测屏的干涉图案会消失不见。根据哥本哈根解释，当我们不去探究电子到底通过了哪条缝，它就同时通过双缝而产生干涉，反之，它就确实地通过一条缝而顺便消灭干涉图纹。

近几年来的科学研究更进一步地发现，干涉现象并不只限制于电子、光子，还涉及到像质子、中子等等这些基本粒子。双缝实验使用大分子构造，像巴基球富勒烯（C60），也能够产生类似的干涉图案。

在宏观物理学领域，每个粒子都有一个明确的痕迹，但是在量子世界里，每个粒子没有明确的路径，著名的物理学家费恩曼于是推出历史求和的概念。微观量子世界，从粒子源到屏幕不是没有路径，而是意味着每条路径，如图037。

图037　历史意味着无数条可能的路径

这就是量子世界与宏观牛顿物理世界的区别。这意味着粒子在双缝实验中，可能通过第一道缝隙，然后又穿过第二条缝隙；或者只通过其中一条路径；或者粒子去了广东的一个饭店，回来之前然后又去了南极；或者从地球A穿越B火星，宇宙，再返回。这就解释了粒子如何知道穿越了那条缝隙。如果只开放一条路径，粒子就穿越这条缝隙，如果开放两条路径，粒子就会两条路径都穿越，然后产生干涉。同时地球A到火星B的粒子路径也是多样的。这听起来非常奇怪，但是目前来看，这就是最合理的解释。

图038

提出黑洞、量子泡沫、真子等很多知名概念的著名物理学惠勒为了检测量子世界的不可思议的特性。通过一个戏剧化的思维实验指出，我们可以“延迟”光子的这一决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝还是两条！

约翰·惠勒是一位90岁的老顽童，他对人非常亲切和友善。他通常总是面带着微笑并且有时还会向他经过的所有人挥手致意，并与学生合作出版物理学著作。

惠勒虽然没有获得诺奖，但是他的物理学思维却赢得人们尊敬，他第一个提出黑洞概念；引入了极小时间与极小距离的普朗克尺度，并在此尺度极限下引入“量子泡沫”概念（既时空在10-35米空间距离与10-45秒的时间间隔上的动荡）；他提出质朴性原则，提出没有质量的质量，没有电荷的电荷；他提出真子概念（光子高密度集中以至于全部光子绕着共同的中心转动，这些光子是通过自身引力来保持轨道运动的）；关于宇宙深度他提出“一切源于信息”（真实宇宙世界“一切”可能最终都基于信息），惠勒开创了量子信息理论的新纪元，同时也因为他的多角度创新哲学观点而受到物理学界的尊敬。

惠勒在1978年提出的一个超出当时水平的延迟实验检验量子世界，现在已经在很多实验室实现了这一实验。该实验是在一个光子离开光源较长时间后，允许一名实验者决定这个光子是应该沿着单一轨迹进入探测器，还是沿着两条叠加轨迹进入探测器。

如图39所示，在光源出发点A直角处有一个半透半反射镜。C，B处都有反射镜。每个光子都有50%机会到达左探测器，50%机会到达右探测器。

图039

为了描述这一实验，在A处后面偏离一侧建立光源，可向A处上方的半透半反镜发射光子束。半透办反射镜是一块镀有很薄一层银的玻璃，只能将照射到其上的光反射一半，而让另一半光通过，那么单个光子就有50%的机会被反射，还有50%的机会通过。还有另外一种情况：那就是一个打到半透半反镜上的光子将既反射又透射其波函数是分散的。光子在打到半透半反镜上后，将处于两种不同传播方向的叠加态。

建立起的半透半反镜可以使透过的光到达B处，被它反射的光则到达C处（如图039）。在上述两处放置了全反镜，这样所有光线（或者说所有光子）都会被反射到D处，在D处上方什么都不放，在D的左右分别放有探测器，这些探测器能够记录到达的光子（所有光子！）。比如右探测器发出一次嘀嗒叫声就说明从C处打来一个光子，从左侧探测器发出声音则说明从B处打来一个光子。现在，还没有态叠加的明显证据——从概率进行的测量来说，左右两侧将会各探测到一半光子。

现在，让我们来证实光子确实同时沿着两条轨迹运动：我们用一个半透半反镜放置在D处上方，这样来自B处的光有一半会被反射到右边，另一半则会直接透射到左边。而来自C处的光则有一半被反射到左边，另一半直接透射到右边。

如图040所示，通过仔细摆放该半透半反镜可以使两束射向右侧的光发生相消干涉，而两束射向左侧的光发生相长干涉。那么光都将抵达左侧，向右侧传播的光波将彼此相消，向左侧传播的光波将彼此加强。在上述情况不动的情况下，如果光源发射的是一个个单独的光子，左侧的探测器不断发生嘀嗒声，这说明不断有光子到达那里，而右侧的探测器则没有任何声音。这说明，每一个光子都是同时沿着两条轨迹运动的。所有光子都抵达右侧的现象只能通过光子波函数（或振幅）进行解释。光子的波函数先分散再汇聚，从而光子波才会与自己发生干涉相长或干涉相消。

图040

现在我们做另一个选择测试——延迟选择，证明每个光子是沿着两条轨迹运行的，这时候可以不在D处上方放置任何装置。但是，为了测量显示出每个光子的运动轨迹。我们在D处上方放置一个半透半反镜，将光源打开一纳秒，一个光子的运动速度是每纳秒1英尺（1纳秒的时间等于1秒的十亿分之一）。在这么短的时间内，光源也就发射出几十个光子。然后我等待30～50纳秒的时间，准备做出一个决定，等我们做出决定时，那些从光源发射出的光子已经离开光源很远了，但是它们到D处还有点距离，所以它们还在传播路途中。

接下来，我们想弄清楚每个光子所走的路径。然后在D处上方什么都不放置，统计左右两侧的探测器记录到达的光子，每个探测器应该各记录下一半光子。这表明到我们做开始做出决定的时候，每个光子已经被“交给”了各自的路径，要么通过B，要么是通过C处。如果我们改变决定——在每个光子发射完，光子恰好处在自己路径上之后——想弄明白是否每个光子都同时处在两个路径上，那么我们将半透半反镜放置在D处上方，通过仔细摆设透镜，产生波的干涉，这时所有光子都会奇迹般地要么抵达右侧探测器，要么抵达左侧探测器。这说明每个光子都与自己发生了干涉，而且每个光子都是同时沿着两条路径运动的。

好，我们再换一下思路，把半透半反镜留在D处上方，D处左右两侧各有一个探测器，并派一个人站在AB之间的路上（如图041），结果发现，现在没有光子（或光子波）能通过AB这条路程径，所有到达D处的光子（或光子波）都一定是通过C处过来的。此时两个探测器发生的嘀嗒声频率相同，每个从C处到达D处的光子都有50%的机会直接透射到右侧，还有50%的机会被反射到左侧。干涉消除了，光子再次成为沿着特定路径运动的单个粒子。

图041

虽然按照现代科技，很难验证在几纳秒这么短的时间内做出“决定”。如果该实验能在实验室房间内进行，那么在更大尺寸上也能进行，比如足球场上，比如几百公里的范围内。正如惠勒本人所说，这种实验没有理由在宇宙距离上不能进行。比如从遥远的恒星爆炸发射出的来的光，抵达地球的光有两种可能路径，光可以在星系E，我们可以在该星系观察到从恒星爆炸发出的光子。如果是另一星系F，天文学家同样会在F星系附近看到那些光子。如果天文学家在天文台里能够接收到来自两个星系的光的位置放置一面半透半反镜，理论上沿着两条不同路程经传播的光将会发生干涉，并只在一个方向上产生可见的光子（与上述延迟实验类似）。天文学家可以在光离开类星体几万年，几百万年，甚至几十亿年之后才决定是否寻找特定路程径或者寻找两条路径之间的干涉。这太神奇了！但是这就是量子世界的诡秘行为，量子行为表明量子行为是概率性的，一个事件发生的世界，对事件不用的结果选择，会产生不同的行为。

以上种种如此诡异的量子行为确实是些奇怪的现象。用爱因斯坦的话说，这太诡异了，但这却是事实。所以物理学家费恩曼说：“我可以有把握地说，没人能够理解量子力学。”

有些物理学家认为双缝实验太令人混乱（你越思考，头脑就越混乱——尼尔斯·玻尔语），以致于他们认为尽管量子力学取得了无数成功，且从未失败，但仍旧是不完备的，他们相信在21世纪的某个时候——无论是下一年还是从现在起50年以后——将会出现新的理论，一种能够包含量子理论，并且能对量子理论的成功进行解释的理论，但是新理论必须更具“远见卓识”。即便是不被双缝实验表现出的古怪所困扰的物理学家也都倾向于认为量子力学的某种内在因素沿待出现。

关于量子的本性问题，爱因斯坦认为必然存在因果关系，以玻尔为代表的哥本哈根派认为测不准，几率问题就是量子本质，看到的就是真实的，玻姆认为，量子深层必然存在着隐蔽的关系。

爱因斯坦相信，如果量子力学是一个完备的理论，我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”，即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。玻尔却指出，我们观测得到的世界才是“真实”世界，哪怕我们观察世界的时候必须透过一块黑色的玻璃。实际上，玻尔坚持这种黑暗模糊的视线本身，也跟我们看到的其他东西是一样真实的。

玻姆的理论认为，目前量子力学之所以是一个统计理论（哥本哈根派的解释），是因为存在还未发现的隐变量，这种隐秘关系甚至涉及到人类的意识问题。个别体系的规律，正是由它们决定。如果能找出隐变量就可以准确地决定微观现象每一次测量的结果，而不只是决定各种可能出现的结果的几率。

也就是说，如果发现隐变量，那么因果律还是存在的，“上帝不掷骰子”。

因此，爱因斯坦为了寻找因果关系，把后半生精力都用在寻找大统一理论中来。现代物理学实验证明，电子能够再次分裂，也能够同时测到量子的两种状态，而按照本人在另一本书里的新宇宙模型——圆转聚合的物理模型，量子世界必然存在更深层的粒子关系，没有绝对的真空，影响量子的因素就在深层量子中，电子、光、夸克等可能有其他更深层粒子组成的，也有可能有其他机理。量子世界必然存在着更深度的背景关系，这种背景关系与宏观宇宙也是关联的。只是现代科学由于工具有限很难实验发现。

而量子求和认为，因为测不准，几率问题，量子轨迹无所不在，其轨迹漫步于宇宙空间，这种认识也许存在着问题，量子能够激发更深层，微观，快速的粒子做出反应，但是单个量子本身有其影响范围应该是有限的。也许这会在以后的实应中发现，当电子射向中间有缝隙的屏幕的时候，电子就开始激发了深层粒子的反应，这会影响其途径，量子能够激发运动过程中的周围更微观粒子环境及其反应。