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光子盒研究院1905年,还在瑞士伯尔尼专利局当小雇员的爱因斯坦深受光电效应的困扰。过去很多年里,人们认为在光转化为电时,入射光的强度越大,产生的电流就越大,但实验结果并非如此。爱因斯坦发现光电效应的产生只取决于光的频率,与光的强度无关。这个现象无法用麦克斯韦的电磁理论来解释。因为如果光被看作是一种具有连续能量的波的话,不管是紫光还是红光,只要入射的强度够大,就应该能够激发出电子。在这种情况下,爱因斯坦想到了普朗克的量子假设。1900年,普朗克首次提出量子的概念,他假设光波不是连续辐射出来的,而是一份一份地被辐射,每一份的能量与辐射光的频率v成正比,可以写成频率乘以一个常数h(普朗克常数),即能量=hv。在此基础上,爱因斯坦得出的结论是光本来就由一个个离散的“光量子”组成,而不是人们原来所认为的“波”。爱因斯坦的光量子假说,解决了光电效应问题,在16年后因此荣获诺奖。在量子力学的发展史上,爱因斯坦是打开大门的那个人,但在他的后半生里,却一直以反对量子力学的形象出现的。然而正是爱因斯坦与玻尔持续长达半个世纪的争论,才造就了量子力学的蓬勃发展,进而衍生出量子计算、量子通信等前沿科技。在普朗克的概念里,存在一个可以测出来的最小长度,也就是普朗克常数,约为1.6×10-33厘米。量子力学,以及它所研究的中子、质子、电子、光子,以及所有其他的基本粒子,都在这样的范围内驰骋。但是为什么物质在辐射光和吸收光的时候,都是采取“一份一份”的方式?为什么不是连续能量的方式?普朗克和爱因斯坦都没有回答这个问题。直到1913年,玻尔提出了量子化的原子结构理论,给出了这个问题的答案。玻尔认为,原子中的电子轨道也是量子化的,原子中只可能有一个一个分离的轨道,每一个轨道对应于一定的能量。因为电子只能从一个轨道跃迁至另一个轨道,所以电子跃迁时释放和吸收的能量只能是一份一份的。玻尔的原子理论在当时取得了巨大的成功,激励一大批有志于理论物理的年轻学子开始摩拳擦掌、跃跃欲试,纷纷建立各种模型,相继提出和发展了各种理论。量子世界的大门打开了,但问题也随之而来。比如,自1864年麦克斯韦确定光是电磁波后,人们一直相信光是具有反射、折射、衍射等性质的波,但现在怎么又回过头来,说光是一个一个光子组成的呢?根据牛顿经典力学和麦克斯韦经典电磁理论,电子是一种离散的粒子,类似于沙粒那样,是一颗一颗的,光则是一种连续的波动,如同水波一样,波光粼粼。但20世纪初的很多实验证明,光既有波的特征,又有粒子的特征;在经典物理中被描述为粒子的电子,也存在波动性。这就是量子力学中著名的波粒二像性。1924年,德布罗意的博士论文将光波“二像性”的观点扩展到电子等实物粒子上,提出了物质波的概念,给任何非零质量的粒子都赋予了一个与粒子动量成反比的“德布罗意波长”(λ=h/p)。其中h是普朗克常数,p是粒子动量,λ是波长。之后,德布罗意将论文寄给爱因斯坦征求意见。敏锐的爱因斯坦立刻意识到这篇论文的分量,他认为德布罗意“已经掀起了面纱的一角”。爱因斯坦的肯定奠定了波粒二象性在物理中的地位,也启发了另一位物理学家——薛定谔。他想,既然德布罗意提出电子具有波动性,那么,我们就可以给它建立一个波动方程。不久,薛定谔方程问世,开启了量子力学的新纪元。薛定谔方程在量子力学中扮演的角色已经类似于牛顿第二定律在经典力学中的角色。解牛顿方程,可以得到粒子在空间随时间变化的轨迹;而从薛定谔方程解出的电子运动规律,却是一个弥漫于整个空间的“波函数”。这样的结论,就连薛定谔本人也觉得荒谬。在他的设想中,波函数代表了电子电荷在空间的密度分布,但计算结果与常理相悖,一个小小电子的电荷怎么会变得在整个空间到处都是呢?正当所有人伤透脑筋时,1926年玻恩给出了概率解释。他认为量子力学中的电子不像经典粒子那样有决定性的轨道,而是随即地出现于空间中某个点。不过,电子出现在特定位置的概率是一定的,是由薛定谔方程解出的波函数决定的。当时不少人支持这个想法,虽然薛定谔本人并不赞同这种统计或概率的解释。之后,随着量子力学的深入发展,波函数引发了更多的谜团,其中包括海森堡不确定性原理、波函数坍塌、量子测量的主观性、量子纠缠等一系列量子诡异现象,就连爱因斯坦也坐不住了。物理学界的大咖基本形成了两派:以玻尔、玻恩、海森堡、泡利、狄拉克为代表的哥本哈根学派,以及以爱因斯坦、薛定谔等人为首的反对派。今天我们知道,量子是不可测量的,自然也是不可复制的,另外还有量子叠加、量子纠缠等特性,而量子的这些特性就是量子计算和量子通信发展的基础。实际上早在上世纪30年代之前,歌本哈根学派就已经提出量子的这些特性,但是从理论到实际应用走过了半个世纪。哥本哈根学派在将波函数理解为概率分布的基础上发展的量子力学,之所以在后来成为主流观点,离不开爱因斯坦等人的反对,正是这些反对的声音,才促使量子理论的不断完善。根据哥本哈根学派的量子理论,波函数不能准确确定电子的位置,某一时刻的电子,有可能位于空间中的任何一点,只是位于不同位置的概率不同而已。换言之,电子在这一时刻的状态,是由电子在所有固定点的状态按一定概率叠加而成的,称之为电子的量子“叠加态”。而每一个固定的点,被认为是电子位置的“本征态”。比如在量子理论中,电子的自旋被解释为电子的内在属性,无论你从哪个角度来观察自旋,都只能得到“上旋”或“下旋”两种本征态。那么,叠加态就是本征态按概率的叠加,两个概率的组合可以有无穷多。电子既“上”又“下”的叠加态,是量子力学中粒子所遵循的根本规律。光也是有叠加态的,例如,在偏振中,单个光子的电磁场在垂直和水平方向振荡,那么光子就是既处于“垂直”状态又处于“水平”状态。但是,当我们对粒子(比如电子)的状态进行测量时,电子的叠加态就不复存在,它的自旋要么是“上”,要么是“下”。为了解释这个过程,海森堡提出了波函数坍缩的概念,即在人观察的一瞬间,电子本来不确定位置的“波函数”一下子坍缩成某个确定位置的“波函数”了。因此,量子具有不可测量的特性。量子的叠加态,严重违背了人们的日常经验,于是薛定谔想出了一个有关“猫”的思想实验,以此来嘲笑哥本哈根学派对“波函数”概念的概率解释。这就是我们耳熟能详的“薛定谔的猫”。他将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和未衰变两种状态的叠加,因此这只猫相应地处于“死”和“活”的叠加状态,直到有人打开盒子观测才能有确定的结果。薛定谔认为,一只猫,要么是死的,要么是活的,怎么可能既死又活?尽管现实中的猫不可能既死又活,但电子(或原子)的行为就是如此,这个实验则使薛定谔再次站到了自己奠基的理论的对立面,因此有物理学家调侃道:“薛定谔不懂薛定谔方程。”尽管遭到了薛定谔的反对,但量子叠加态在上世纪80年代量子计算诞生后,已经被人们所深信不疑。1981年5月,物理学家费曼在麻省理工学院召开的“物理与计算”会议上做了一个关于用计算机模拟量子物理的报告,他认为经典计算机不能准确模拟量子行为,需要建造一个按照量子力学的规律来运行的计算机才能成功模拟它。从此,量子力学理论被应用在计算机科学上,量子计算机利用的正是量子叠加的特性。经典计算使用二进制进行运算,一个比特总是处于0或1的确定状态;量子计算完全不同,一个量子比特是0和1按照一定概率的叠加。一个量子比特一次就能同时表示0和1两个数字。一个比特只表示一个数还是同时表示两个数,看起来差别不大。但如果多个量子比特与同样数目的经典比特比较,差别将是指数级的。比如,两个经典比特可以表示00、01、10、11这4个数字,但只能从中选择一个。但如果是两个量子比特,一次就能同时表示这4个数字。再如,三个经典比特仍然只能表示一个数字,三个量子比特可以用来同时表示8个数字。以此类推下去,随着比特数量的增加,经典系统一次表示的数字依然是一个,只是可以表示的数值更大而已。但量子系统同时能表示的数字数目将以指数方式快速增加,即2N。当有20个量子比特时,它一次能表示的数字数目为220,超过100万。当N=250时,可以表示的数字数目比宇宙中所有原子的数目还要多。这就是为什么人们认为量子计算机的计算能力如此强大。玻尔和爱因斯坦是好朋友,两人都是量子力学的开创者和奠基人,但他们对量子理论的诠释却各执己见,毫不退让。玻爱之争有三个回合值得一提,第一回合发生在1927年的第五届索尔维会议上。那是一场物理学界的群英会。会议合影里的29人中,有17人获得了诺贝尔物理学奖。玻爱之争的双方人马旗鼓相当。玻尔的哥本哈根学派在人数上占优势,但对手这边三个人物一个比一个分量重:德布罗意、薛定谔、爱因斯坦。在正式会议阶段,玻尔和哥本哈根学派对量子理论的解释占了压倒性优势。爱因斯坦的质疑通常在正式会议之外提出,而两派人马的辩论和交锋,则大部分发生在每天会前会后的餐桌上。爱因斯坦的出发点是经典力学中的三个假设——守恒律、确定性、局域性。一般来说,在守恒律方面争议不大。但海森堡提出的不确定性原理违背了确定性的假设,这是爱因斯坦所不能忍受的。海森堡1925年发现电子的运动实际上并无轨迹可言,因为电子的位置和动量不可能同时被确定:位置的不确定性越小,动量的不确定性就越大,反之亦然。海森堡由此提出不确定性原理。爱因斯坦的观点可以用其名言“上帝不掷骰子”来概括,即世界的本质不是随机的,与经典力学的观点一致。那些看起来无法解释的随机现象,是因为有尚未发现的“隐变量”,一旦我们找出了这些隐藏着的变量,随机性就不复存在了。然而,哥本哈根学派认为,微观世界的随机性是内在的、本质的,并没有什么隐藏得更深的隐变量,有的只是“波函数坍缩”到某个本征态的概率。最后直到会议结束,两派仍然各执己见,谁也没有被对方说服。三年后的第六届索尔维会议上,两派人马再次华山论剑。爱因斯坦提出了他著名的“光子盒”思想实验。实验装置是一个装有发光物质的密封盒子,盒子上开了一个小洞,洞口的机械钟可以精确控制挡板的开启时间。同时,盒子悬挂在一个精密的弹簧秤上,以测量其质量。实验开始时,先测量一次盒子质量,然后在短时间内控制开启快门让一个光子逸出,当快门关闭后,再测量一次质量。设盒子所减少的质量为m,光子的能量即E=mc2。爱因斯坦认为,在这个实验中,时间由机械钟控制测量,光子的能量可通过弹簧秤测量质量差得到,两者独立进行,互不干涉,理论上都可准确测量。以此来说明时间和能量不能同时准确测量的不确定性原理是不成立的,玻尔一派的观点不正确,量子力学不自洽。爱因斯坦的光子盒实验,当场让玻尔哑口无言。但是只过了一个晚上,玻尔用爱因斯坦自己的广义相对论,指出了光子盒实验的缺陷。玻尔指出:光子跑出后,挂在弹簧秤上的盒子质量变轻,即会上移,根据广义相对论,如果时钟重力方向发生位移,时钟的快慢会发生变化。这样一来,盒子里的机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而发生改变。换言之,使用这种装置,如果要测定光子的能量,就不能精确控制光子逸出的时刻。爱因斯坦被玻尔的回击惊得目瞪口呆,自此以后,便放弃了从不确定性原理这一方面来攻击量子力学的想法。“量子理论也许是自洽的,”他说,“但至少是不完备的。”玻尔那晚也的确被爱因斯坦的“光子盒”问题扰得心神不安,日后多年他仍然一直耿耿于怀。据说,在玻尔1962年去世时,他工作室的黑板上还画着当年爱因斯坦的那个光子盒。1933年第七届索尔维会议,爱因斯坦未能出席,因为他被纳粹赶出了欧洲,刚刚准备接受美国普林斯顿高等研究院的教授职位。没有爱因斯坦在场,德布罗意和薛定谔都不喜欢与人辩论,所以这一年的索尔维会议上,玻尔的哥本哈根学派唱了一场独角戏,一切安好。终于在1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在《物理评论》(Physics