P_cliff 版 (精华区)

发信人: vv (爱一只猫就要让她自由), 信区: P_cliff
标  题: 上帝会掷骰子吗？
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon Jul  4 15:13:59 2005), 转信

爱因斯坦已成为偶像，认为他犯错误简直就是亵渎神圣，甚至连他声名狼籍的"最大失手"也为他增添了绝对正确的光环：他原来的错误理论竟可以精确地解释天文观测[参见本期Lawrence M. Krauss 和 Michael S. Turner所著《宇宙常数的变迁史》一文]。尽管大多数外行对爱因斯坦犯错误的说法会产生反感，但是如果他是正确的，大多数理论物理学家会感到格外地震惊。 
尽管没有人怀疑爱因斯坦的伟大，但是物理学家想知道，他在上个世纪20和30年代的量子革命期间都干了些什么。教科书和传记将他描绘成对量子论研究交了白卷。1905年，他向世界介绍这一基本概念，但是随着量子力学的成熟，他所做的一切似乎都是在指手划脚。对该理论，他更多地是在拆台而不是建设。一种保守的神秘主义——包括在他的一句名言"我永远不相信上帝在掷骰子"中——似乎侵害了他的科学理性。 
与量子论主流研究背道而驰，爱因斯坦在其生命的最后10年唐吉诃德式地沉迷于物理学的统一理论。后来继续这方面工作的弦理论家和其他人发誓不再沿相同的路线走下去。他们的假设是，当（描述引力的）广义相对论与（处理所有其他事物的）量子力学相遇时，相对论应当让路。尽管不能说爱因斯坦的杰作（广义相对论）是严格"错误的"，但最终只能算是一种近似。 
 
坍塌的理论 
尽管如此，近年来，当物理学家加倍努力来全面理解量子论时，越来越多的人开始欣赏爱因斯坦的观点。"相比于许多给予他荣誉的人，这家伙更加深入、迅速地看清量子力学的核心问题。"贝尔实验室的Christopher Fuchs如是说。有些人甚至赞同爱因斯坦：量子力学最后一定会让位于一种更基础的理论。美国加州大学伯克利分校的Raphael Bousso说："我们不应当设想量子力学是一成不变的。" 
这种说法很有份量，因为量子力学是科学史上最成功的理论框架。它替代了除广义相对论之外此前所有的经典理论，而且大多数物理学家认为，它获得最后的胜利仅仅是时间问题。毕竟，相对论有许多漏洞——例如黑洞问题。相对论预测恒星会坍缩成无穷小的点，但是不能解释随后会怎样。显然，该理论是不完整的。克服这一局限性的一种自然方式是，将它纳入到一种引力的量子论中，例如弦理论。 
但是，量子论也存在一些缺陷。作为最早认识到其不足的人之一，爱因斯坦发现量子力学也是不完备的。它不能解释为什么单个物理事件会发生，不能提供一种方法以了解对象的内在属性，并且不具备有说服力的概念基础。而且，量子论又退回到爱因斯坦之前的时空观。例如，该理论认为，8升的水桶可以容纳1升水桶容量的8倍。在日常生活中的确是这样，但是相对论认为，8升的水桶最终可能只能容纳1升水桶容量的4倍——也就是说，水桶的容量与其表面积而不是体积成正比。这种限制被称作全息限制（holographic limit）。当水桶内容物密度足够大并且超出该限定时，就会触发坍缩，形成黑洞。因此，黑洞不仅是相对论，也是量子论（更不用说水桶）崩溃的信号。 
对一个不完备理论的直接反应就是完善它。自从1920年代之后，一些研究人员提出用"隐变量"来完善量子力学。其基本思想是，量子力学实际上是从经典力学而不是其他方式衍生出来的。粒子具有确定的位置和速度并且遵循牛顿定律（或者这些定律的相对论延伸）。粒子行为之所以看上去采取古怪的量子方式，不过是因为我们没有或者不能够看清其潜在的秩序。英国谢菲尔德大学的Carsten van de Bruck说："在这些模型中，量子力学的随机性就好像一枚硬币。它看上去是随机的，事实上并非如此。你可以写下一个决定论方程来描述它。" 
 
创造性的摩擦力 
用布朗运动来做类比。粉尘微粒的运动表面上看是随机的，但是正如爱因斯坦自己证明的那样，其运动由服从经典定律的、看不见的分子所产生。事实上，这种模拟已经让人产生了可望不可及的焦急感。量子力学方程与分子运动论（以及更广义的统计力学）方程出奇地相似。在有些公式中，量子论的基本参数普朗克常数扮演温度的数学角色。量子力学似乎在描述某种气体或全体"分子"（更加原始的物质实体）的混乱组合。 
面对一种猜测性的思想（例如量子力学），物理学家在了解如何通过实验验证它之前，往往以重实效的标准为指导：该思想是否在知性上具有丰富的想象力。例如，弦理论孕育了新的物理学原理以及完整的数学规范，因此即便实验证明它是错误的，也不能算是白费力气。根据该标准，大多数物理学家很早就反对隐变量的概念。包含隐变量的理论没有预测新现象，没有阐明有说服力的原理，而且除非凭借原本应当避免的特殊伎俩（例如远距离活动），否则不能再现量子力学。爱因斯坦自己曾涉足隐变量，但是后来认为它们"很廉价"。他的结论是，不能通过嫁接到经典原理上来完善量子力学，它应当出现在对基础物理学彻底的重新思考中。 
尽管如此，在过去5年中，隐变量又起死回生，这要归功于以摆弄激进的假设而知名的诺贝尔奖获得者、荷兰乌特列支大学（Utrecht University）的量子力学家Gerard誸 Hooft。他认为，量子力学与经典力学之间最突出的差别是信息缺失。经典系统比量子系统包含更多的信息，因为经典变量可以是任何值，而量子变量则是离散的。因此当一个经典系统让位于量子系统时，就会丢失信息。而且由于摩擦或其他耗散力的作用，这种现象会自发地产生。 
如果你以不同的速度从帝国大厦顶上抛出两枚硬币，空气阻力会使得它们逼近相同的自由沉降速度（terminal velocity）。站在楼底人行道上的人将无法辨认硬币抛出时的准确速度；该信息是一个隐变量。对于这种（以及许多其他的）情形，一个很大范围的初始条件（即所谓的吸引子）将导致同样的长期行为。吸引子与量子态一样是离散的。它们所服从的规律来自于牛顿定律，却又不同于牛顿定律。Hooft断言，事实上吸引子衍生出的规律不是别的，正是量子力学。因此，自然界在大多数细节层面上是经典的，但是由于耗散而呈现出量子力学的形态。"可以认为量子力学是某些基本理论的低能极限。"意大利萨勒诺大学的Massimo Blasone说。 
表达这一观点之后，Blasone及其同事又表示，一台量子线性谐波振荡器（单摆的量子化版本）可以产生于两台有摩擦的（friction-plagued）经典振荡器。每台振荡器都服从经典规律，但是它们的联合行为则服从于量子规律。美国杜克大学的Berndt Muller及其同事已证实，当从4维时空中观测时，5维时空下运转的经典系统可能变种为一个量子系统。量子奇异性（weirdness）反映出额外维度（一种隐变量）所允许的丰富的互连网络。至于摩擦将经典系统转变成量子系统的来源，van de Bruck认为可能与引力有关。 
 
量子系统Vs经典系统  
对隐变量的一种分离方法，同样依赖于维度的小伎俩，不过这种情形发生在时间上。许多物理学家和哲学家认为量子力学很奇怪，因为我们假设只有过去会影响现在。如果未来也影响现在呢？那么量子力学的或然性只不过反映出我们自身对将要发生的事情的无知。在过去10年里，英国沃克大学（University of Warwick）的Mark Hadley一直在琢磨这一概念。他指出，在广义相对论中，未来像过去一样是确定存在的，因此过去和将来都会影响现在也就自然而然了。"未来将要执行的观测也是隐变量之一。"Hadley说。

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