微觀世界中的奧秘

陳壯叔

無論我們把目前的世界稱為后工業(yè)時代還是信息時代，支撐它的現(xiàn)代科技，仍然是量子論和相對論。前者描述粒子（包括分子）尺度的微觀世界，后者則描述大尺度的宏觀領(lǐng)域。兩者各說各的，似乎并不搭界。可是，到了20世紀(jì)70年代，當(dāng)宇宙學(xué)跟粒子物理學(xué)結(jié)合時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們幾乎很難相處，問題就在于各唱各的調(diào)。

首先，就愛因斯坦的相對論而言，它認(rèn)為物質(zhì)彎曲了時空，從而使這些物質(zhì)受到了一種吸引的力，我們稱之為引力。在宇宙的演化中，正是引力起著主要作用。量子論在論述粒子的結(jié)構(gòu)和特性上也十分成功，但它并不研究粒子通過時空時的性質(zhì)，而相對論也不關(guān)心粒子的特性。因此，當(dāng)你欲結(jié)合二者時，它們都呈現(xiàn)出互不相容的特性。正如一位理論家所說：“你如何從一個理論走向另一個理論？我們?nèi)狈σ粋€引力的量子理論?！?/p>

而現(xiàn)行的大爆炸宇宙論告訴我們，宇宙誕生于空間中的一個甚小點（稱奇點），它突然發(fā)生大爆炸，能量和物質(zhì)井噴而出，隨著空間的膨脹，溫度從極高溫降至目前的3.7K。因此，科學(xué)家如果想知道宇宙產(chǎn)生的確切情況，就必須研究奇點。而想要對此做出模擬，你必須建立一個像太陽系那么大的加速器，這顯然是目前的技術(shù)達(dá)不到的。在理論上，很多物理學(xué)家想把上述兩個理論結(jié)合起來，試圖建立一個萬有理論，它將說明宇宙萬物如何在一個最基礎(chǔ)的水平上運行。

不過，牛津大學(xué)的彭羅斯說，量子世界跟相對論也許要比我們想象中更為和諧。我們把引力和量子論結(jié)合起來的實驗，只不過搞了幾十年，“我認(rèn)為這是一條有希望的道路，不該另選‘捷徑’”。

迄今，我們一直忽視著物理學(xué)中某些怪現(xiàn)象的相互影響。例如，小分子和原子能在同一瞬間出現(xiàn)在兩個不同地方，這一現(xiàn)象被稱為重疊（Superposition）。這是量子世界中的一個關(guān)鍵特性，且在無數(shù)實驗中得以證實。但迄今，這一現(xiàn)象跟引力的關(guān)系一直未被述及，而這是相當(dāng)基本的。

提出這些問題并找到答案，可以幫助我們打開了解整個宇宙運行方式的大門，并將弄清科學(xué)中的一個大謎題——是什么東西引發(fā)量子世界和我們體驗到的日常世界之間的轉(zhuǎn)換。實質(zhì)上，這就是問物體究竟要具有多大質(zhì)量就將失去量子特性?？茖W(xué)家古丁很樂觀，他說：“我們要比以往任何時候都接近搞清這一問題?！?/p>

這里還有一個難題，當(dāng)一個原子處于重疊時，這個原子的質(zhì)量是否造成兩個明顯的時空彎曲？也就是說，它是否會對自身施加一個引力粒子？彭羅斯說：“這里還有一個矛盾，一個（原子）重疊不能有兩個引力場?！?/p>

此外，按照狹義相對論，一顆原子通過時空時將產(chǎn)生一個屬于它的獨有的時間流經(jīng)歷（也稱時間膨脹）。如果它處于重疊，那么這個時間膨脹勢必沿著兩條不同的路徑；而當(dāng)重疊終結(jié)時，兩條路徑會合二為一?？墒?，不同的年齡（不同的時間流會造就不同的年齡）無法結(jié)合在一顆原子的身上。這就是說，廣、狹義相對論都容不下重疊現(xiàn)象。

按照量子論的概念，重疊跟量子干涉現(xiàn)象有關(guān)，允許量子客體在它們的空間位置之間產(chǎn)生其存在、特性的撕裂。

因此，想要解釋重疊，就得搞清量子干涉。目前通常的重疊實驗都是所謂的經(jīng)典方法，研究者迫使一顆原子通過干涉儀（這是一個具有兩條縫的屏障）。實驗的結(jié)果十分奇怪：如果沒有人去測量它通過哪一條縫，那么它確實通過了兩條縫，其結(jié)果是一個干涉圖像，形成于置于縫后的探測器中。對這一圖譜的唯一解釋，就是一個原子被撕裂成兩個，各自通過對應(yīng)的一條縫，并在到達(dá)探測器之前相互干涉。如果給干涉儀再配上一臺探測器，以搞清哪一條縫是哪一顆原子通過的，就會沒有了干涉圖譜，也即干涉失效，此稱“去干涉”。這就是說，原子的這種古怪行為只有在無人（或無物）關(guān)注它的情況下才會出現(xiàn)。

至于為何會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，有很多觀點，但大多數(shù)人認(rèn)為，這跟信息的丟失有關(guān)。探測器“看到”原子通過的路徑，會迫使原子選擇這一條或另一條路線，阻止了它得到干涉圖像。實驗證明，即使不用探測器，而是加熱原子使它發(fā)出熱光子，也能指出它的位置，從而強(qiáng)烈地弱化了它的干涉圖譜。

但沒有人真正知道它的確切原因。人們還發(fā)現(xiàn)，若聚集大量的原子就不能出現(xiàn)重疊。彭羅斯等人曾取得一個擁有800個原子（分子）的干涉圖譜?？傊?，原子的數(shù)量越大，重疊的時間就越短，這是因為大量原子的聚集使它不再是量子了。

哈佛大學(xué)的皮可夫斯基等人設(shè)計了另一種重疊實驗，其實驗思想基于時間膨脹概念。他們認(rèn)為，我們把一只鐘（單個原子）放在大樓的5層，如果它進(jìn)入重疊，就意味著該原子的重疊部分將處于另一層面（或高或低），即處在地球引力場的兩個不同部位。

按廣義相對論，時鐘在較弱的引力場中走時較快，因此你的頭部的年齡，要比你的腳部大上300毫微秒。對一只重疊的單個原子鐘來說，會有一個問題，由于兩個位置時間上的差異，該原子會被迫回到高或低的時間上。皮可夫斯基說：“事實上，該原子在不同的地方記錄了不同的時間，并在該原子的位置上泄露出信息?！睋Q言之，因引力而產(chǎn)生的時間膨脹，可以解釋在我們的日常生活中為何看不到物體的重疊。

令人興奮的是，這一研究目前正朝著較大質(zhì)量領(lǐng)域發(fā)展。隨之而來的一個思想，就是為何在較大尺度上不會產(chǎn)生量子現(xiàn)象。一種看法是我們需要修正量子論，而另一種看法則認(rèn)為重疊之所以不能在較多粒子組成的物體中出現(xiàn)，是因為所謂的自發(fā)定位現(xiàn)象，它跟物質(zhì)分布有關(guān)。

目前，維也納大學(xué)的阿恩得特團(tuán)隊已采用空前的較大物體重復(fù)雙縫干涉實驗。阿恩得特相信，自發(fā)定位將抑制10萬至1億原子質(zhì)量單位的物體出現(xiàn)重疊。他說，這一實驗估計在2015年年底前將有所成就。在其重疊實驗中，已將物體的質(zhì)量在原有基礎(chǔ)上疊加了1萬原子質(zhì)量單位，并將向更高的目標(biāo)前進(jìn)。

雖然實驗結(jié)果將是最終的裁判，但這些技術(shù)自身都有很大的局限性。因此，阿恩得特更看好理論上的進(jìn)展，在他看來，現(xiàn)在是理論家的黃金時代。

可是，理論家阿斯佩爾邁耶說，從理論上來看，前面還有一段較長的路要走，“這可能是長的、很長的，甚至是不可能走完的”。這里所指的是萬有理論，大多數(shù)人相信，這個理論離我們還是很遠(yuǎn)。

但古丁相當(dāng)樂觀，他說，上述實驗也有優(yōu)點，那就是一切條件都具備，我們可以在現(xiàn)有條件下測試廣義相對論和量子論是否能夠結(jié)合。不過，他還是相當(dāng)謹(jǐn)慎，他說：“直至最近，我們還未看到是否有可能對引力的量子相互作用進(jìn)行測試?！?/p>

讓我們來思考這個問題：對微觀世界和我們?nèi)粘５暮暧^世界，二者之間如何畫線？又由誰來決定？前者很簡單，取決于該物體是否有量子特性，若有，則屬微觀世界。

彭羅斯、古丁等人著眼于粒子聚集的總質(zhì)量，而有些科學(xué)家則把視線集中在粒子的波長上。量子具有波粒兩象性，如光子，它在飛馳時是光波，可是在碰到物體時，它又具有實物粒子的性質(zhì)。

澳大利亞的科學(xué)家考林格，就在探索這條界限的由來。他說：“我們得到的所有東西，截取自我們大腦的信息，在那里構(gòu)成了某種真實。但事實上，我們擁有的僅僅是一個純信息?！痹诳剂指竦奶?0實驗中，他看到一些光子源自這個分子，當(dāng)這些光子離開該分子時就會帶走有關(guān)它的信息。在考林格看來，這些光子暗示了量子（微觀）和經(jīng)典（宏觀）世界間的界限。他說，這兩個世界之間的一個關(guān)鍵性差別，就是古怪的量子重疊現(xiàn)象。

考林格認(rèn)為，他們已經(jīng)找到了答案。他們實驗的主題是所謂的“勃露格主波長”。大致上，我們可以將這個波長看作一個標(biāo)尺，假如一個物體的勃露格主波長近似于它的長度，那么其波的性質(zhì)明顯可見。拿一輛轎車來說，其波長為10米，遠(yuǎn)小于轎車的長度，因此它的行為呈宏觀世界的特性。

在考林格的實驗中，也談到了信息丟失的問題。他說，如果對碳-70分子加溫。物質(zhì)波的干涉圖像就消失了，原因在于該分子升溫時會發(fā)射出光子，這些光子帶走了有關(guān)該分子位置的信息。一旦你知道了分子的路徑，其行為就不再是類波特性，此時波被“局域化”，也即“凝固化”了，因而不再具有波的特性，干涉圖像也就消失了。

這里還要指出，彭羅斯等人的研究著眼于量子現(xiàn)象跟引力的關(guān)系，從某種意義來說，這更具有本質(zhì)性，因為畢竟引力是宇宙的主宰。