穿越微觀與宏觀的光

苗千

人類需要光、依賴光。

不僅各種宗教典籍多以宇宙中的第一縷光線開(kāi)篇，現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)端與發(fā)展也始終與光有關(guān)，從光的微粒學(xué)說(shuō)和波動(dòng)學(xué)說(shuō)之爭(zhēng)，延伸至認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性，到對(duì)于量子糾纏現(xiàn)象的理解，一直發(fā)展至量子計(jì)算機(jī)研究，人類文明的進(jìn)步與對(duì)于光的認(rèn)識(shí)一直緊密相連。

開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代物理學(xué)的大科學(xué)家牛頓在1704年完成巨著《光學(xué)》，論證光是由極微小的顆粒構(gòu)成，他用一塊三棱鏡把一束白光分解為一條彩色的光譜，證明白光是由各種單色光的顆粒所組成，這與當(dāng)時(shí)荷蘭物理學(xué)家惠更斯的光波動(dòng)學(xué)說(shuō)相對(duì)立。因?yàn)楫?dāng)時(shí)牛頓威名赫赫，使得物理學(xué)界長(zhǎng)期傾向于光的微粒說(shuō)。

直到大約100年之后，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊用光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光具有和水波相似的干涉性質(zhì)，無(wú)可置疑地證明了光的波動(dòng)性質(zhì)，人類對(duì)于光的本性的認(rèn)識(shí)自此產(chǎn)生了180度的轉(zhuǎn)變，而隨后麥克斯韋提出的電磁學(xué)理論，把光、電、磁三種現(xiàn)象統(tǒng)一起來(lái)，利用波動(dòng)方程加以描述，光的波動(dòng)性質(zhì)已經(jīng)完全清晰了。

挽救了光的粒子理論的是愛(ài)因斯坦，他通過(guò)光電效應(yīng)提出了光量子假說(shuō)，認(rèn)為光的能量是一份一份地被發(fā)射和吸收的，這個(gè)假說(shuō)最終得到了證實(shí)。到了1927年，保羅·狄拉克證明光子是電磁場(chǎng)與電荷相互作用的量子態(tài)激發(fā)——人類終于從理論層面認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性：光的干涉現(xiàn)象體現(xiàn)了波動(dòng)性，而對(duì)光的吸收和探測(cè)則體現(xiàn)了粒子性。粒子的波粒二象性只是微觀世界奇異現(xiàn)象的一部分而已，更令人迷惑的則是微觀世界的量子糾纏現(xiàn)象。

假設(shè)一個(gè)自旋為0的粒子衰變?yōu)閮蓚€(gè)自旋為1/2的粒子，這兩個(gè)粒子無(wú)論相隔多遠(yuǎn)都將處于一種糾纏態(tài)之中。根據(jù)角動(dòng)量守恒的原則，在任何方向上，這兩個(gè)自旋為1/2的粒子的自旋方向?qū)⒖偸窍喾吹模m然在未被測(cè)量之前，這兩個(gè)粒子的自旋方向并不確定）——在被測(cè)量之前，人類沒(méi)有任何機(jī)會(huì)、任何信息能夠預(yù)測(cè)兩個(gè)粒子的自旋方向。這兩個(gè)粒子的自旋狀態(tài)實(shí)際上是處于向上和向下的疊加態(tài)，這種狀態(tài)會(huì)持續(xù)到測(cè)量行為的發(fā)生。但是測(cè)量行為使量子疊加態(tài)立刻轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)確定的數(shù)值，這兩個(gè)粒子無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，對(duì)其中一個(gè)粒子的測(cè)量都會(huì)立即使另一個(gè)粒子的狀態(tài)也從疊加態(tài)變成確定態(tài)。

自從量子力學(xué)誕生之日起，如何理解量子力學(xué)就成了一個(gè)重要的問(wèn)題，而理解量子糾纏現(xiàn)象，被大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為是理解量子力學(xué)的核心問(wèn)題。處于糾纏態(tài)的粒子狀態(tài)并不獨(dú)立，而是與另一個(gè)相聯(lián)系，正如量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一埃爾文·薛定諤所說(shuō)：“量子糾纏中有著量子力學(xué)的精髓?！绷孔佑?jì)算、量子加密和量子傳輸技術(shù)都依賴處于糾纏態(tài)的粒子之間的相互作用，但是這種在微觀世界中非常普遍的量子糾纏現(xiàn)象至今都無(wú)法被處于宏觀世界的人類所理解，這就涉及宏觀與微觀之間的區(qū)別，以及如何尋找微觀和宏觀之間的界限。

在1935年，薛定諤就意識(shí)到了量子力學(xué)在宏觀世界中有著更為復(fù)雜的體現(xiàn)，而且把量子力學(xué)的理論應(yīng)用在宏觀世界有可能導(dǎo)致非常奇異的結(jié)果，例如生死難辨的“薛定諤的貓”，正是量子疊加態(tài)的宏觀體現(xiàn)?！把Χㄖ@的貓”顯然使薛定諤自己也感到迷惑，甚至讓人開(kāi)始懷疑“真實(shí)”的意義。為了某種程度上的自我安慰，在1952年他寫(xiě)道：“我們從來(lái)不會(huì)用單個(gè)的電子或是原子或是（?。┓肿幼鰧?shí)驗(yàn)。在假想實(shí)驗(yàn)中，有的時(shí)候我們可以設(shè)想這樣做，但是這總會(huì)無(wú)可避免地導(dǎo)致荒謬的結(jié)果?！?/p>

“真實(shí)”元素的缺失說(shuō)明量子力學(xué)并不完備，但是近年來(lái)各種越來(lái)越精確的貝爾實(shí)驗(yàn)說(shuō)明量子力學(xué)確實(shí)打破了愛(ài)因斯坦關(guān)于定域性的局限，或許微觀世界的“非定域性”和量子糾纏才是“真實(shí)”最基本的元素。研究量子糾纏現(xiàn)象，探索微觀與宏觀之間的界限，目前大多數(shù)的精密實(shí)驗(yàn)都是利用光子來(lái)完成的。光子統(tǒng)計(jì)學(xué)和光子計(jì)數(shù)技術(shù)的發(fā)展讓人們可以真正檢驗(yàn)經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)在光子概念上的不同，很多此前的思想實(shí)驗(yàn)已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。實(shí)際上，現(xiàn)在人類已經(jīng)可以利用單個(gè)的光子、電子、原子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，IBM公司甚至利用單個(gè)原子組成的圖像拍攝出了世界上最小的電影，這些成就顯然都是薛定諤那一代物理學(xué)家所無(wú)法想象的，很多假想實(shí)驗(yàn)早已成為現(xiàn)實(shí)，但是量子力學(xué)所帶來(lái)的困惑與那個(gè)時(shí)代并無(wú)太大不同。

在與愛(ài)因斯坦關(guān)于量子力學(xué)本質(zhì)的爭(zhēng)論過(guò)程中，玻爾強(qiáng)調(diào)，宏觀與微觀之間的這條分界線必須是可以移動(dòng)的，人的神經(jīng)系統(tǒng)也可以被認(rèn)為是一種量子系統(tǒng)。惠勒對(duì)此進(jìn)行了更清晰的表述：“沒(méi)有任何現(xiàn)象算得上是現(xiàn)象，直到它們被記錄下來(lái)（被觀測(cè)到）?！薄@正是哥本哈根學(xué)派的觀點(diǎn)，也是目前物理學(xué)界的主流觀點(diǎn)。

量子計(jì)算技術(shù)需要利用到量子糾纏現(xiàn)象，這項(xiàng)技術(shù)直指量子力學(xué)的本質(zhì)。定域性、因果律，這些在宏觀世界不可打破的規(guī)則在微觀世界不再是不可打破的規(guī)律，兩者之間的區(qū)別究竟在哪里？量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一玻爾在量子領(lǐng)域和宏觀領(lǐng)域之間畫(huà)出了一條線：測(cè)量工具和觀測(cè)者屬于宏觀領(lǐng)域，被測(cè)量的量子系統(tǒng)在分界線的另一邊。但問(wèn)題在于，這條分界線的具體位置至今也不清楚。把微觀與宏觀世界之間的分界線推到極致就產(chǎn)生出多重宇宙理論，到了物質(zhì)世界和意識(shí)之間，整個(gè)宇宙都是量子態(tài)的表述，每一次觀測(cè)都會(huì)誕生無(wú)窮多個(gè)宇宙，但這仍然是對(duì)于量子力學(xué)本質(zhì)某種意義上的回避。

不僅是進(jìn)行量子糾纏實(shí)驗(yàn)，在量子通訊和量子計(jì)算研究中光也具有重要的作用。光子能夠以最快的速度傳遞信息，而且不容易與周圍環(huán)境相互作用發(fā)生退相干，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易進(jìn)行高精度的操作，因此最合適用來(lái)進(jìn)行通訊。光子之間的相互作用產(chǎn)生了許許多多傳統(tǒng)力學(xué)完全無(wú)法解釋的現(xiàn)象，對(duì)于一種新現(xiàn)象的理解，也就意味著人類可能對(duì)于一種新現(xiàn)象加以利用。因此，對(duì)于量子計(jì)算機(jī)的研究很可能幫助人類最終理解量子糾纏現(xiàn)象的本質(zhì)。

1994年在科羅拉多博爾得舉行的一次原子物理學(xué)會(huì)議上，牛津大學(xué)物理學(xué)家阿瑟·厄克特（Artur Ekert）舉行了一次關(guān)于量子計(jì)算的講座，他的講座啟發(fā)了馬克斯普朗克研究所的物理學(xué)家伊格納西奧·西拉克（Ignacio Cirac）和奧地利物理學(xué)家彼得·佐勒（Peter Zoller），他們?cè)?995年第一次提出了實(shí)現(xiàn)量子處理器的想法，利用一個(gè)離子的兩種狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)量子比特，但在目前大量的量子計(jì)算和量子通信實(shí)驗(yàn)中，人們?nèi)匀唤?jīng)常使用易于操作的光子。人類理解光、操縱光的歷史，正在書(shū)寫(xiě)一個(gè)新的篇章。