量子世界的邊界在哪里？

編譯/李威

為了解答一些存在已久的科學(xué)謎團(tuán)，科學(xué)家不斷探索經(jīng)典物理學(xué)與量子物理學(xué)之間的界限，以及量子物理學(xué)在何處失效。

要想理解極小微觀粒子（比如基本粒子、原子甚至分子）的行為，就一定要用到量子物理學(xué)那些令人費(fèi)解的原理。在量子領(lǐng)域，物理學(xué)呈現(xiàn)出怪異特性，而這些怪異特性又是解開量子宇宙難題繞不開的。

與之形成鮮明對(duì)比的是，我們所處的日常宏觀世界忠實(shí)地遵循著更令人感到舒適、更符合我們直覺的經(jīng)典物理學(xué)定律。這些定律在日常世界中發(fā)揮的作用與復(fù)雜得多的量子定律在量子世界中發(fā)揮的作用相當(dāng)。然而，這些經(jīng)典物理學(xué)定律其實(shí)只能說是量子定律的近似，雖然應(yīng)用在我們的日常生活中比較準(zhǔn)確，但僅僅觸及量子力學(xué)的表面。而量子力學(xué)才是在最小尺度上約束宇宙行為的更基本物理學(xué)定律。

不過，一個(gè)有意思的想法已經(jīng)開始萌生。許多物理學(xué)家認(rèn)為，雖然對(duì)宏觀物理系統(tǒng)的經(jīng)典描述效果不錯(cuò)，但在微觀尺度上應(yīng)用經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生的微小偏差會(huì)隨時(shí)間累積，最終導(dǎo)致經(jīng)典描述崩潰。

這個(gè)科學(xué)家假想出來的問題就是所謂的“量子失效”。這個(gè)迷人的概念挑戰(zhàn)著我們對(duì)經(jīng)典世界與量子世界之間界限的認(rèn)識(shí)。

比利時(shí)魯汶天主教大學(xué)博士后研究員塞巴斯蒂安 · 澤爾（Sebastian Zell）在電子郵件中解釋說：“我們知道，從基礎(chǔ)層面上說，世界就是量子的。因此，任何經(jīng)典描述都只能是近似——如果你考察得足夠仔細(xì)，就會(huì)看到一些‘量子性的特征。”

不過，經(jīng)典物理學(xué)描述在很多場(chǎng)合中都能產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實(shí)際上，正是因?yàn)榻?jīng)典物理學(xué)相當(dāng)有效，所以我們才遲至100多年前才發(fā)現(xiàn)了量子效應(yīng)！那么，為什么我們?cè)谌粘Ｉ钪袕臎]有經(jīng)歷過經(jīng)典物理學(xué)近似完全失效的情況呢？

研究量子失效

為什么我們?cè)谂c宏觀物體接觸時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)這種量子失效現(xiàn)象？鑒于我們周圍的絕大多數(shù)物體都是宏觀的，究明這個(gè)問題的原因尤為重要。為了找到答案，澤爾和他和同行、以色列內(nèi)蓋夫本-古里安大學(xué)的馬爾科 · 米歇爾（Marco Michel）展開了一項(xiàng)理論研究。他們的研究對(duì)象是一個(gè)特別的量子系統(tǒng)，與由原子構(gòu)成的一維氣體類似。描述這類大型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)框架幾乎都是一樣的。

澤爾說：“為了探索量子失效問題，我們?cè)谘芯窟^程中構(gòu)建（對(duì)我們理論物理學(xué)家來說，‘構(gòu)建意味著‘寫下來）了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型。接著，我們用之前就開發(fā)了的計(jì)算機(jī)程序計(jì)算這個(gè)系統(tǒng)會(huì)如何隨時(shí)間演化。最后，我們把模擬得到的結(jié)果同經(jīng)典近似作比較，進(jìn)而確定兩者之間是否有顯著區(qū)別，如果有，又出現(xiàn)在何時(shí)、何處?！?/p>

研究過程中，澤爾和米歇爾調(diào)試了許多不同的模型參數(shù)，比如原子的數(shù)量、原子與原子間彼此相互作用的強(qiáng)度。在用各種參數(shù)重復(fù)上述過程后，這個(gè)團(tuán)隊(duì)終于得到了量子失效的兩個(gè)重要特征。

澤爾解釋說：“首先，我們確定了量子失效會(huì)在何種情況下發(fā)生。我們發(fā)現(xiàn)，只有在原子間相互作用相對(duì)較強(qiáng)時(shí)，經(jīng)典描述才會(huì)失效。這對(duì)那個(gè)困擾我們?cè)S久的問題——為什么我們?cè)谌粘Ｉ钪杏^察不到量子失效現(xiàn)象——具有相當(dāng)大的啟示作用?！?/p>

“其次，我們確定了量子失效時(shí)間（即經(jīng)典近似描述的誤差累計(jì)多久才會(huì)導(dǎo)致失效）與系統(tǒng)各種不同參數(shù)之間的關(guān)系。尤其值得一提的一點(diǎn)是，我們之前已經(jīng)知道，隨著粒子數(shù)量的增加，量子失效時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)。換句話說，系統(tǒng)越是宏觀，經(jīng)典近似描述有效時(shí)間就越長(zhǎng)。”

“然而，我們?cè)谶@個(gè)研究中觀察到，量子失效時(shí)間雖然的確會(huì)隨粒子數(shù)量的上升而變長(zhǎng)，但速度相對(duì)較慢。簡(jiǎn)單來說，我們甚至可以說，在經(jīng)典情形下，量子失效根本就不會(huì)發(fā)生。不過，如果它確實(shí)發(fā)生了，那么速度可能快得驚人?！?/p>

澤爾和米歇爾的研究是純理論的，因此，他們得到的結(jié)果需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這可能很難實(shí)現(xiàn)。難點(diǎn)在于，在我們處理的大部分宏觀系統(tǒng)中，原子、分子間的相互作用都比較微弱，所以量子失效很難發(fā)生。另外，在真實(shí)存在的物理實(shí)體中，粒子數(shù)目非常龐大——舉個(gè)例子，一升空氣就包含至少1022個(gè)原子——于是，量子失效時(shí)間會(huì)非常長(zhǎng)。

不過，這些物理學(xué)家認(rèn)為，對(duì)某些系統(tǒng)的研究或許能在不遠(yuǎn)的將來驗(yàn)證他們現(xiàn)在得到的結(jié)論。

澤爾說：“我們現(xiàn)在研究的這類模型可以在玻色-愛因斯坦凝聚中實(shí)現(xiàn)——這類凝聚現(xiàn)象與超導(dǎo)性的本質(zhì)有關(guān)。我已經(jīng)開始同這個(gè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)專家對(duì)話，而且現(xiàn)在也在努力尋找適合實(shí)驗(yàn)室研究的具體系統(tǒng)。如果這個(gè)方法有效，那真的很棒，可能在幾年內(nèi)就產(chǎn)生重要結(jié)果?！?/p>

解決黑洞輻射悖論

除了提升我們對(duì)物理學(xué)整體的理解，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究還可能對(duì)我們對(duì)宇宙中最為神秘的某些天體的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生重要影響，比如：黑洞。

就當(dāng)下的情況來說，我們對(duì)黑洞這類天體的物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)還存在大量空白，因而出現(xiàn)了一些難以解決的悖論，其中一個(gè)與假想中的黑洞輻射相關(guān)。

20世紀(jì)70年代，英國(guó)物理學(xué)家斯蒂芬 · 霍金（Stephen Hawking）預(yù)言，黑洞應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生電磁波，但這種輻射——我們現(xiàn)在稱其為“霍金輻射”——不會(huì)攜帶任何有關(guān)黑洞吞噬物質(zhì)的“信息”。然而，這違背了量子理論的一個(gè)基本假設(shè)：信息不會(huì)憑空消失。這個(gè)基本假設(shè)也就是所謂的“信息統(tǒng)一性原理”或“信息守恒原理”。

澤爾說：“量子失效可以解答這個(gè)問題?；艚鸬挠?jì)算只有在用經(jīng)典近似描述黑洞時(shí)才有效。因此，一旦黑洞發(fā)生了量子失效，就意味著霍金對(duì)黑洞的經(jīng)典描述不再有效。完全有可能存在某種我們目前還不知道的發(fā)射方式將信息從黑洞內(nèi)部帶出。我們的研究結(jié)果表明，量子失效可以很早發(fā)生，從而避免任何信息損失。”

“當(dāng)然，這也只是向認(rèn)識(shí)黑洞信息處理過程邁出的第一步。截至目前，我們還完全不清楚這種能夠釋放信息的全新黑洞蒸發(fā)方式會(huì)是什么樣子?！?/p>

澤爾和米歇爾特別指出，對(duì)量子失效的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上全面，無論是對(duì)進(jìn)一步深入研究量子失效來說，還是對(duì)解決黑洞輻射悖論來說，都仍然需要大量后續(xù)研究。

澤爾總結(jié)說：“到目前為止，我們已經(jīng)研究了量子失效何時(shí)發(fā)生，也即經(jīng)典描述在經(jīng)歷何種時(shí)間跨度后會(huì)失效。下一步，也就是我們現(xiàn)在做的事情，就是研究量子失效的特征，也即量子系統(tǒng)究竟會(huì)與經(jīng)典描述產(chǎn)生何種不同。”

“這方面的研究意義重大，一項(xiàng)重要應(yīng)用就是黑洞：就現(xiàn)在的情況來說，我們還完全不清楚黑洞在經(jīng)典描述失效之后會(huì)如何演化。要想借助宇宙觀測(cè)手段尋找黑洞，一個(gè)必要前提就是找到‘量子失效黑洞的可能特征?！?/p>

資料來源 Advanced Science News

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本文作者安德烈·費(fèi)爾德曼（Andrey Feldman）是一位科學(xué)作家，主要圍繞物理、空間和技術(shù)主題進(jìn)行創(chuàng)作，擁有魏茨曼科學(xué)研究所弦理論博士學(xué)位