從量子論和相對論看「光子佯謬」
量子糾纏指的是在兩個、或兩個以上粒子之間產生的疊加態,由於一個粒子和另一個粒子的量子態產生了疊加效應,因此,在沒有外界干擾的條件下,比如:沒有實驗員的觀察和測量的介入,無論兩個粒子相隔多遠,兩個、或多個粒子的糾纏行為都會同時發生。愛因斯坦認為量子糾纏的「超距作用」違反了物理學的「定域性原則」,而量子物理學家通過大量的實驗證實了量子糾纏行為的「非定域原則」。在經典物理和相對論的描述中,光子運動和它們的相互作用發生在「定域性」、相對於我們的觀測來說是真實、低維的時空維度中,而在量子物理的描述中,光子運動和光子的相互作用發生在「非定域性」、相對於我們的觀測來說是虛空、高維的時空維度中,將光子這兩種背道而馳的屬性聯繫起來,我們可以清楚地發現光子的「二律背反」行為,本作者將光子在經典物理和相對論中的定域屬性和在量子物理中的非定域屬性稱之為「光子佯謬」。為什麼光子在經典物理和相對論的「語境」、或宏觀物理的尺度中有這樣的表現,而在量子物理的「語境」、或微觀物理的尺度中有那樣的表現?難道光子是一種變化無常的「變色龍粒子」?
在經典物理和相對論的描述中,光子要麼表現為一種粒子屬性,要麼表現為一種波動屬性,不可能表現為既是粒子、又是波的雙重屬性,比如:當光子經過雙縫實驗中的兩條縫隙時,只能從其中的一條縫隙穿過,不能從兩條縫隙同時穿過,就像我們乘飛機從北京到廣州時,可以選擇北京—杭州—廣州的飛行線路,或者選擇北京—武漢—廣州的飛行線路,我們不能同時經過兩條、或兩條以上的飛行線路,當我們從北京飛到廣州時,儘管由於我們睡著了,不能說出經過了那一條線路,但是,我們不會同時飛過了北京—杭州—廣州和北京—武漢—廣州的兩條線路。而在量子物理的描述中,光子既表現為粒子性,又表現為波動性,比如:當光子經過雙縫實驗中的兩條縫隙時,能夠從兩條縫隙同時穿過,就像我們乘飛機從北京到廣州時,這架「隱形、幽靈」的飛機同時飛過了兩條線路一樣,它既飛躍了大江大河的武漢,又飛躍了湖光山色的杭州。如果經典物理和相對論的描述是正確的,那麼光子只能表現單一的屬性,選擇單一的路徑;如果量子物理的描述是正確的,那麼光子能夠表現雙重的屬性,在同一時刻即在這條線路上,又在那條線路上。經典物理和相對論不允許光子有「分身術」和「筋斗雲」的本領,而量子物理允許光子有違反常識和經典邏輯的奇異性,兩種難以調和的物理理論導致了「光子佯謬」的產生。
光子糾纏指的是在兩個、或兩個以上的光子之間產生的疊加態,由於一個光子和另一個光子的量子態能夠產生相互疊加的效應,因此,可以利用光子糾纏來進行量子隱形態傳送和量子計算,建立「量子信息學」。光學是一門最古老的物理學科,經典物理學論述了光的折射、反射、光的干涉、衍射,我們很難用一種絕對的標準將經典光學和量子光學區分開來,如果認為對光的粒子性研究更多地指向了經典光學,那麼可以認為對光的波動性研究則更多地指向了量子光學。在量子力學誕生之前的十九世紀末,科學家對光的粒子性和波動性的量子屬性獲得了十分充分的認知,托馬斯·楊在光的雙縫實驗中發現了光的干涉性,夫朗和費在光的圓孔實驗中發現了光的衍射性,光的干涉和衍射證明了光的波動性,而對光的波動性解釋已經觸及到量子光學。量子物理學與經典的光學、電子學、電磁學、熱學所具有的完備性和不完備性有關,當經典物理能夠描述光子的行為時,它是完備的;當經典物理不能徹底描述光子的行為時,它則是不完備的。我們不能將量子力學誕生在二十世紀的初期看成是偶然的事件,理解成為幾位物理學大師「純粹理性思維」的產物,不僅光的干涉和衍射行為超出了經典光學的解釋,而且光的「黑體輻射」現象也脫離了經典熱學的解讀。
1905年,愛因斯坦發現了光電效應方程,驗證了光的粒子性一面。1927年,美國的戴維森和英國的湯姆生分別做出了電子衍射實驗,證實了光的波動性一面。愛因斯坦由於光電效應方程的發現獲得了1921年的諾貝爾物理學獎,而戴維森和湯姆生由於電子衍射的實驗分享了1937年的諾貝爾物理學獎。量子力學建立在量子的粒子性和波動性、或者「波粒二象性」的基礎上,物理學家用數學語言描述了量子的二重屬性:當我們考慮一個瞬間的時間點時,光子以粒子的形式運動;當我們考慮一個連續的時間段時,光子以波動的形式傳播。量子力學解決了經典物理類型的「光子佯謬」難題,或者擺脫了光的粒子性和波動性不相融、不兼容的困境。1926年,奧地利物理學家薛定諤發現了量子態描述的薛定諤方程,這一方程是量子力學中描述微觀粒子運動狀態的基本定律,它在量子力學的地位大致上相似於牛頓運動定律在經典力學的地位,這一方程表明了自然界的所有粒子:光子、電子、原子都能用一個微分方程來描述它們的量子態,這一方程指向的波函數具有疊加的屬性,將光的粒子性和波動性融合在一個統一的框架中,粒子性通過出現在特定位置的幾率來表現,波動性則通過干涉和衍射來展示。
廣義相對論和量子力學在各自的範圍內描述了光子的屬性,或者光子運動既適合廣義相對論,又適合量子力學的描述,但是,廣義相對論與量子力學不相容、不兼容,這必然導致「光子佯謬」的產生。在廣義相對論的描述中不允許光子存在「兩種身份」,不允許光子在引力場的運動軌跡既沿著「北京—杭州—廣州」的路徑發生偏轉,同時又沿著「北京—武漢—廣州」的路徑發生偏折,不允許出現多個偏轉角度,而在量子力學的描述中允許光子存在「重疊身份」,允許光子在諸如雙縫實驗和衍射實驗中行走在兩條線路,它們會同時穿過A縫和B縫。為什麼光子在引力場的「大環境」中只能選擇一條路徑,只能產生一個「愛因斯坦環」,而在雙縫實驗和衍射實驗的「小環境」中卻能夠選擇兩條、或多條路徑,能夠產生多個明暗相間的條紋?這涉及到了「光子佯謬」問題,在科學家的內心意識中早已存在這一悖論,本作者第一次用「光子佯謬」的術語將這種悖論表式出來,根據科學哲學解釋學的「等效原理」,除了「光子佯謬」以外,還存在「電子佯謬」、「質子、中子佯謬」、「原子佯謬」等等。也許就像量子力學統一了量子的粒子性和波動性的解釋一樣,我們可以探索一種新的理論,將廣義相對論和量子力學的解釋統一起來,在「大統一」或「同一場」的理論中,光子的運動處於廣義相對論和量子力學的「疊加態」,在廣義相對論定義的條件中符合廣義相對論的解釋,而在量子力學定義的條件中符合量子力學的解讀。
本作者在「光子佯謬」的艱難思考中觸及到了廣義相對論和量子力學之間「理論糾纏」的可能,既然量子的粒子性和波動性存在「風牛馬不相及」的衝突,而這兩種衝突的屬性都能統一在量子力學「波粒二象性」的解釋中,那麼廣義相對論和量子力學之間「水火不容」的衝突可能整合在「大統一理論」的解釋中,也許在這兩種統一的理論之間存在形式上的一致性,符合「等效原理」的哲學解釋。本作者發現:在經典物理和相對論之間存在不相融、不兼容的屬性,而在相對論和量子力學之間同樣存在不相融、不兼容的屬性,兩種類型的不相融、不兼容符合「等效原理」的哲學解釋。愛因斯坦對物理學的最大貢獻是找到了經典物理和相對論的統一解釋,但是,愛因斯坦沒有找到相對論和量子力學的統一解釋。量子糾纏的同時性、超光速違背了廣義相對論的原理,光子的屬性在廣義相對論的宏觀時空和在量子力學的微觀時空中發生了變化,這種突變性就是「光子佯謬」的本質含義,本作者解釋不了光子屬性的突變,只能猜測光子在廣義相對論的「語境」和在量子力學的「語境」中表現的屬性能夠產生「相互糾纏」,因此,光子具有「波函數」的整體特性,它的「波函數」指向某種「語境」時就表現出某種「語境」的屬性,本作者想用「廣量二象性」、或「量廣二象性」來定義光子「波函數」的整體特性,但是,這種想法太不可思議,就把「廣量二象性」、「廣量二重性」,或者「量廣二象性」、「量廣二重性」的概念和理論推測交給未來的物理學家和哲學家,就像阿里巴巴的「未來學家」馬雲堅信人類的未來會更美好一樣,我們相信未來的物理學家和哲學家能夠發現其中的答案。
2017-7-2
( The photon paradox : From the wave--particle duality to General theory of relativity--Quantum mechanics duality, Or From the wave--particle duality to relativity--Quantum duality )
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