PDF《量子物理学：到底什么是真的？》

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2015 年5月27 日 星期三 Tel押(010)

62580617 3 主编: 赵路 编辑: 冯丽妃 校对: 么辰 E-mail押lzhao@stimes.

cn 一项试验表明,油滴能被槽 液中产生的波推动.这促使物理 学家重新思考类似事情使粒子表 现得像波一样的观点. 图片来源: Dan Harris/MIT Owen Maroney 担心, 物理 学家将大半个世纪都花在了欺骗行当上. 美国先进研究计划署能源部支持 高风险、 高 回报 技术, 例如用 3D 打印技术制作这辆小汽车. 图片来源: Risdon 用舞蹈代替 PPT 解释你的博士研究成果.这 是科普作家 John Bohannon 的一个 小提议 .在这 场引人入胜并精心设计的解说中, 他在黑色标签行 动舞蹈队的帮助下亲自作示范. 图片来源: TED 在热带雨林之外生长最快的树木是白杨. 这种树高而细长, 在不到

10 年的时间里就可以 长到

30 米高, 即便是生长在它们似乎并不适宜 的环境里, 如焚烧的土地以及多沙的河岸. Sharon Doty 说, 这样的生长速度得益于其 叶片和其他组织中的微生物.当白杨的叶子细 胞忙着把日光转化为能量时,叶子细胞中的细 菌会把空气中的氮转化成一种维持树木快速生 长所需要的氮. 这是个有些激进的观点,因为固氮作用 普遍认为主要发生在豆科植物与其他少数植 物根部含有大量细菌的根瘤上. 我们完全是 在挑战教条主义. 美国华盛顿大学微生物学 家Doty 说. 在5月初的第五届约塞米蒂国家公园(位 于加州中部)共生研讨会上, Doty 对她的观点 进行了佐证.她报道了白杨从某种微生物中获 取氮的首个直接例证,她的观点得到了加州大 学环境微生物学家 Carolin Frank 的支持, Frank 研究的是不同种类的树木在贫瘠土地上如何生 存, 她在报告中表示, 固氮作用还可能出现在柔 枝松的针叶中,这种松树主要生长在美国西部 多石、 海拔较高的坡地上. Frank 和Doty 推测,具有固氮作用的叶子 细菌可能十分广泛,如果把它们转移到农作物 上, 可能有助于提高贫瘠土壤的作物产量. Doty 发现,一些庄稼在接种过这种微生物后生长得 更好.她在约塞米蒂年会上举了一个例子: 大米. 尽管其他植物学家不太相信这种观点, 但是 同样对此表现出强烈兴趣. 如果大量 (树木) 物 种中都有一种尚未识别的氮固定生物,那会是 个大发现. 加州大学戴维斯分校植物和微生物 学家 Douglas Cook 说. 从上世纪

90 年代起, 固氮作用仅在富含微 生物的植物根瘤上存在的观点受到了挑战, 彼 时研究人员在没有根瘤的甘蔗中发现了固氮作 用.自那时起, 研究人员不时有成果指出, 植物 组织内生长着一种叫作内生真菌的细菌,可以 为宿主提供生长所需的氮.但是 Cook 认为: 尚未作过恰当的研究, 因此这样的观点并非举 足轻重. 他和一些研究人员主张,这一过程中非常 关键的固氮酶刺激反应过于敏感,不能让氧气 在叶子内工作.而且即便有微生物在转化空气 中的氮, 也并不能意味着,它们在为宿主提供 益处 .斯坦福大学研究氮储存的专家 Sharon Long 说. Doty 试图回答所有的反对意见.她在约

15 年前就开始怀疑固氮作用可能存在于根瘤 之外,当时她发现白杨细胞培养皿中充满了 和已知固氮微生物株相关的细菌,她把细菌 放在没有氮气的媒介中,然而一些微生物却 存活下来, 它们很明显从空气中获得了氮. 此后,她记录了数十种来自白杨的菌株促 进白杨之外的其他植物生长的例证, 包括黑麦、 草坪草、 玉米、 杨木、 番茄以及此次的大米等. 她 的温室气体研究表明,在一种含有白杨内生菌 的发酵液中浸泡了

4 小时的稻秧,最终整个植 物体遍及这种微生物,而且比没有浸泡过该发 酵液的稻秧长得更高、 产量更多, 而且会产生更 多分蘖. 如果 Doty 是正确的, 一个剂量的这种生 物菌可能确实会对农民有益. 氮是个巨大的 约束因子, 对非洲农业尤其如此. 植物生物 学家、 西雅图比尔及梅琳达・盖茨基金会的一 名项目官员 Katherine Kahn 说. 目前确实存在 补偿措施有限的问题: 花费不仅昂贵, 而且会 污染环境,向土壤中加入固氮细菌也不能很 好见效,而且给农作物植入需要形成根瘤的 基因或是让它们自身进行固氮都是非常遥远 的梦想. 一些研究人员怀疑, Doty 分离出的一些 叶子寄生 细菌会 产生促进 生长的 植物荷 尔蒙.但因为 Doty 是在缺乏氮的人工土壤中进 行的实验, 她认为, 由这种细菌提供的氮一定 在促进植物生长. 在会议上, Doty 原来的技术 员Andrew Sher 则说明了自己认为最强有力 的证据.Sher 把来自野生白杨的切片放入烧 杯中,并让它们接触比空气中氮浓度更高的 氮.随后, 植物体内呈现出同样的同位素, 这 表明细菌已经捕获到氮并把它转化为可用的 营养, Doty 说. 尽管如此,一些研究人员仍对这一观点持 谨慎态度. 现在科学家的看法正在逐渐发生改 变, 不是从怀疑变为信任, 而是从怀疑变为谨慎 的提问. 田纳西州橡树岭国家实验室植物遗传 学家 Gerald Tuska 说.Tuskan 和同事已经从白 杨中分离出约

3000 个微生物, 其中许多配有固 氮酶.其中一些微生物被生物膜隔离在氧限制 隔间中,在那里固氮酶甚至在叶子富养环境中 也能发挥作用. 树木固氮作用的观点在一步步逐渐确立, Frank 说: 我觉得我们在逐渐改变人们的观点, 也包括我们自己的观点. (红枫) 树叶固氮不是梦 细菌固氮新说挑战传统理论 全球科技政策新闻与解析 科学线人 Owen Maroney 担心,物理学家将大半个 世纪都花在了欺骗行当上. 身为英国牛津大学物理学家的 Maroney 解释说,自从他们在

20 世纪初发明量子理论 后, 就一直在讨论它有多么奇怪, 比如它如何 使得粒子和原子同时在很多个方向移动, 或者 同时顺时针和逆时针旋转.不过, Maroney 认为, 讨论终究不是证据. 如果我们告诉公众量 子理论是怪诞的, 就最好证明这是真的.否则, 我们不是在研究科学, 只是在黑板上解释一些 好玩的胡乱涂鸦而已. 正是这种情怀让 Maroney 和其他人开发 出一系列新的试验揭示波函数的本质, 而这种 神秘实体是量子怪诞性的核心所在.在论文 中, 波函数只是一个简单的数学对象.物理学 家用希腊字母 Ψ 表示,并且利用它描述粒子 的量子行为.依靠试验, 波函数使研究人员得 以计算出在任何一个特定位置观测到电子的 几率, 或者电子自旋朝上或朝下的可能性有多 大. 然而, 数学无法阐明波函数真正是什么. 它 是一种实体的东西?或者只是一个计算工具? 用来寻找答案的测试极其微细,并且尚 未产生明确的答案. 不过, 研究人员对于答案 将近持乐观态度. 如果真的是这样, 他们最终 将能回答那些存在了几十年的问题.一个粒 子能否真的同时存在于很多地方?宇宙是否 正在继续把自己变成平行世界,而每个世界 都拥有一个不同版本的我们?是否有客观实 体的东西存在? 这些是每个人在某种情况下都曾问过的 问题. 澳大利亚昆士兰大学物理学家 Alessan- dro Fedrizzi 说, 到底什么才是真正的事实? 无知是福

20 世纪

20 年代, 量子论的哥本哈根诠释 主要由物理学家 Niels Bohr 和Werner Heisen- berg 提出. 其认为波函数只不过是预言观测结果 的一种工具, 并且警告物理学家不要关心背后的 现实是什么样子. 你无法责怪大多数物理学家 遵从这种 '

闭嘴, 乖乖计算'

的风气, 因为它在核 物理学、 原子物理学、 固态物理学和粒子物理学 领域都带来了巨大的发展. 比利时鲁汶天主教 大学统计物理学家 Jean Bricmont 说, 因此, 人们 会说, 让我们不要担心大的问题. 不过, 一些物理学家还是在担心.到了

20 世纪

30 年代, 阿尔伯特・ 爱因斯坦驳斥了 哥 本哈根诠释 ,并不仅仅因为它使两个粒子的 波函数纠缠不清, 产生了对于一个粒子的测量 结果能瞬时决定另一个状态的情形, 即使这些 粒子被很远的距离分开.爱因斯坦并没有接受 这种 幽灵般的超距作用 , 反而更偏向于相信 粒子的波函数是不完整的.他建议说, 或许粒 子拥有某种能决定测量结果但量子理论没有 捕捉到的 隐变量 . 从那以后, 试验表明, 这种 幽灵般的超距 作用 是真实的, 其排除了爱因斯坦所提议的 隐变量的特定版本.不过, 这并未阻止其他物 理学家提出自己的诠释.这些诠释分为两个广 泛的阵营.那些赞同爱因斯坦的人认为, 波函 数代表了人类的无知.还有些人将波函数视为 实体. 为理解两者之间的区别, 请看

1935 年奥地 利物理学家 Erwin Schrodinger 在一封写给爱因 斯坦的信中所描述的思维实验.试着想象一只 猫被关在钢制盒子中,而这个盒子还含有一种 放射性物质的样品,后者有 50%的几率在一个 小时内释放出一种衰变产物. 同时, 盒子里设有 一个装置, 如果它检测到这种衰变, 将毒死这只 猫. Schrodinger 写道, 由于放射性衰变是一种量 子事件, 因此按照量子理论规则, 在一个小时结 束后,盒子内部的波函数必须是活着的猫和死 去的猫的等量混合. 不过, 这正是争论被卡住的地方. 在量子理 论的众多诠释中哪个是正确的, 如果有的话? 这 是一个用试验方法很难回答的问题,因为不同 模型之间的差异非常细微.

2011 年, 情况发生了改变.一种关于量子 测量的定理得以发表, 而它似乎排除了 波函数 是无知 的模型. 不过, 仔细研究发现, 上述定理 最终为 波函数是无知 模型留出了足够的回旋 空间. 然而, 它激发了物理学家认真思考通过真 正测试波函数真实性解决争论的方法.Maroney 已设计出一项在原理上行得通的试 验.他和其他人很快找到了使其在实践中可行 的方法.去年, Fedrizzi、昆士兰大学物理学家 Andrew White 和其他人开展了此项试验. 孤立无援 一种类似的模棱两可出现在量子系统中. 例如,实验室中的单一测量结果并不总是能辨 别出光子是如何被极化的. 在实际生活中, 很 容易区分西面和西面稍偏南. 但在量子系统中, 并没有这么简单. White 说. 根据标准的 哥本 哈根诠释 ,质疑什么是极化没有任何意义, 因 为这个问题没有答案. 或者说, 至少得等到另一 个测量结果能精确地决定那个答案. 不过, 根据 波函数是无知 模型, 这个问题非常有意义, 只 是因为试验没有获得足够信息来回答它. 这正是 Fedrizzi 团队所测试的事情.他们 在一束光子中测量了极化和其他特征,并且发 现了无法被 无知模型 解释的一定程度的重 叠. 研究结果支持另一种观点, 即如果客观实体 存在, 那么波函数也是真实的. 不过, 结论仍然不是牢不可破的, 因为探测 器获得的只是测试中使用的约五分之一的光 子. 研究团队不得不假定, 丢失的光子正表现出 相同的方式. 这是一个很大的假设, 而研究组目 前正努力消除取样间隔, 以产生明确的结果. 与 此同时, Maroney 在牛津大学的团队正在同新 南威尔士大学的一个小组合作,利用比光子更 容易追踪的离子开展类似测试. 平行世界 一种 波函数是实体 的模型已经很出名, 并且被科幻小说作家深爱: 上世纪

50 年代由当 时还是普林斯顿大学研究生的 Hugh Everett 提 出的 多个世界诠释 .在多个世界的画面中, 波函数主宰着实体的演化. 其影响是如此深远, 以至于无论何时量子测量完成,宇宙都会分裂 为平行的 副本 .换句话说, 打开关有猫的盒 子, 两个平行世界将扩展出来, 一个有一只活的 猫, 一个含有一具尸体. 其实, 很难将 Everett 的 多个世界诠释 同标准量子理论区分开来,因为两者都作出 了完全相同的预测.不过, 去年, 来自格里菲 斯大学的 Howard Wiseman 和他的同事提出 一种可测试的 多元宇宙模型 .他们的框架 不含有波函数: 粒子遵循着经典原则, 比如牛 顿的运动定律.量子实验中看见的怪诞效应 之所以会产生,是因为平行宇宙中的离子及 其克隆之间存在排斥力. 它们之间的这种排 斥力建立了在所有平行世界中传播的涟漪. Wiseman 介绍说. 通过利用计算机模拟多达

41 个相互作用的 世界, 他们发现这种模型大致能复制一些量子效 应, 包括双缝实验中粒子的轨迹.随着世界数量 的增加, 相互干预模式同标准量子理论预测的模 式越来越接近.Wiseman 表示, 由于该理论依靠 宇宙数量预测不同结果, 因此应该有可能设计出 核验其多元宇宙模型是否正确的方法. 由于 Wiseman 的模型不需要波函数, 因此 它将保持着可行性, 即使未来的试验排除了 无 知模型 . 同时幸存的还有诸如 哥本哈根诠释 等那些认为没有客观实体存在的模型. 不过, White 说, 到那时, 这将是最终的挑 战.尽管还没有人知道如何实现它, 真正令人 激动的是设计出检验事实上是否有任何客观实 体存在的测试 . (宗华) 量子物理学: 到底什么是真的? 科学家开展一系列试验探究量子怪诞性 尽管生长在严酷环境中, 柔枝松可能受益于其针叶内的固氮细菌. 图片来源: JEFFRY B. MITTON 美众议院重塑 《竞争法案》 惹争议 根据美国众议院

5 月20 日通过的一项法案, 社会科学和气候变化方面的研究将遭遇挫折. 这项名为 《美国竞争法案》 (以下简称 《竞争法 案》 )的法规总体措施是优先考虑国家科学基金会 (NSF) 、 能源部、 国家标准和技术研究院 (NIST) 等 机构的研究项目. 这一举措引发许多科学组织的尖 锐指责, 称该计划将会限制它们支持最有潜力的研 究, 同时法规也受到了白宫方面的指责. 《竞争法案》 中一些最具争议的法规涉及 NSF. 这项法案建议大幅削减该机构的社会学、 行为学以 及经济学领域的资金, 从2015 财年的 2.722 亿美元 削减至

2016 年和

2017 年的 1.5 亿美元―― ―削减幅 度达 45%.同时, 法案要求对地球科学经费支持削 减12%, 下降至每年

12 亿美元. 该法案起草者, 共和党众议员, 众议院下属科 学、 空间技术委员会主席 Lamar Smith 说, 这些改变 是一项更大的计划―― ―强调 基础研究和基础科学 发现 ―― ―的一部分. 出于这种考虑, 《竞争法案》 旨 在增加 NSF 在数学、 物理学、 工程学、 生物学以及 计算机科学领域的经费投入. 但是这一逻辑并未得到 NSF 的支持,该机构 在5月7日的一次声明中说, 众议院这一举措与增 强美国经济竞争力的目标 相抵触 . 这项法案也让 其他一些机构非常不悦, 如美国科学促进会、 地球 物理联合........