微观世界中的奥秘

陈壮叔

无论我们把目前的世界称为后工业时代还是信息时代，支撑它的现代科技，仍然是量子论和相对论。前者描述粒子（包括分子）尺度的微观世界，后者则描述大尺度的宏观领域。两者各说各的，似乎并不搭界。可是，到了20世纪70年代，当宇宙学跟粒子物理学结合时，科学家发现它们几乎很难相处，问题就在于各唱各的调。

首先，就爱因斯坦的相对论而言，它认为物质弯曲了时空，从而使这些物质受到了一种吸引的力，我们称之为引力。在宇宙的演化中，正是引力起着主要作用。量子论在论述粒子的结构和特性上也十分成功，但它并不研究粒子通过时空时的性质，而相对论也不关心粒子的特性。因此，当你欲结合二者时，它们都呈现出互不相容的特性。正如一位理论家所说：“你如何从一个理论走向另一个理论？我们缺乏一个引力的量子理论。”

而现行的大爆炸宇宙论告诉我们，宇宙诞生于空间中的一个甚小点（称奇点），它突然发生大爆炸，能量和物质井喷而出，随着空间的膨胀，温度从极高温降至目前的3.7K。因此，科学家如果想知道宇宙产生的确切情况，就必须研究奇点。而想要对此做出模拟，你必须建立一个像太阳系那么大的加速器，这显然是目前的技术达不到的。在理论上，很多物理学家想把上述两个理论结合起来，试图建立一个万有理论，它将说明宇宙万物如何在一个最基础的水平上运行。

不过，牛津大学的彭罗斯说，量子世界跟相对论也许要比我们想象中更为和谐。我们把引力和量子论结合起来的实验，只不过搞了几十年，“我认为这是一条有希望的道路，不该另选‘捷径’”。

迄今，我们一直忽视着物理学中某些怪现象的相互影响。例如，小分子和原子能在同一瞬间出现在两个不同地方，这一现象被称为重叠（Superposition）。这是量子世界中的一个关键特性，且在无数实验中得以证实。但迄今，这一现象跟引力的关系一直未被述及，而这是相当基本的。

提出这些问题并找到答案，可以帮助我们打开了解整个宇宙运行方式的大门，并将弄清科学中的一个大谜题——是什么东西引发量子世界和我们体验到的日常世界之间的转换。实质上，这就是问物体究竟要具有多大质量就将失去量子特性。科学家古丁很乐观，他说：“我们要比以往任何时候都接近搞清这一问题。”

这里还有一个难题，当一个原子处于重叠时，这个原子的质量是否造成两个明显的时空弯曲？也就是说，它是否会对自身施加一个引力粒子？彭罗斯说：“这里还有一个矛盾，一个（原子）重叠不能有两个引力场。”

此外，按照狭义相对论，一颗原子通过时空时将产生一个属于它的独有的时间流经历（也称时间膨胀）。如果它处于重叠，那么这个时间膨胀势必沿着两条不同的路径；而当重叠终结时，两条路径会合二为一。可是，不同的年龄（不同的时间流会造就不同的年龄）无法结合在一颗原子的身上。这就是说，广、狭义相对论都容不下重叠现象。

按照量子论的概念，重叠跟量子干涉现象有关，允许量子客体在它们的空间位置之间产生其存在、特性的撕裂。

因此，想要解释重叠，就得搞清量子干涉。目前通常的重叠实验都是所谓的经典方法，研究者迫使一颗原子通过干涉仪（这是一个具有两条缝的屏障）。实验的结果十分奇怪：如果没有人去测量它通过哪一条缝，那么它确实通过了两条缝，其结果是一个干涉图像，形成于置于缝后的探测器中。对这一图谱的唯一解释，就是一个原子被撕裂成两个，各自通过对应的一条缝，并在到达探测器之前相互干涉。如果给干涉仪再配上一台探测器，以搞清哪一条缝是哪一颗原子通过的，就会没有了干涉图谱，也即干涉失效，此称“去干涉”。这就是说，原子的这种古怪行为只有在无人（或无物）关注它的情况下才会出现。

至于为何会出现这种现象，有很多观点，但大多数人认为，这跟信息的丢失有关。探测器“看到”原子通过的路径，会迫使原子选择这一条或另一条路线，阻止了它得到干涉图像。实验证明，即使不用探测器，而是加热原子使它发出热光子，也能指出它的位置，从而强烈地弱化了它的干涉图谱。

但没有人真正知道它的确切原因。人们还发现，若聚集大量的原子就不能出现重叠。彭罗斯等人曾取得一个拥有800个原子（分子）的干涉图谱。总之，原子的数量越大，重叠的时间就越短，这是因为大量原子的聚集使它不再是量子了。

哈佛大学的皮可夫斯基等人设计了另一种重叠实验，其实验思想基于时间膨胀概念。他们认为，我们把一只钟（单个原子）放在大楼的5层，如果它进入重叠，就意味着该原子的重叠部分将处于另一层面（或高或低），即处在地球引力场的两个不同部位。

按广义相对论，时钟在较弱的引力场中走时较快，因此你的头部的年龄，要比你的脚部大上300毫微秒。对一只重叠的单个原子钟来说，会有一个问题，由于两个位置时间上的差异，该原子会被迫回到高或低的时间上。皮可夫斯基说：“事实上，该原子在不同的地方记录了不同的时间，并在该原子的位置上泄露出信息。”换言之，因引力而产生的时间膨胀，可以解释在我们的日常生活中为何看不到物体的重叠。

令人兴奋的是，这一研究目前正朝着较大质量领域发展。随之而来的一个思想，就是为何在较大尺度上不会产生量子现象。一种看法是我们需要修正量子论，而另一种看法则认为重叠之所以不能在较多粒子组成的物体中出现，是因为所谓的自发定位现象，它跟物质分布有关。

目前，维也纳大学的阿恩得特团队已采用空前的较大物体重复双缝干涉实验。阿恩得特相信，自发定位将抑制10万至1亿原子质量单位的物体出现重叠。他说，这一实验估计在2015年年底前将有所成就。在其重叠实验中，已将物体的质量在原有基础上叠加了1万原子质量单位，并将向更高的目标前进。

虽然实验结果将是最终的裁判，但这些技术自身都有很大的局限性。因此，阿恩得特更看好理论上的进展，在他看来，现在是理论家的黄金时代。

可是，理论家阿斯佩尔迈耶说，从理论上来看，前面还有一段较长的路要走，“这可能是长的、很长的，甚至是不可能走完的”。这里所指的是万有理论，大多数人相信，这个理论离我们还是很远。

但古丁相当乐观，他说，上述实验也有优点，那就是一切条件都具备，我们可以在现有条件下测试广义相对论和量子论是否能够结合。不过，他还是相当谨慎，他说：“直至最近，我们还未看到是否有可能对引力的量子相互作用进行测试。”

让我们来思考这个问题：对微观世界和我们日常的宏观世界，二者之间如何画线？又由谁来决定？前者很简单，取决于该物体是否有量子特性，若有，则属微观世界。

彭罗斯、古丁等人着眼于粒子聚集的总质量，而有些科学家则把视线集中在粒子的波长上。量子具有波粒两象性，如光子，它在飞驰时是光波，可是在碰到物体时，它又具有实物粒子的性质。

澳大利亚的科学家考林格，就在探索这条界限的由来。他说：“我们得到的所有东西，截取自我们大脑的信息，在那里构成了某种真实。但事实上，我们拥有的仅仅是一个纯信息。”在考林格的碳70实验中，他看到一些光子源自这个分子，当这些光子离开该分子时就会带走有关它的信息。在考林格看来，这些光子暗示了量子（微观）和经典（宏观）世界间的界限。他说，这两个世界之间的一个关键性差别，就是古怪的量子重叠现象。

考林格认为，他们已经找到了答案。他们实验的主题是所谓的“勃露格主波长”。大致上，我们可以将这个波长看作一个标尺，假如一个物体的勃露格主波长近似于它的长度，那么其波的性质明显可见。拿一辆轿车来说，其波长为10米，远小于轿车的长度，因此它的行为呈宏观世界的特性。

在考林格的实验中，也谈到了信息丢失的问题。他说，如果对碳-70分子加温。物质波的干涉图像就消失了，原因在于该分子升温时会发射出光子，这些光子带走了有关该分子位置的信息。一旦你知道了分子的路径，其行为就不再是类波特性，此时波被“局域化”，也即“凝固化”了，因而不再具有波的特性，干涉图像也就消失了。

这里还要指出，彭罗斯等人的研究着眼于量子现象跟引力的关系，从某种意义来说，这更具有本质性，因为毕竟引力是宇宙的主宰。