本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
布莱恩·格林NOVA节目的粉丝,例如《宇宙的构造》,无疑会喜欢这场长达90分钟的现场节目。启动于周三晚在纽约市举行的2013年世界科学节,演出“幽灵行动:量子力学戏剧” 提供了一场引人入胜且发人深省的量子力学奇异现实之旅。
格林担任主持人和旁白,他还得到了舞台剧演员的帮助,他们朗诵了物理学历史上著名(和臭名昭著)的台词,例如阿尔伯特·爱因斯坦说上帝不会掷骰子,尼尔斯·玻尔回应说爱因斯坦不应该告诉上帝该怎么做,而维尔纳·海森堡则说埃尔温·薛定谔的波动方程是胡说八道(至少这是他在舞台上德语翻译成英语的方式)。
在一位普林斯顿大学同事的帮助下,格林还在舞台上进行了一项双缝实验,其中穿过两条紧密间隔的狭缝的粒子随着时间的推移形成了经典的明暗波浪干涉图案。但晚上大部分时间都集中在爱因斯坦和玻尔在1930年索尔维会议上著名的辩论所带来的智力紧张关系上。
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尽管熟悉量子物理学怪异之处的人可能会对遗漏的细节感到失望——例如,格林轻描淡写地略过了爱因斯坦的“盒子实验”的解决方案,该实验表面上似乎违背了不确定性原理——但总的来说,他在解释来龙去脉方面做得非常出色。他特别值得称赞的是他处理了贝尔定理,他说 NOVA 的制片人不想让它出现在他的构造系列中,他们觉得观众会转去看顶级大厨。
贝尔定理是一个关键思想,它使物理学家能够确定量子力学是否确实从根本上是概率性的,正如玻尔坚持的那样,或者量子力学中的概率是否仅仅反映了我们对系统缺乏了解,正如爱因斯坦所争论的那样。特别是,贝尔解决了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论,这是一个思想实验,其中两个纠缠粒子向相反方向移动,它们的自旋分别被检测为向上或向下。测量一个探测器处粒子的自旋是否会瞬时设置第二个探测器处粒子的自旋状态,或者它们的自旋是否像一副手套的左右手一样先前已设置好,但对我们隐藏了?
在格林对贝尔定理的描述中,每个探测器也可以沿三个不同的轴测量自旋,但观察者一次只能设置每个探测器来记录其中一个轴(因此可以根据其相对于该轴的角度来确定自旋)。由于每个探测器都为自旋向上或向下测量提供了三种选择,因此自旋(向上或向下)总共有九种(3 x 3)不同的结果。如果粒子像爱因斯坦认为的那样是成对手套,那么平均而言,每 9 次测量中至少有 5 次,一个探测器将记录“向上”,另一个探测器将记录“向下”。多年后的真实实验表明,这个数字小于 5/9——事实上,他们表明探测器记录到相反自旋的概率为 50%,这表明量子力学确实从根本上是概率性的。
量子力学是一种被接受的理论,但这并不意味着关于其解释的理论已经确定。早在 1994 年,我就编辑了一篇大卫·Z·阿尔伯特的文章,内容是关于大卫·玻姆的另一种观点。《封面》是薛定谔猫的再现,量子力学表明(在一个理想实验中),薛定谔猫处于既生又死的叠加态,直到被观察到。(顺便说一句,照片拍摄中的那只猫,扮演了旧版周六夜现场小品中的驾驶猫 Toonces。)
物理学家和哲学家仍在思考量子怪异现象的真正含义——毕竟,为什么像猫这样的大物体不像它们组成的量子粒子那样表现?我们该如何理解量子力学最直接的数学解释,即“多世界”的想法,即每次测量都会将宇宙分裂成不同的现实?当我看到格林剖析这些难题时,我不禁想到我们是多么幸运能够生活在这个奇异而美妙的现实中。
我的同事乔治·穆瑟和约翰·马特森去年制作了一个很棒的视频,总结了量子纠缠和贝尔定理的难题
“幽灵行动:量子力学戏剧”将于周四和周五晚上 8 点在新胜利剧院重演,门票已售罄,但演出开始前 30 分钟可在门口购买数量有限的门票。您还可以查看周三演出的视频亮点。