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成大跨國合作 對量子理論了解跨出半世紀來重要一步

量子理論作為一個用於原子等微小物體之實驗觀察的理論來說幾乎是完美的,但對於它是否適用於我們所熟悉的巨觀世界則是眾說紛紜,即便物理學家們也沒有一致的看法。其中,科學家們已知,我們必須得捨棄一些長久以來秉持的信念,才能符合量子理論的預測,但該捨去哪一個又是一項大困擾。

 

成功大學物理系兼前沿量子科技研究中心成員梁永成副教授與澳洲葛瑞菲斯(Griffith  University)大學的團隊合作研究,突破過去科學界 「有4個物理法則無法與量子理論同時成立」的了解,證明了即便捨棄了其中的一個信念,其餘3個法則還是不能與量子理論共存。這是50多年來的大破突,讓人們對於理解量子理論所描繪的世界,跨出重要一步,研究論文8月中旬刊登於頂尖國際期刊Nature Physics 。

 

梁永成教授

梁永成老師跨國合作研究成果登上國際頂尖期刊

梁永成指出,從上世紀60年代開始,著名物理學家約翰貝爾(John Bell)就證明了如果量子理論是一個普遍適用的物理理論則我們將必須得捨棄一個或更多的物理法則。換言之,在以下的4+1個物理前提當中,我們必須得捨棄至少一個:(一)科學實驗對1個物件量測完後,量測的結果客觀的存在(二)實驗科學家(觀察者)可以自主去選擇他們想要做的量測實驗,而不受被觀測的物件所影響(三)不可以有超光速的情形發生(四)遠端的測量結果將無法幫助我們對局部測量結果的預測(五)量子理論適用於任意的物件,包含大尺度(也就是所謂的巨觀)的系統。

 

梁永成以食材做比喻,有5種食材,個別使用時都可以熬出一鍋味道相近但又各有特色的好湯,但把它們放在一起熬煮後,這一鍋湯就壞了,卻不知道問題出在哪裡,或是該捨棄哪幾個。他也說,想要了解這項工作的意義,我們必須得對量子理論所描繪的世界先有一些基本的認識。首先,在量子理論裡「觀察或量測」是不可或缺的一環,一般的看法是,一切都要等到觀測後才能確定,這也讓量子的世界裡出現了許多不可思議的狀況。這當中最有名的大概就是薛定諤的貓(Schrödinger’s cat),似乎即是生也是死,還有愛因斯坦所提出的質疑「你能相信當沒有人在觀測的時候,月亮就不在哪邊了嗎?」。

 

也正因為量子系統的性質只有在觀測後才能定下來,量子世界裡也出現了所謂的「不相容的性質」。譬如說,在量子的世界裡,物體在空間中的位置和其移動的速度就是兩種不相容的性質。觀察者在量測時一次只能量測一種性質,不能兩種同時量測,但測量完一個再測量另一個,先前測量的那一個的性質又已經改變了。這對於我們所熟悉的巨觀世界來說是很難想像的。以行進中的汽車為例,如果測量汽車的速度,無法知道其位置所在,若量汽車的位置,就無法得知其速度,不能同時知道其位置和速度。魚與熊掌不可兼得。

 

回到上世紀60年代的結果,梁永成表示否定了法則(一)在一定程度上否定了自身以外的世界的客觀存在。那麼當物理學家對自然世界探索的時候,就還得去指定這是相對於哪一位觀測者的自然世界。匪夷所思。法則(二)是科學方法裡的基本假設:若是觀測者測量的選擇會受到被觀測物件的影響,那麼我們還能怎麼去鑑定個別物件的本質呢,又或是如何去進行對新冠肺炎治療的醫學實驗呢?法則(三)是現代物理學的另一支柱相對論的基本法則,因此絕大數的物理學家都會守住這一底線。基於量子理論的成功,有許多物理學家都會堅守法則(五),也就是量子理論的通用性。因此,對於上世紀的這一個不可行定理(no-go theorem),大部分的物理學家都選擇了摒棄法則(四)。

 

然而,這支跨國團隊的研究證明了即便我們只假設了法則(一)、(二)、(三)、(五),我們依然會發現它們是自相矛盾的。這個結論對於哪些老早已經判定法則(四)就是壞了哪一鍋湯的元兇的物理學家來說是極其震撼的。因為,在這新的研究成果裡,法則(四)根本就沒有派上用場。那麼,到底是誰壞了哪一鍋湯呢? 已故著名匈牙利物理學家維格納(Eugene Wigner)在多年前就提出了對量子理論通用性的質疑。而這一次的研究工作也正是借用了他多年前提出的一個假象情況來完成的。對於一些物理學家來說,這提供了更多的證據促使我們捨棄「量子理論適合於大尺度系統」的想法,也就是必須得對該理論作出修正 。然而,也有不少的物理學家相信我們已經別無選擇而必須得捨棄法則(一),也就是關於測量結果客觀存在的假設。無論如何,雖然這項工作並沒有辦法告訴我們必須得捨棄哪一項物理法則,但它對物理理論的發展還是很具正面性,因為他讓我們對物理理論的侷限性更清楚了。除了理論的發展,團隊也通過了微小的物理系統去完成了一個原理驗證型(proof of principle)的實驗,原則上顯示了跟法則(一)、(二)、(三)不相容的強關聯性在自然界是存在的。

 

另外值得一提的是,負責主導這次研究之一的Howard Wiseman教授認為,若要得到決定性的實驗結果,可能要等到觀察者是一個有著人工智慧、尺度夠大的量子電腦。相信到那個時候,大家都可以被說服要嘛量子理論不適用於巨觀的觀察者,要嘛就是另外三個看起來非常合理的假設,其實是站不住腳的,不過,這可能要再多等幾10年。他還說,很多人都意識到量子電腦所可能帶來的革命性的變化,但似乎沒有人意識到它也可以幫我們解決一些複雜的哲學問題。(撰文、攝影/孟慶慈)

維護單位: 新聞中心
更新日期: 2020-08-31
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