2013-10-24

量子實驗證明「時間」從量子糾結中「浮現」

Quantum Experiment Shows How Time 'Emerges' from Entanglement
https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/d5d3dc850933

物理學家說,時間是一種浮現現象(emergent phenomenon),那是一種量子糾結(quantum entanglement)的副作用。而且他們有第一個實驗結果來證明它。

當量子力學的新概念如野火般於 20 世紀前半段席捲科學界時,物理學家所做的第一件事是將它們應用到重力與廣義相對論。但結果並不漂亮。

他們很快搞清楚,這二種現代物理的根基完全不相容。當物理學家試圖合併這兩種方法時,所產生的等式具有令人感到困擾的無限大,使其無法產生有意義的結果。

接著在 1960 年代中期,事情有了突破。物理學家 John Wheeler(惠勒)與 Bryce DeWitt(德威特)在一項關鍵結果中成功地結合了先前不相容的點子,那因而成為惠勒-德威特方程式(Wheeler-DeWitt equation)。這很重要,因為那避開棘手的無限大 -- 一大進展。

不過物理學家沒花多久的時間就領悟到,雖然惠勒-德威特方程式解決了其中一個顯著的問題,不過它卻產生其他問題。新的問題是「時間」在此等式中並沒有扮演任何角色。事實上,它說:宇宙中不曾發生過任何事( nothing ever happens in the universe),這個預測顯然與觀察性證據不一致。

這個難題,物理學家稱為「時間問題(the problem of time)」,那已證明為現代物理學的眼中釘,肉中刺,他們試圖要忽略它,不過很難成功。

接著在 1983 年,理論學家 Don Page 與 William Wooters 提出一種基於量子糾結現象的新解。在這種特異特性中,二個量子粒子共享相同的存在(existence),即便它們實際上是分離的。

量子糾結是一種深層而強大的連結,而 Page 與 Wooters 證明,那如何能用來測量時間。他們的構想是:「一對糾結粒子的演化方式」是一種時鐘,能用來測量變化。

不過結果端看觀測如何進行。要辦到這件事的方法之一是以一個完全獨立於宇宙的「外部」時鐘來比較糾結粒子中的變化。這相當於一位如神一般的觀測者,立於宇宙之外,使用一個外面的時鐘來量測粒子的演化。

在此例中,Page 與 Wooters 證明,粒子似乎完全沒有變化 -- 時間好像不存在於此種情節中。

不過這裡有另一種方法能辦到那件事,並產生不同的結果。此即,一位在宇宙內部的觀測者將粒子的演化與宇宙的其餘部份進行比較。在此例中,內部觀測者將看見變化,而將糾結粒子的演化與其餘每樣事進行比較,其所獲得的差異是一種重要的「時間測量(a measure of time)」。

這是一個優雅且強大的構想。那指出時間是一種浮現的現象,那因量子糾結的本質而產生。而且只有宇宙內部的觀測者才能意識到它的存在。任何如神一般的觀測者,在(宇宙)外部,只看到一個靜止的、沒有變化的宇宙,正如同惠勒-德威特方程式的預測。

當然,若沒有實驗性的驗證,Page 與 Wooter 的構想充其量不過是一種哲學上的好奇心。而且,因為不可能有一個觀測者能立於宇宙之外,所以要測試這個構想看似機會渺茫。

直到現在。今天,位於義大利 Turin,Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) 的 Ekaterina Moreva 與幾位夥伴對於 Page Wooters 構想完成第一個實驗性測試。而且他們證明,「時間」對內部觀測者而言的確是一種浮現現象,但對外部觀測者則不存在。

這個實驗涉及一個「玩具宇宙」的創造,由一對糾結的光子以及一位觀測者所組成。這個觀測者能以二種方法的其中一種來觀測它們的狀態。首先,這位觀測者藉由與此系統糾結來測量它的演化。其次,一位如神一般的觀測者以一個完全獨立於這個玩具宇宙的外部時鐘來測量此演化。

實驗細節相當簡單明了。每一個糾結的光子都有一種偏振,將之通過一個雙折射平面就能改變它。在第一個設置中,觀測者測量某個光子的偏振,也因而變成與之糾結。他或她接著將這個與第二個光子的偏振進行比較。其差異就是一種時間的測量。

在第二個設置中,光子們再度通過雙折射平面,那改變了它們的偏振。然而,在此例中,觀測者只用一個獨立的時鐘來比較它們,以測量這二個光子的整體特性。

在此例中,這位觀測者若沒有與二光子的其中一個糾結在一起,則無法偵測二光子間的任何差異。而如果這裡既然沒有差異,那麼這個系統顯然是靜止的。換言之,時間沒有浮現。

"雖然超級無敵簡單,不過我們的模型掌握了 Page-Wooters 機制二種 -- 表面上看似矛盾的 -- 特性," Moreva 等人表示。

那是一個令人印象深刻的實驗。浮現(Emergence)在科學上是一種很流行的構想。尤其是,物理學家最近對「重力是一種浮現現象」的相關構想感到非常興奮。所以,把時間當作是「也許以類似方式浮現」來思考,不過是跨出了相對一小步。

當然,「浮現重力(emergent gravity)」所缺乏的,是一種實驗性證明,能證明那實際上如何作用。而這也是為何 Moreva 等人的研究如此重要。那首度將抽象且奇怪的點子置於穩固的實驗立足點上。

也許最重要的是,暗示量子力學與廣義相對論不再這麼水火不容。當透過糾結的透鏡來觀看,著名的「problem of time」就這樣消失了。

接下來將要更進一步擴展這個構想,尤其是到巨觀的尺度。看到時間如何從光子浮現是一回事,看到它如何從更大的東西,例如:人或火車時刻表,浮現又是另一回事。

也因而成了另一種挑戰。

※ 金剛經或心經早已說明白。相關報導。

* Time from quantum entanglement: an experimental illustration
http://arxiv.org/abs/1310.4691
Ekaterina Moreva, Giorgio Brida, Marco Gramegna,
Vittorio Giovannetti, Lorenzo Maccone, Marco Genovese
arXiv:1310.4691 [quant-ph]
新時空結構或能提供量子重力論的暗示
時間反演:一個簡單的粒子能揭開新物理學
我們是否活在電腦模擬中?
科學家首次證明原子系綜間的量子遙傳
磁性超級原子為自旋電子學開闢新途徑
出自虛無:超材料中的動態開斯米效應將真空波動轉成真實光子
物理團隊提出創造真正「時空晶體」的方法
標準模型之外的新物理學?(節譯)

1 則留言:

fsj 提到...

量子力學證實:意識不死

自由 2013.11.18

〔編譯詹立群/綜合報導〕人到底有沒有來生?這個問題長久以來被宗教界討論,但從未被科學界證實。現在,美國北卡羅萊納州維克森林醫學院大學教授蘭薩(Robert Lanza)聲稱,從量子物理學(Quantum physics)角度出發,有足夠證據證明人死後並未消失,死亡只是人類意識造成的幻象。

蘭薩聲稱他在量子力學中找到證實「人死但未消失」的證據。他提出生物中心論(biocentrism)支持自己的論點,指稱是生命創造宇宙,有個人意識才有宇宙的存在,實質上的生命與生物是真實世界的中心,接著才有宇宙,宇宙本身並不會創造生命;意識使得世界變得有意義,時間與空間只是人類意識的工具。

死亡只存在意識當中

蘭薩指出,就此論點來看,我們所熟知的死亡其實並不存在,沒有確實的邊界可用來描述或定義死亡。我們一直被教導「人終有一死」,但本質上死亡只存在我們的意識當中,生命只是碳元素與其他混合分子的活動,一段時間後又回歸大地。

簡單來說,人只知道肉體會活動,但蘭薩的研究發現,人在心跳停止、血液停止流動時,即物質元素處於停頓狀態時,人的意識訊息仍可運動,亦即除肉體活動外,還有其他超越肉體的「量子訊息」,或者是說俗稱的「靈魂」。

他說,生物中心論類似「平行宇宙(Parallel Universes)」:當下所發生的每件事情,在對等的多重宇宙(Mutiple Universes)中也同時進行,當我們開始質疑、重新思考關於時間與意識的問題時,也同時影響另外一邊對等的我們的意識。當生命走到盡頭,即身體機能盡失時,蘭薩認為,還會在另一個世界重新開始。

蘭薩還以量子力學中的「雙縫實驗(Double-slit experiment)」說明,射向兩條細縫的光子呈現在螢幕上並非兩條光帶,而是許多光斑,證明粒子的運動會被個人的感知(perception)所影響;若以顏色為例,我們所知的天空是藍色的,倘若大腦細胞改變,讓天空看起來是綠色的,那麼天空真的是藍色,還是只是我們的意識感知?