诺奖得主Wilczek：量子物理中的时钟悖论

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诺奖得主Wilczek：量子物理中的时钟悖论

撰文 | Frank Wilczek
翻译 | 胡风、梁丁当



一个不稳定的原子核如何“知道”它何时会衰变？答案可能隐藏在空间结构中。

1935年，物理学家埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrodinger) 提出了一个思想实验，用于测试量子理论是否完全描述了现实。这个实验被后人称为“薛定谔的猫”，它假想了一个密封的盒子，里面有一只猫、一个装有毒气的瓶子和一个可以打碎这个瓶子的开关：当一个不稳定的原子核衰变，就会触动机关，打破瓶子、将猫毒死。

然而根据量子理论，原子核可以同时处于未衰变和衰变这两种不同的状态。只有当它被测量时，原子核的状态才会塌缩到其中一个确定状态，我们才能知道原子核有没有衰变。所以，这只可怜的猫同时处在活着和死了的状态中。它到底是死还是活，只有等到某人或某件事导致原子核的量子态塌缩之后方能确定。从这个奇怪的悖论中，薛定谔认识到量子理论有所缺失。可是恕我直言，我认为这个思想实验中奇怪的部分不在于猫，而在于不稳定原子核的行为。

为了说明这一点，让我们来看看放射性定年法。这是一种测定物体年代的神奇技术，可以为考古中的文物或地质学中的地层定年。在天体物理学中，它能够帮助确定遥远的恒星和星云的年龄。放射性定年毫无疑问是非常准确的，但其背后的原理却透着深刻的怪异之处。

很多物体都具有不稳定的原子核，它们最终会衰变成另一种同位素，并在此过程中放出能量。在相同的时间间隔内，样品中发生衰变的原子核的比例是固定的。有一半原子核发生衰变所需要的时间被称为同位素的半衰期。

放射性原子核之所以能成为理想的时钟，是因为它们具有可靠的不稳定性。我们可以通过观测大量的核衰变来精确测定一个同位素的半衰期。比如，用于测定有机物年代的放射性碳14的半衰期大约是5700年。但是我们不可能预测某一个特定的原子核何时发生衰变。事实上，单个原子核根本不能记录时间的流逝：老的核和年轻的核没有明显的差别，可以说，在原子核突然发生衰变之前，它们都是一样的年轻。然而通过监测一群这样的原子核衰变的概率，我们却可以精准测量时间。

像原子核这样简单的物体，或者中子、μ子这样更加基本的粒子，是如何“知道”它们的半衰期的？为它们记录时间的弹簧、钟摆或电池在哪里？这是个奇怪的问题！但是现代物理学给出的答案更加奇怪：这些物体就像是风暴中一触即发的炸弹，它们感受到的阵风来自充满量子涨落的空间，时不时阵风会足够强劲从而引发爆炸。在这个物理图景中，原子核基本上是简单且被动的，而充满量子场的空间却是复杂且活跃的。

在量子理论对自然的描述中，偶然性的引入并不是源于理论上的奇思妙想。正如放射性的基本事实所揭示的那样，无论我们喜欢与否，现实本身就是怪异而不确定的。通过把这些怪异纳入理性思维的范畴，量子力学便至少能够将其驯化。


弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象，他在2004年获得了诺贝尔物理学奖。