| 上帝擲骰子嗎——量子物理史話（11） [閱讀： 3753] | [教育科技] 2006-5-8 |
| 第十一章 上帝的判決 一 |Pxz－Pzy|≤1＋Pxy 嗯，這個不等式看上去普普通通，似乎不見得有什么神奇的魔力，更不用說對于我們宇宙的本質(zhì)作出終極的裁決。它真的有這樣的威力嗎？ 我們還是先來看看，貝爾不等式究竟意味著什么。我們在上一章已經(jīng)描述過了，Pxy代表了A粒子在x方向上為＋，而同時B粒子在y方向上亦為＋這兩個事件的相關(guān)性。相關(guān)性是一種合作程度的體現(xiàn)（不管是雙方出奇地一致還是出奇地不一致都意味著合作程度很高），而合作則需要雙方都了解對方的情況，這樣才能夠有效地協(xié)調(diào)。在隱變量理論中，我們對于兩個粒子的描述是符合常識的：無論觀察與否，兩個粒子始終存在于客觀現(xiàn)實之內(nèi)，它們的狀態(tài)從分裂的一霎那起就都是確定無疑的。假如我們禁止宇宙中有超越光速的信號傳播，那么理論上當(dāng)我們同時觀察兩個粒子的時候，它們之間無法交換任何信息，它們所能達(dá)到的最大協(xié)作程度僅僅限于經(jīng)典世界所給出的極限。這個極限，也就是我們用經(jīng)典方法推導(dǎo)出來的貝爾不等式。 如果世界的本質(zhì)是經(jīng)典的，具體地說，如果我們的世界同時滿足：1.定域的，也就是沒有超光速信號的傳播。2.實在的，也就是說，存在著一個獨立于我們觀察的外部世界。那么我們?nèi)我馊?個方向觀測A和B的自旋，它們所表現(xiàn)出來的協(xié)作程度必定要受限貝爾不等式之內(nèi)。也就是說，假如上帝是愛因斯坦所想象的那個不擲骰子的慈祥的“老頭子”，那么貝爾不等式就是他給這個宇宙所定下的神圣的束縛。不管我們的觀測方向是怎么取的，在EPR實驗中的兩個粒子決不可能冒犯他老人家的尊嚴(yán)，而膽敢突破這一禁區(qū)。事實上，這不是敢不敢的問題，而是兩個經(jīng)典粒子在邏輯上根本不具有這樣的能力：它們之間既然無法交換信號，就決不能表現(xiàn)得親密無間。 但是，量子論的預(yù)言就不同了！貝爾證明，在量子論中，只要我們把a和b之間的夾角θ取得足夠小，則貝爾不等式是可以被突破的！具體的證明需要用到略微復(fù)雜一點的物理和數(shù)學(xué)知識，我在這里略過不談了，但請諸位相信我，在一個量子主宰的世界里，A和B兩粒子在相隔非常遙遠(yuǎn)的情況下，在不同方向上仍然可以表現(xiàn)出很高的協(xié)作程度，以致于貝爾不等式不成立。這在經(jīng)典圖景中是決不可能發(fā)生的。 我們這樣來想象EPR實驗：有兩個罪犯搶劫了銀行之后從犯罪現(xiàn)場飛也似地逃命，但他們慌不擇路，兩個人沿著相反的兩個方向逃跑，結(jié)果于同一時刻在馬路的兩頭被守候的警察分別抓獲?，F(xiàn)在我們來錄取他們的口供，假設(shè)警察甲問罪犯A：“你是帶頭的那個嗎？”A的回答無非是“是”，或者“不是”。在馬路另一頭，如果警察乙問罪犯B同一個問題：“你是帶頭的那個嗎？”那么B的回答必定與A相反，因為大哥只能有1個，不是A帶著B就是B帶著A。兩個警察問的問題在“同一方向”上，知道了A的答案，就等于知道了B的答案，他們的答案，100％地不同，協(xié)作率100％。在這點上，無論是經(jīng)典世界還是量子世界都是一樣的。 但是，回到經(jīng)典世界里，假如兩個警察問的是不同角度的問題，比如說問A：“你需要自己聘請律師嗎？”問B：“你現(xiàn)在要喝水嗎？”這是兩個彼此無關(guān)的問題（在不同的方向上），A可能回答“要”或者“不要”，但這應(yīng)該對B怎樣回答問題毫無關(guān)系，因為B和A理論上已經(jīng)失去了聯(lián)系，B不可能按照A的行動來斟酌自己的答案。 不過，這只是經(jīng)典世界里的罪犯，要是我們有兩個“量子罪犯”，那可就不同了。當(dāng)A決定聘請律師的時候，B就會有更大的可能性想要喝水，反之亦然！看起來，似乎是A和B之間有一種神奇的心靈感應(yīng)，使得他們即使面臨不同的質(zhì)詢時，仍然回答得出奇地一致！量子世界的Bonnie&Clyde，即使他們相隔萬里，仍然合作無間，按照哥本哈根解釋，這是因為在具體地回答問題前，兩個人根本不存在于“實在”之中，而是合為一體，按照波函數(shù)彌漫。用薛定諤發(fā)明的術(shù)語來說，在觀測之前，兩個人（粒子）處在一種“糾纏”（entanglement）的狀態(tài)，他們是一個整體，具有一種“不可分離性”（inseparability）！ 這樣說當(dāng)然是簡單化的，具體的條件還是我們的貝爾不等式。總而言之，如果世界是經(jīng)典的，那么在EPR中貝爾不等式就必須得到滿足，反之則可以突破。我們手中的這個神秘的不等式成了判定宇宙最基本性質(zhì)的試金石，它仿佛就是那把開啟奧秘之門的鑰匙，可以帶領(lǐng)我們領(lǐng)悟到自然的終極奧義。 而最叫人激動的是，和胡思亂想的一些實驗（比如說瘋狂的量子自殺）不同，EPR不管是在技術(shù)或是倫理上都不是不可實現(xiàn)的！我們可以確實地去做一些實驗，來看看我們生活其中的世界究竟是如愛因斯坦所祈禱的那樣，是定域?qū)嵲诘?，還是它的神奇終究超越我們的想象，讓我們這些凡人不得不懷著更為敬畏的心情去繼續(xù)探索它那深深隱藏的秘密。 196 4年，貝爾把他的不等式發(fā)表在一份名為《物理》(Physics)的雜志的創(chuàng)刊號上，題為《論EPR佯謬》（On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox）。這篇論文是20世紀(jì)物理史上的名篇，它的論證和推導(dǎo)如此簡單明晰卻又深得精髓，教人拍案叫絕。1973年諾貝爾物理獎得主約瑟夫森（Brian D. Josephson）把貝爾不等式稱為“物理學(xué)中最重要的新進展”，斯塔普（Henry Stapp，就是我們前面提到的，鼓吹精神使波函數(shù)坍縮的那個）則把它稱作“科學(xué)中最深刻的發(fā)現(xiàn)”（the most profound discovery in science）。 不過，《物理》雜志卻沒有因為發(fā)表了這篇光輝燦爛的論文而得到什么好運氣，這份期刊只發(fā)行了一年就倒閉了。如今想要尋找貝爾的原始論文，最好還是翻閱他的著作《量子力學(xué)中的可道與不可道》（Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge 1987）。 在這之前，貝爾發(fā)現(xiàn)了馮諾伊曼的錯誤，并給《現(xiàn)代物理評論》（Reviews of Modern Physics）雜志寫了文章。雖然因為種種原因，此文直到1966年才被發(fā)表出來，但無論如何已經(jīng)改變了這樣一個尷尬的局面，即一邊有馮諾伊曼關(guān)于隱函數(shù)理論不可能的“證明”，另一邊卻的確存在著玻姆的量子勢！馮諾伊曼的封咒如今被摧毀了。 現(xiàn)在，貝爾顯得躊躇滿志：通往愛因斯坦夢想的一切障礙都已經(jīng)給他掃清了，馮諾伊曼已經(jīng)不再擋道，玻姆已經(jīng)邁出了第一步。而他，已經(jīng)打造出了足夠致量子論以死命的武器，也就是那個威力無邊的不等式。貝爾對世界的實在性深信不已，大自然不可能是依賴于我們的觀察而存在的，這還用說嗎？現(xiàn)在，似乎只要安排一個EPR式的實驗，用無可辯駁的證據(jù)告訴世人：無論在任何情況下，貝爾不等式也是成立的。粒子之間心靈感應(yīng)式的合作是純粹的胡說八道，可笑的妄想，量子論已經(jīng)把我們的思維搞得混亂不堪，是時候回到正常狀況來了。量子不確定性……嗯，是一個漂亮的作品，一種不錯的嘗試，值得在物理史上獲得它應(yīng)有的地位，畢竟它管用。但是，它不可能是真實，而只是一種近似！更為可靠，更為接近真理的一定是一種傳統(tǒng)的隱變量理論，它就像相對論那樣讓人覺得安全，沒有骰子亂飛，沒有奇妙的多宇宙，沒有超光速的信號。是的，只有這樣才能恢復(fù)物理學(xué)的光榮，那個值得我們驕傲和炫耀的物理學(xué)，那個真正的，莊嚴(yán)的宇宙的立法者，而不是靠運氣和隨機性來主宰一切的投機販子。 真的，也許只差那么小小的一步，我們就可以回到舊日的光輝中去了。那個從海森堡以來失落已久的極樂世界，那個宇宙萬物都嚴(yán)格而絲絲入扣地有序運轉(zhuǎn)的偉大圖景，叫懷舊的人們癡癡想念的古典時代。真的，大概就差一步了，也許，很快我們就可以在管風(fēng)琴的伴奏中吟唱彌爾頓那神圣而不朽的句子： 昔有樂土，歲月其徂。 只是貝爾似乎忘了一件事：威力強大的武器往往都是雙刃劍。 ********* 玻姆是美國科學(xué)家，但他的最大貢獻卻是在英國作出的，這還要歸功于40年代末50年代初在美國興起的麥卡錫主義（McCarthyism）。 麥卡錫主義是冷戰(zhàn)的產(chǎn)物，其實質(zhì)就是瘋狂地反 共與排外。在參議員麥卡錫（Joseph McCarthy）的煽風(fēng)點火下，這股“紅色恐懼”之風(fēng)到達(dá)了最高潮。幾乎每個人都被懷疑是蘇聯(lián)間 諜，或者是陰 謀推翻政 府的敵對分子。玻姆在二戰(zhàn)期間曾一度參予曼哈頓計劃，但他沒干什么實質(zhì)的工作，很快就退出了。戰(zhàn)后他到普林斯頓教書，和愛因斯坦一起工作，這時他遭到臭名昭著的“非美活動調(diào)查委員會”（Un-American Activities Committee）的傳喚，要求他對一些當(dāng)年同在伯克利的同事的政 治立場進行作證，玻姆憤然拒絕，并引用憲法第五修正案為自己辯護。 本來這件事也就過去了，但麥卡錫時代剛剛開始，恐慌迅即蔓延整個美國。兩年后，玻姆因為拒絕回答委員會的提問而遭到審判，雖然他被宣判無罪，但是普林斯頓卻不肯為他續(xù)簽合同，哪怕愛因斯坦請求他作為助手留下也無濟于事。玻姆終于離開美國，他先后去了巴西和以色列，最后在倫敦大學(xué)的Birkbeck學(xué)院安頓下來。在那里他發(fā)展出了他的隱函數(shù)理論。 麥卡錫時代是一個瘋狂和恥辱的時代，2000多萬人接受了所謂的“忠誠審查”。上至喬治?馬歇爾將軍，中至查理?卓別林，下至無數(shù)平民百姓都受到巨大的沖擊。人們神經(jīng)質(zhì)地尋找所謂共 產(chǎn)主義者，就像中世紀(jì)的歐洲瘋狂地抓女巫一樣。在學(xué)界，近百名教授因為“觀點”問題離開了崗位，有華裔背景的如錢學(xué)森等遭到審查，著名的量子化學(xué)大師鮑林被懷疑是美共 特 務(wù)。越來越多的人被傳喚去為同事的政治立場作證，這里面蕓蕓眾生象，有如同玻姆一般斷然拒絕的，也有些人的舉動出乎意料。最著名的可能就算是奧本海默一案了，奧本海默是曼哈頓計劃的領(lǐng)導(dǎo)人，連他都被懷疑對國家“不忠誠”似乎匪夷所思。所有的物理學(xué)家都站在他這一邊，然而愛德華?泰勒（Edward Teller）讓整個物理界幾乎不敢相信自己的耳朵。這位匈牙利出生的物理學(xué)家（他還是楊振寧的導(dǎo)師）說，雖然他不怎么覺得奧本海默會做出不利于國家的事情來，但是“如果讓公共事務(wù)掌握在別人的手上，我個人會感覺更安全些的。”奧本海默的忠誠雖然最后沒有被責(zé)難，但他的安全許可證被沒收了，絕密材料不再送到他手上。雖然有人（如惠勒）對泰勒表示同情，但整個科學(xué)界幾乎不曾原諒過他。 泰勒還是氫彈的大力鼓吹者和實際設(shè)計者之一（他被稱為“氫彈之父”），他試圖阻止《禁止地上核試驗條約》的簽署，他還向里根兜售了“星球大戰(zhàn)”計劃（SDI Defence）。他去年（2003年）9月去世了，享年95歲?？?薩根在《魔鬼出沒的世界》一書里，曾把他拉出來作為科學(xué)家應(yīng)當(dāng)為自己的觀點負(fù)責(zé)的典型例子。 泰勒自己當(dāng)然有自己的理由，他認(rèn)為氫彈的制造實際上使得人類社會“更安全”。作為我們來說，也許只能衷心地希望科學(xué)本身不要受到政 治的過多干涉，雖然這也許只是一個烏托邦式的夢想，但我們?nèi)匀蝗绱俗Ｔ浮? 二 玻爾還是愛因斯坦？那就是個問題。 物理學(xué)家們終于行動起來，準(zhǔn)備以實踐為檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，確確實實地探求一下，究竟世界符合兩位科學(xué)巨人中哪一位的描述。玻爾和愛因斯坦的爭論本來也只像是哲學(xué)上的一種空談，泡利有一次對波恩說，和愛因斯坦?fàn)幷摿孔诱摰谋举|(zhì)就像以前人們爭論一個針尖上能坐多少個天使一般虛無飄渺，但現(xiàn)在已經(jīng)不同，我們的手里現(xiàn)在有了貝爾不等式。兩個粒子究竟是乖乖地臣服于經(jīng)典上帝的這條神圣禁令，還是它們將以一種量子革命式的躁動蔑視任何桎梏，突破這條看起來莊嚴(yán)而不可侵犯的規(guī)則？如今我們終于可以把它付諸實踐，一切都等待著命運之神最終的判決。 1969年，Clauser等人改進了玻姆的EPR模型，使其更容易實施。隨即人們在伯克利，哈佛和德州進行了一系列初步的實驗，也許出乎貝爾的意料之外，除了一個實驗外，所有的實驗都模糊地指向量子論的預(yù)言結(jié)果。但是，最初的實驗都是不嚴(yán)密的，和EPR的原型相去甚遠(yuǎn)，人們使原子輻射出的光子對通過偏振器，但技術(shù)的限制使得在所有的情況下，我們只能獲得單一的＋的結(jié)果，而不是＋和－，所以要獲得EPR的原始推論仍然要靠間接推理。而且當(dāng)時使用的光源往往只能產(chǎn)生弱信號。 隨著技術(shù)的進步，特別是激光技術(shù)的進步，更為精確嚴(yán)密的實驗有了可能。進入80年代，法國奧賽理論與應(yīng)用光學(xué)研究所（Institut d‘Optique Théorique et Appliquée， Orsay Cédex）里的一群科學(xué)家準(zhǔn)備第一次在精確的意義上對EPR作出檢驗，領(lǐng)導(dǎo)這個小組的是阿萊恩·阿斯派克特（Alain Aspect）。 法國人用鈣原子作為光子對的來源，他們把鈣原子激發(fā)到一個很高的量子態(tài)，當(dāng)它落回到未激發(fā)態(tài)時，就釋放出能量，也就是一對對光子。實際使用的是一束鈣原子，但是可以用激光來聚焦，使它們精確地激發(fā)，這樣就產(chǎn)生了一個強信號源。阿斯派克特等人使兩個光子飛出相隔約12米遠(yuǎn)，這樣即使信號以光速在它們之間傳播，也要花上40納秒（ns）的時間。光子經(jīng)過一道閘門進入一對偏振器，但這個閘門也可以改變方向，引導(dǎo)它們?nèi)ハ騼蓚€不同偏振方向的偏振器。如果兩個偏振器的方向是相同的，那么要么兩個光子都通過，要么都不通過，如果方向不同，那么理論上說（按照愛因斯坦的世界觀），其相關(guān)性必須符合貝爾不等式。為了確保兩個光子之間完全沒有信息的交流，科學(xué)家們急速地轉(zhuǎn)換閘門的位置，平均10ns就改變一次方向，這比雙方之間光速來往的時間都要短許多，光子不可能知道對方是否通過了那里的偏振器。 作為對比，我們也考察兩邊都不放偏振器，以及只有一邊放置偏振器的情況，以消除實驗中的系統(tǒng)誤差。 那么，現(xiàn)在要做的事情，就是記錄兩個光子實際的協(xié)作程度。如果它符合貝爾不等式，則愛因斯坦的信念就得到了救贖，世界回復(fù)到獨立可靠，客觀實在的地位上來。反之，則我們?nèi)匀槐仨氄J(rèn)真地對待玻爾那看上去似乎神秘莫測的量子觀念。 時間是1982年，暮夏和初秋之交。七月流火，九月授衣，在時尚之都巴黎，人們似乎已經(jīng)在忙著揣摩今年的秋冬季將會流行什么樣式的時裝。在酒吧里，體育迷們還在為國家隊魂斷西班牙世界杯而扼腕不已。那一年，在普拉蒂尼率領(lǐng)下的，被認(rèn)為是歷史上最強的那屆國家隊在一場經(jīng)典賽事中驚心動魄地?fù)魯×税臀?，卻終于在點球上敗給了西德人。高貴的紳士們在沙龍里暢談天下大勢，議論著老冤家英國人是如何在馬島把阿根廷擺布得服服帖帖。在盧浮宮和奧賽博物館，一如既往地擠滿了來自世界各地的藝術(shù)愛好者，塞納河緩緩流過市中心，倒映著艾菲爾鐵塔和巴黎圣母院的影子，也倒映出路邊風(fēng)琴手們的清澈眼神。 只是，有多少人知道，在不遠(yuǎn)處的奧賽光學(xué)研究所，一對對奇妙的光子正從鈣原子中被激發(fā)出來，沖向那些命運交關(guān)的偏振器；我們的世界，正在接受一場終極的考驗，向我們揭開她那隱藏在神秘面紗后面的真實面目呢？ 如果愛因斯坦和玻爾神靈不昧，或許他們也在天國中注視著這次實驗的結(jié)果吧？要是真的有上帝的話，他老人家又在干什么呢？也許，連他也不得不把這一切交給命運來安排，用一個黃金的天平和兩個代表命運的砝碼來決定這個世界本性的歸屬，就如同當(dāng)年阿喀琉斯和赫克托耳在特洛伊城下那場傳奇的決斗。 一對，兩對，三對……數(shù)據(jù)逐漸積累起來了。1萬2千秒，也就是3個多小時后，結(jié)果出來了?？茖W(xué)家們都長出了一口氣。 愛因斯坦輸了！實驗結(jié)果和量子論的預(yù)言完全符合，而相對愛因斯坦的預(yù)測卻偏離了5個標(biāo)準(zhǔn)方差——這已經(jīng)足夠決定一切。貝爾不等式這把雙刃劍的確威力強大，但它斬斷的卻不是量子論的輝光，而是反過來擊碎了愛因斯坦所執(zhí)著信守的那個夢想！ 阿斯派克特等人的報告于當(dāng)年12月發(fā)表在《物理評論快報》（Physics Review Letters）上，科學(xué)界最初的反應(yīng)出奇地沉默。大家都知道這個結(jié)果的重要意義，然而似乎都不知道該說什么才好。 愛因斯坦輸了？這意味著什么？難道這個世界真的比我們所能想象的更為神秘和奇妙，以致于我們那可憐的常識終于要在它的面前破碎得七零八落？這個世界不依賴于你也不依賴于我，它就是“在那里存在著”，這不是明擺著的事情嗎？為什么站在這樣一個基本假設(shè)上所推導(dǎo)出來的結(jié)論和實驗結(jié)果之間有著無法彌補的鴻溝？是上帝瘋了，還是你我瘋了？ 全世界的人們都試圖重復(fù)阿斯派克特的實驗，而且新的手段也開始不斷地被引入，實驗?zāi)Ｐ驮絹碓娇拷鼝垡蛩固巩?dāng)年那個最原始的EPR設(shè)想。馬里蘭和羅切斯特的科學(xué)家們使用了紫外光，以研究觀測所得到的連續(xù)的，而非離散的輸出相關(guān)性。在英國的Malvern，人們用光纖引導(dǎo)兩個糾纏的光子，使它們分離4公里以上，而在日內(nèi)瓦，這一距離達(dá)到了數(shù)十公里。即使在這樣的距離上，貝爾不等式仍然遭到無情的突破。 另外，按照貝爾原來的設(shè)想，我們應(yīng)該不讓光子對“事先知道”觀測方向是哪些，也就是說，為了確保它們能夠?qū)λ鼈兌圆豢深A(yù)測的事件進行某種似乎不可思議的超距的合作（按照量子力學(xué)的預(yù)測），我們應(yīng)該在它們飛行的路上才作出隨機的觀測方向的安排。在阿斯派克特實驗里，我們看到他們以10ns的速度來轉(zhuǎn)換閘門，然而他們所能夠使兩光子分離的距離12米還是顯得太短，不太保險。1998年，奧地利因斯布魯克（Innsbruck）大學(xué)的科學(xué)家們讓光子飛出相距400米，這樣他們就有了1.3微秒的時間來完成偏振器的隨機安排。這次時間上綽綽有余，其結(jié)果是如此地不容置疑：愛因斯坦這次輸?shù)酶鼞K——30個標(biāo)準(zhǔn)方差！ 1990年，Greenberger，Horne和Zeilinger等人向人們展示了，就算不用到貝爾不等式，我們也有更好的方法來昭顯量子力學(xué)和一個“經(jīng)典理論”（定域的隱變量理論）之間的尖銳沖突，這就是著名的GHZ測試（以三人名字的首字母命名），它牽涉到三個或更多光子的糾纏。2000年，潘建偉、Bouwmeester、Daniell等人在Nature雜志上報道，他們的實驗結(jié)果再次否決了定域?qū)嵲冢簿褪菒垡蛩固剐拍畹目赡苄浴?個標(biāo)準(zhǔn)方差！ 2001年，Rowe等人描述了更加精密的Be+離子捕獲實驗。2003年，Pittman和Franson報道了產(chǎn)生于兩個獨立源的光子對于貝爾不等式的違反；而Hasegawa等人更是在單中子的干涉測量中發(fā)現(xiàn)了突破類貝爾關(guān)系的結(jié)果。 在世界各地的實驗室里，粒子們都頑強地保持著一種微妙而神奇的聯(lián)系。仿佛存心要炫耀它們的能力般地，它們一再地嘲笑經(jīng)典世界給它們定下的所謂不可突破的束縛，一次又一次把那個被宣稱是不可侵犯的教條踩在腳下。這一現(xiàn)象變得如此地不容置疑，在量子信息領(lǐng)域已經(jīng)變成了測試兩個量子比特是否仍然處在糾纏狀態(tài)的一種常規(guī)方法（有一個好處是可以知道你的信息有否被人中途竊聽！）。 盡管我們也許會在將來做出更多更精密的實驗，但總體來看，在EPR中貝爾不等式的突破是一個無可辯駁的事實?；蛟S在未來，新的實驗會把我們目前的結(jié)論全部推翻，讓世界恢復(fù)到經(jīng)典的面目中去，但從目前來看，這種可能性是微乎其微的。 不知道愛因斯坦如果活到今天，他會對此發(fā)表什么樣的看法？也許他會說一些靈活的話。我們似乎聽到在遙遠(yuǎn)的天國，他和玻爾仍在重復(fù)那段經(jīng)典的對白： 愛因斯坦：玻爾，親愛的上帝不擲骰子！ 玻爾：愛因斯坦，別去指揮上帝應(yīng)該怎么做！ 現(xiàn)在，就讓我們狂妄一回，以一種尼采式的姿態(tài)來宣布： 愛因斯坦的上帝已經(jīng)死了。 三 阿斯派克特在1982年的實驗（準(zhǔn)確地說，一系列實驗）是20世紀(jì)物理史上影響最為深遠(yuǎn)的實驗之一，它的意義甚至可以和1886年的邁克爾遜－莫雷實驗相提并論。但是，相比邁克爾遜的那個讓所有的人都瞠目結(jié)舌的實驗來說，阿斯派克特所得到的結(jié)果卻在“意料之中”。大多數(shù)人們一早便預(yù)計到，量子論的勝利是不在話下的。量子論自1927年創(chuàng)立以來，到那時為止已經(jīng)經(jīng)歷了50多年的風(fēng)風(fēng)雨雨，它在每一個領(lǐng)域都顯示出了如此強大的力量，沒有任何實驗結(jié)果能夠?qū)λ岢瞿呐乱稽c點的質(zhì)疑。最偉大的物理學(xué)家（如愛因斯坦和薛定諤）向它猛烈開火，試圖把它從根本上顛覆掉，可是它的燦爛光輝卻反而顯得更加耀眼和悅目。從實用的角度來說，量子論是有史以來最成功的理論，它不但遠(yuǎn)超相對論和麥克斯韋電磁理論，甚至超越了牛頓的經(jīng)典力學(xué)！量子論是從風(fēng)雨飄搖的亂世成長起來的，久經(jīng)革命考驗的戰(zhàn)士，它的氣質(zhì)在風(fēng)刀霜劍的嚴(yán)相逼拷之下被磨礪得更加堅韌而不可戰(zhàn)勝。的確，沒有多少人會想象，這樣一個理論會被一個不起眼的實驗輕易地打倒在地，從此翻不了身。阿斯派克特實驗的成功，只不過是量子論所經(jīng)受的又一個考驗（雖然是最嚴(yán)格的考驗），給它那身已經(jīng)品嘗過無數(shù)勝利的戎裝上又添上一枚榮耀的勛章罷了?，F(xiàn)在我們知道，它即使在如此苛刻的條件下，也仍然是成功的。是的，不出所料！這一消息并沒有給人們的情感上帶來巨大的沖擊，引起一種轟動效應(yīng)。 但是，它的確把物理學(xué)家們逼到了一種尷尬的地步。本來，人們在世界究竟是否實實在在這種問題上通常樂于奉行一種鴕鳥政策，能閉口不談的就盡量不去討論。量子論只要管用就可以了嘛，干嗎非要刨根問底地去追究它背后的哲學(xué)意義到底是什么樣的呢？雖然有愛因斯坦之類的人在為它擔(dān)憂，但大部分科學(xué)家還是覺得無所謂的。不過現(xiàn)在，阿斯派克特終于逼著人們要攤牌了：一味地縮頭縮腦是沒用的，人們必須面對這樣一個事實：實驗否決了經(jīng)典圖景的可能性！ 愛因斯坦的夢想如同泡沫般破碎在無情的數(shù)據(jù)面前，我們再也回不去那個溫暖舒適的安樂窩中，而必須面對風(fēng)雨交加的嚴(yán)酷現(xiàn)實。我們必須再一次審視我們的常識，追問一下它到底有多可靠，在多大程度上會給我們帶來誤導(dǎo)。對于貝爾來說，他所發(fā)現(xiàn)的不等式卻最終背叛了他的理想，不僅沒有把世界拉回經(jīng)典圖像中來，更反過來把它推向了絕路。阿斯派克特實驗之后，我們必須說服自己相信這樣一件事情： 定域的隱變量理論是不存在的！ 換句話說，我們的世界不可能如同愛因斯坦所夢想的那樣，既是定域的（沒有超光速信號的傳播），又是實在的（存在一個客觀獨立的世界，可以為隱變量所確定地描述）。定域?qū)嵲谛裕╨ocal realism）從我們的宇宙中被實驗排除了出去，現(xiàn)在我們必須作出艱難的選擇：要么放棄定域性，要么放棄實在性。 如果我們放棄實在性，那就回到量子論的老路上來，承認(rèn)在我們觀測之前，兩個粒子不存在于“客觀實在”之內(nèi)。它們不具有通常意義上的物理屬性（如自旋），只有當(dāng)觀測了以后，這種屬性才變得有意義。在EPR實驗中，不到最后關(guān)頭，我們的兩個處于糾纏態(tài)粒子都必須被看成一個不可分割的整體，那時在現(xiàn)實中只有“一個粒子”（當(dāng)然是疊加著的），而沒有“兩個粒子”。所謂兩個粒子，只有當(dāng)觀測后才成為實實在在的東西（波函數(shù)坍縮了）。當(dāng)然，在做出了這樣一個令人痛心的讓步后，我們還是可以按照自己的口味不同來選擇：究竟是更進一步，徹底打垮決定論，也就是保留哥本哈根解釋；還是在一個高層次的角度上，保留決定論，也即采納多宇宙解釋！需要說明的是，MWI究竟算不算一個定域的（local）理論，各人之間的說法還是不盡相同的。除去Stapp這樣的反對者不談，甚至在它的支持者（比如Deutsch，Tegmark或者Zeh）中，其口徑也不是統(tǒng)一的。不過這也許只是一個定義和用詞的問題，因為量子糾纏本身或許就可以定義為某種非定域的物理過程（Zeh，F(xiàn)ound. of Physics Letters 13，2000，p22），但大家都同意，MWI肯定不是一個定域?qū)嵲诘睦碚?，而且超光速的信號傳遞在其內(nèi)部也是不存在的。關(guān)鍵在于，根據(jù)MWI，每次我們進行觀測都在“現(xiàn)實”中產(chǎn)生了不止一個結(jié)果（事實上，是所有可能的結(jié)果）！這和愛因斯坦所默認(rèn)的那個傳統(tǒng)的“現(xiàn)實”是很不一樣的。 這樣一來，那個在心理上讓人覺得牢固可靠的世界就崩塌了（或者，“坍縮”了？）。不管上帝擲不擲骰子，他給我們建造的都不是一幢在一個絕對的外部世界嚴(yán)格獨立的大廈。它的每一面墻壁，每一塊地板，每一道樓梯……都和在其內(nèi)部進行的種種活動密切相關(guān)，不管這種活動是不是包含了有智能（意識）的觀測者。這幢大樓非但不是鐵板一塊，相反，它的每一層樓都以某種特定的奇妙方式糾纏在一起，以致于分居在頂樓和底樓的住客仍然保持著一種心有靈犀的感應(yīng)。 但是，如果你忍受不了這一切，我們也可以走另一條路，那就是說，不惜任何代價，先保住世界的實在性再說。當(dāng)然，這樣一來就必須放棄定域性。我們?nèi)匀挥锌赡芙⒁粋€隱變量理論，如果容忍某種超光速的信號在其體系中來回，則它還是可以很好地說明我們觀測到的一切。比如在EPR中，天際兩頭的兩個電子仍然可以通過一種超光速的瞬時通信來確保它們之間進行成功的合作。事實上，玻姆的體系就很好地在阿斯派克特實驗之后仍然存活著，因為他的“量子勢”的確暗含著這樣的超距作用。 可是要是這樣的話，我們也許并不會覺得日子好過多少！超光速的信號？老大，那意味著什么？想一想愛因斯坦對此會怎么說吧，超光速意味著獲得了回到過去的能力！這樣一來，我們將陷入甚至比不確定更加棘手和叫人迷惑的困境，比如，想象那些科幻小說中著名的場景：你回到過去殺死了尚處在襁褓中的你，那會產(chǎn)生什么樣的邏輯后果呢？雖然玻姆也許可以用高超的數(shù)學(xué)手段向我們展示，盡管存在著這種所謂超光速的非定域關(guān)聯(lián)，他的隱函數(shù)理論仍然可以禁止我們在實際中做到這樣的信號傳遞：因為大致上來說，我們無法做到精確地“控制”量子現(xiàn)象，所以在現(xiàn)實的實驗中，我們將在統(tǒng)計的意義上得到和相對論的預(yù)言相一致的觀測極限。也就是說，雖然在一個深層次的意義上存在著超光速的信號，但我們卻無法刻意與有效地去利用它們來制造邏輯怪圈。不過無論如何，對于這種敏感問題，我們應(yīng)當(dāng)非常小心才是。放棄定域性，并不比放棄實在性來得讓我們舒服！ 阿斯派克特實驗結(jié)果出來之后，BBC的廣播制作人朱里安?布朗（Julian Brown）和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的物理學(xué)教授保羅?戴維斯（Paul Davies，他如今在澳大利亞的Macquarie大學(xué)，他同時也是當(dāng)代最負(fù)盛名的科普作家之一）決定調(diào)查一下科學(xué)界對這個重要的實驗究竟會做出什么樣的反應(yīng)。他們邀請8位在量子論領(lǐng)域最有名望的專家作了訪談，征求對方對于量子力學(xué)和阿斯派克特實驗的看法。這些訪談記錄最后被匯集起來，編成一本書，于1986年由劍橋出版社出版，書名叫做《原子中的幽靈》（The Ghost in the Atom）。 閱讀這些訪談記錄真是給人一種異常奇妙的體驗和感受。你會看到最杰出的專家們是如何各持己見，在同一個問題上抱有極為不同，甚至截然對立的看法。阿斯派克特本人肯定地說，他的實驗從根本上排除了定域?qū)嵲诘目赡?，他不太欣賞超光速的說法，而是對現(xiàn)有的量子力學(xué)表示了同情。貝爾雖然承認(rèn)實驗結(jié)果并沒有出乎意料，但他仍然決不接受擲骰子的上帝。他依然堅定地相信，量子論是一種權(quán)益之計，他想象量子論終究會在有一天被更為復(fù)雜的實驗證明是錯誤的。貝爾愿意以拋棄定域性為代價來換取客觀實在，他甚至設(shè)想復(fù)活“以太”的概念來達(dá)到這一點?；堇盏挠^點有點曖昧，他承認(rèn)一度支持埃弗萊特的多宇宙解釋，但接著又說因為它所帶來的形而上學(xué)的累贅，他已經(jīng)改變了觀點。惠勒討論了玻爾的圖像，意識參予的可能性以及他自己的延遲實驗和參予性宇宙，他仍然對于精神在其中的作用表現(xiàn)得饒有興趣。 魯?shù)婪?佩爾斯（Rudolf Peierls）的態(tài)度簡明爽快：“我首先反對使用‘哥本哈根解釋’這個詞。”他說，“因為，這聽上去像是說量子力學(xué)有好幾種可能的解釋一樣。其實只存在一種解釋：只有一種你能夠理解量子力學(xué)的方法（也就是哥本哈根的觀點！）。”這位曾經(jīng)在海森堡和泡利手下學(xué)習(xí)過的物理學(xué)家仍然流連于革命時代那波瀾壯闊的觀念，把波函數(shù)的坍縮認(rèn)為是一種唯一合理的物理解釋。大衛(wèi)?德義奇也毫不含糊地向人們推銷多宇宙的觀點，他針對奧卡姆剃刀對于“無法溝通的宇宙的存在”提出的詰問時說，MWI是最為簡單的解釋。相對于種種比如“意識”這樣稀奇古怪的概念來說，多宇宙的假設(shè)實際上是最廉價的！他甚至描述了一種“超腦”實驗，認(rèn)為可以讓一個人實際地感受到多宇宙的存在！接下來是玻姆，他坦然地準(zhǔn)備接受放棄物理中的定域性，而繼續(xù)維持實在性。“對于愛因斯坦來說，確實有許多事情按照他所預(yù)料的方式發(fā)生。”玻姆說，“但是，他不可能在每一件事情上都是正確的！”在玻姆看來，狹義相對論也許可以看成是一種普遍情況的一種近似，正如牛頓力學(xué)是相對論在低速情況下的一種近似那樣。作為玻姆的合作者之一，巴西爾?海利（Basil Hiley）也強調(diào)了隱函數(shù)理論的作用。而約翰?惠勒（John Taylor）則描述了另一種完全不同的解釋，也就是所謂的“系綜”解釋（the ensemble interpretation）。系綜解釋持有的是一種非常特別的統(tǒng)計式的觀點，也就是說，物理量只對于平均狀況才有意義，對于單個電子來說，是沒有意義的，它無法定義！我們無法回答單個系統(tǒng)，比如一個電子通過了哪條縫這樣的問題，而只能給出一個平均統(tǒng)計！我們在史話的后面再來詳細(xì)地介紹系綜解釋。 在這樣一種大雜燴式的爭論中，阿斯派克特實驗似乎給我們的未來蒙上了一層更加撲朔迷離的影子。愛因斯坦有一次說：“雖然上帝神秘莫測，但他卻沒有惡意。”但這樣一位慈祥的上帝似乎已經(jīng)離我們遠(yuǎn)去了，留給我們一個難以理解的奇怪世界，以及無窮無盡的爭吵。我們在隱函數(shù)這條道路上的探索也快接近盡頭了，關(guān)于玻姆的理論，也許仍然有許多人對它表示足夠的同情，比如John Gribbin在他的名作《尋找薛定諤的貓》（In Search of Schrodinger’s Cat）中還把自己描述成一個多宇宙的支持者，而在10年后的《薛定諤的貓以及對現(xiàn)實的尋求》（Schrodinger’s Kittens and the Search for Reality）一書中，他對MWI的熱情已經(jīng)減退，而對玻姆理論表示出了謹(jǐn)慎的樂觀。我們不清楚，也許玻姆理論是對的，但我們并沒有足夠可靠的證據(jù)來說服我們自己相信這一點。除了玻姆的隱函數(shù)理論之外，還有另一種隱函數(shù)理論，它由Edward Nelson所發(fā)明，大致來說，它認(rèn)為粒子按照某種特定的規(guī)則在空間中實際地彌漫開去（有點像薛定諤的觀點），類似波一般地確定地發(fā)展。我們不打算過多地深入探討這些觀點，我們所不滿的是，這些和愛因斯坦的理想相去甚遠(yuǎn)！為了保有實在性而放棄掉定域性，也許是一件飲鴆止渴的事情。我們不敢說光速絕對地不可超越，只是要推翻相對論，現(xiàn)在似乎還不大是時候，畢竟相對論也是一個經(jīng)得起考驗的偉大理論。 我們沿著這條路走來，但是它當(dāng)初許諾給我們的那個美好藍(lán)圖，那個愛因斯坦式的理想?yún)s在實驗的打擊下終于破產(chǎn)。也許我們至少還保有實在性，但這不足以吸引我們中的許多人，讓他們付出更多的努力和代價而繼續(xù)前進。阿斯派克特實驗嚴(yán)酷地將我們的憧憬粉碎，它并沒有證明量子論是對的（它只是支持了量子論的預(yù)言，正如我們討論過的那樣，沒什么理論可以被“證明”是對的），但它無疑證明了愛因斯坦的世界觀是錯的！事實上，無論量子論是錯是對，我們都已經(jīng)不可能追回傳說中的那個定域?qū)嵲诘睦硐雵?，而這，也使我們喪失了沿著該方向繼續(xù)前進的很大一部分動力。就讓那些孜孜不倦的探索者繼續(xù)前進，而我們還是退回到原來的地方，再繼續(xù)苦苦追尋，看看有沒有柳暗花明的一天。 ********* EPR背后是不是真的隱藏著超光速我們?nèi)匀徊荒艽_定，至少它表面上看起來似乎是一種類似的效應(yīng)。不過，我們并不能利用它實際地傳送信息，這和愛因斯坦的狹義相對論并非矛盾。 假如有人想利用這種量子糾纏效應(yīng)，試圖以超光速從地球傳送某個消息去到半人馬座α星（南門二，它的一顆伴星是離我們地球最近的恒星，也即比鄰星），他是注定要失敗的。假設(shè)某個未來時代，某個野心家駕駛一艘宇宙飛船來到兩地連線的中點上，然后使一個粒子分裂，兩個子粒子分別飛向兩個目標(biāo)。他事先約定，假如半人馬星上觀測到粒子是“左旋”，則表示地球上政變成功，反之，如是“右旋”則表示失敗。這樣的通訊建立在量子論的這個預(yù)測上：也就是地球上觀測到的粒子的狀態(tài)會“瞬間”影響到遙遠(yuǎn)的半人馬星上另一個粒子的狀態(tài)。但事到臨頭他卻犯難了：假設(shè)他成功了，他如何確保他在地球上一定觀測到一個“右旋”粒子，以保證半人馬那邊收到“左旋”的信息呢？他沒法做到這點，因為觀測結(jié)果是不確定的，他沒法控制！他最多說，當(dāng)他做出一個隨機的觀測，發(fā)現(xiàn)地球上的粒子是“右旋”的時候，那時他可以有把握地，100％地預(yù)言遙遠(yuǎn)的半人馬那里一定收到“左”的信號，雖然理論上說兩地相隔非常遙遠(yuǎn)，訊息還來不及傳遞過來。如果他想利用貝爾不等式，他也必須知道，在那一邊采用了什么觀測手段，而這必須通過通常的方法來獲取。這一切都并不違反相對論，你無法利用這種“超光速”制造出信息在邏輯上的自我矛盾來（例如回到過去殺死你自己之類的）。 在這種原理上的量子傳輸（teleportation）事實上已經(jīng)實現(xiàn)。我國的潘建偉教授在此領(lǐng)域多有建樹。 2000年，王力軍，Kuzmich等人在Nature上報道了另一種“超光速”（Nature V406），它牽涉到在特定介質(zhì)中使得光脈沖的群速度超過真空中的光速，這本身也并不違反相對論，也就是說，它并不違反嚴(yán)格的因果律，結(jié)果無法“回到過去”去影響原因。同樣，它也無法攜帶實際的信息。 其實我們的史話一早已經(jīng)討論過，德布羅意那“相波”的速度c^2/v就比光速要快，但只要不攜帶能量和信息，它就不違背相對論。相對論并非有些人所想象的那樣已被推翻，相反，它仍然是我們所能依賴的最可靠的基石之一。 四 這已經(jīng)是我們第三次在精疲力竭之下無功而返了。隱變量所給出的承諾固然美好，可是最終的兌現(xiàn)卻是大打折扣的，這未免教人喪氣。雖然還有玻姆在那里熱切地召喚，但為了得到一個決定性的理論，我們付出的代價是不是太大了點？這仍然是很值得琢磨的事情，同時也使得我們不敢輕易地投下賭注，義無反顧地沿著這樣的方向走下去。 如果量子論注定了不能是決定論的，那么我們除了推導(dǎo)出類似“坍縮”之類的概念以外，還可以做些什么假設(shè)呢？ 有一種功利而實用主義的看法，是把量子論看作一種純統(tǒng)計的理論，它無法對單個系統(tǒng)作出任何預(yù)測，它所推導(dǎo)出的一切結(jié)果，都是一個統(tǒng)計上的概念！也就是說，在量子論看來，我們的世界中不存在什么“單個”（individual）的事件，每一個預(yù)測，都只能是平均式的，針對“整個集合”（ensemble）的，這也就是“系綜解釋”（the ensemble interpretation）一詞的來源。 大多數(shù)系綜論者都喜歡把這個概念的源頭上推到愛因斯坦，比如John Taylor，或者加拿大McGill大學(xué)的B. C. Sanctuary.愛因斯坦曾經(jīng)說過：“任何試圖把量子論的描述看作是對于‘單個系統(tǒng)’的完備描述的做法都會使它成為極不自然的理論解釋。但只要接受這樣的理解方式，也即（量子論的）描述只能針對系統(tǒng)的‘全集’，而非單個個體，上述的困難就馬上不存在了。”這個論述成為了系綜解釋的思想源泉（見于Max Jammer《量子力學(xué)的哲學(xué)》一書）。 嗯，怎么又是愛因斯坦？我們還記憶猶新的是，隱變量不是也把他拉出來作為感召和口號嗎？或許愛因斯坦的聲望太隆，任何解釋都希望從他那里取得權(quán)威性，不過無論如何，從這一點來說，系綜和隱變量實際上是有著相同的文化背景的。但是它們之間不同的是，隱變量在作出“量子論只不過是統(tǒng)計解釋”這樣的論斷后，仍然懷著滿腔熱情去尋找隱藏在它背后那個更為終極的理論，試圖把我們所看不見的隱變量找出來以最終實現(xiàn)物理世界所夢想的最高目標(biāo)：理解和預(yù)測自然。它那銳意進取的精神固然是可敬的，但正如我們已經(jīng)看到的那樣，在現(xiàn)實中遭到了嚴(yán)重的困難和阻撓，不得不為此放棄許多東西。 相比隱變量那勇敢的沖鋒，系綜解釋選擇固本培元，以退為進的戰(zhàn)略。在它看來，量子論是一個足夠偉大的理論，它已經(jīng)界定了這個世界可理解的范疇。的確，量子論給我們留下了一些盲點，一些我們所不能把握的東西，比如我們沒法準(zhǔn)確地同時得到一個電子的位置和動量，這叫一些持完美主義的人們覺得坐立不寧，寢食難安。但系綜主義者說：“不要徒勞地去探索那未知的領(lǐng)域了，因為實際上不存在這樣的領(lǐng)域！我們的世界本質(zhì)上就是統(tǒng)計性質(zhì)的，沒有一個物理理論可以描述‘單個’的事件，事實上，在我們的宇宙中，只有‘系綜’，或者說‘事件的全集’才是有物理意義的。” 這是什么意思呢？我們還是用大家都熟悉的老例子，雙縫前的電子來說明問題。當(dāng)電子通過雙縫后，假設(shè)我們沒有刻意地去觀察它，那么按照量子論，它應(yīng)該有一個確定而唯一的，按照時間和薛定諤方程發(fā)展的態(tài)矢量： |電子>＝|穿過左縫>＋|穿過右縫> 按照標(biāo)準(zhǔn)哥本哈根解釋，這意味著單個電子必須同時處在|左>和|右>兩個態(tài)的疊加之中，電子沒有一個確定的位置，它同時又在這里又在那里！按照MWI，這是一種兩個世界的疊加。按照隱變量，所謂的疊加都是胡扯，量子論的這種數(shù)學(xué)形式是靠不住的，假如我們考慮了不可見的隱變量，我們就能確實地知道，電子究竟通過了左邊還是右邊。那么，系綜解釋對此又有何高見呢？ 它所持的是一種外交式的圓滑態(tài)度：量子論的數(shù)學(xué)形式經(jīng)得起時間考驗，是一定要保留的。但“疊加”什么的明顯違背常識，是不對的。反過來，一味地急功冒進，甚至搞出什么不可觀察的隱變量，這也太過火了，更不能當(dāng)真。再怎么說，實驗揭示給我們的結(jié)果是純隨機性質(zhì)的，沒人可以否認(rèn)。 那么，我們應(yīng)該怎么辦呢？ 系綜解釋說：我們應(yīng)當(dāng)知足，相信理論告訴我們的已經(jīng)是這個世界的本質(zhì)：它本就是統(tǒng)計性的！所以，徒勞地去設(shè)計隱變量是沒有用的，因為實驗已經(jīng)告訴我們定域的隱變量理論是沒有的，而且實驗也告訴我們對同樣的系統(tǒng)的觀測不會每次都給出確定的結(jié)果。但是，我們也不能相信所謂的“疊加”是一種實際上的存在，電子不可能又通過左邊又通過右邊！我們的結(jié)論應(yīng)該是：對于電子的態(tài)矢量，它永遠(yuǎn)都只代表系統(tǒng)“全集”的統(tǒng)計值，也就是一種平均情況！ 什么叫只代表“全集”呢？換句話說，當(dāng)我們寫下： |電子>＝1/SQRT（2） [ |穿過左縫>＋|穿過右縫> ] 這樣的式子時（1/SQRT（2）代表根號2分之1，我們假設(shè)兩種可能相等，所以系數(shù)的平方，也就是概率之和等于1），我們所指的并不是“一個電子”的運動情況，而永遠(yuǎn)是無限個電子在相同情況下的一個統(tǒng)計平均！這個式子只描述了當(dāng)無窮多個電子在相同的初狀態(tài)下通過雙縫（或者，一個電子無窮次地在同樣的情況下通過雙縫）時會出現(xiàn)的結(jié)果。根據(jù)量子論，世界并非決定論的，也就是說，哪怕我們讓兩個電子在完全相同的狀態(tài)下通過雙縫，觀測到的結(jié)果也不一定每次都一樣，而是有多種可能。而量子論的數(shù)學(xué)所能告訴我們的，正是所有這些可能的“系綜”，也就是統(tǒng)計預(yù)期！ 如此一來，當(dāng)我們說“電子＝左＋右”的時候，意思就并非指一個單獨的電子同時處于左和右兩個態(tài)，而只是在經(jīng)典概率的概念上指出它有50％的可能通過左，而50％的可能通過右罷了。當(dāng)我們“準(zhǔn)備”這樣一個實驗的時候，量子論便能夠給出它的系綜，在一個統(tǒng)計的意義上告訴我們實驗的結(jié)果。 態(tài)矢量只代表系統(tǒng)的系綜！嗯，聽上去蠻容易理解的，似乎皆大歡喜?？墒沁@樣一來，量子論也就變成一個統(tǒng)計學(xué)的理論了，好吧，當(dāng)許多電子穿過雙縫時，我們知道有50％通過了左邊，50％通過了右邊，可現(xiàn)在我們關(guān)心的是單個電子！單個電子是如何通過雙縫并與自己發(fā)生干涉，最后在熒屏上打出一個組成干涉圖紋的一點的呢？我們想聽聽系綜解釋對此有何高見。 但要命的是，它對此什么都沒說！在它看來，所謂“單個電子通過了哪里”之類的問題，是沒有物理意義的！當(dāng)John Taylor被問道，他是否根本沒有想去描述單個系統(tǒng)中究竟發(fā)生了什么的時候，他甚至說，這是不被允許的。量子物理所給出的只是統(tǒng)計性，that‘s all，沒有別的了。如果這個世界能夠被我們用數(shù)學(xué)方法去理解的話，那就是在一種統(tǒng)計的意義上說的，我們不自量力地想去追尋更多，那只不過是自討苦吃。單個電子的軌跡，那是一個沒有物理定義的概念，正如“時間被創(chuàng)造前1秒”，“比光速更快1倍”，或者“絕對零度低1度”這樣的名詞，雖然沒有語法上的障礙阻止我們提出這樣的問題，但它們在物理上卻是沒什么意思的。和哥本哈根派不同的是，玻爾等人假設(shè)每個電子都實際地按照波函數(shù)發(fā)散開來，而系綜解釋則是簡單地把這個問題踢出了理論框架中去，來個眼不見為凈：現(xiàn)在我們不必為“坍縮”操心了，談?wù)搯蝹€電子是沒有意義的事情！ 不過，這實在是太掩耳盜鈴了。好吧，量子論只給出系綜，可是我們對于物理理論的要求畢竟要比這樣的統(tǒng)計報告要高那么一點啊。假如我去找占卜師算命，想知道我的壽限是多少，她卻只告訴我：這個城市平均壽命是70歲，那對我來說似乎沒有很大的用處啊，我還不如去找保險公司！更可恨的是，她居然對我說，你一個人的壽命是沒什么意義的，有意義的只是千千萬萬個你的壽命的“系綜”！ 系綜解釋是一種非常保守和現(xiàn)實主義的解釋，它保留了現(xiàn)有量子論的全部數(shù)學(xué)形式，因為它們已經(jīng)被實踐所充分證明。但在令人目眩的哲學(xué)領(lǐng)域，它卻試圖靠耍小聰明而逃避那些形而上的探討，用劃定理論適用界限這樣的方法來把自己封閉在一個刀槍不入的外殼中。是的，如果我們采納系綜主義，那么的確在純理論方面說，我們的一切問題都解決了：沒有什么坍縮，電子永遠(yuǎn)只是粒子（波性只能用來描述粒子的“全集”），不確定原理也只是被看成一個統(tǒng)計極限，而不理會單個電子到底能不能同時擁有動量和位置（這個問題“沒有意義”）。但是，這樣似乎有點自欺欺人的味道，把搞不清楚的問題劃為“沒有意義”也許是方便的，但的確是這樣的問題使得科學(xué)變得迷人！每個人都知道，當(dāng)許多電子通過雙縫時產(chǎn)生了干涉圖紋，可我們更感興趣的還是當(dāng)單個電子通過時究竟發(fā)生了什么，而不是簡單地轉(zhuǎn)過頭不去面對！ Taylor在訪談中的確被問道，這樣的做法不是一個當(dāng)“逃兵”的遁詞嗎？他非常精明地回答說：“我認(rèn)為你應(yīng)當(dāng)問一問，如果陷進去是否比逃之夭夭確實會惹出更多的麻煩。”系綜主義者持有的是極致的實用主義，他們炮轟隱變量和多宇宙解釋，因為后兩者都帶來了許多形而上學(xué)的“麻煩”。只要我們充分利用現(xiàn)有的體系，搞出一個又不違反實驗結(jié)果，又能在邏輯上自洽的體系，那不就足夠了嗎？系綜解釋的精神，就是盡可能少地避免“麻煩”，絕不引入讓人頭痛的假設(shè)，比如多宇宙或者坍縮之類的。 但是，我們還是不能滿足于這樣的關(guān)起門來然后自稱所有的問題都已經(jīng)解決的做法。或許，是因為我們血液中的熱情還沒有冷卻，或許，是因為我們?nèi)匀荒晟佥p狂，對于這個宇宙還懷有深深的激動和無盡的好奇。我們并不畏懼進入更為幽深和神秘的峽谷和森林，去探究那事實的真相。哪怕注定要被一些更加惱人和揮之不去的古怪精靈所纏繞，我們還是不可以放棄了前進的希望和動力，因為那是我們最寶貴的財富。 接下來我們還要去看看兩條新的道路，雖然它們都新辟不久，坎坷顛簸，行進艱難，但沿途那奇峰連天，枯松倒掛，瀑布飛湍，冰崖怪石的絕景一定不會令你失望。 五 我們已經(jīng)厭倦了光子究竟通過了哪條狹縫這樣的問題，管它通過了哪條，這和我們又有什么關(guān)系呢？一個小小的光子是如此不起眼，它的世界和我們的世界相去霄壤，根本無法聯(lián)系在一起。在大多數(shù)情況下，我們甚至根本沒法看見單個的光子（有人做過實驗，肉眼看見單個光子是有可能的，但機率極低，而且它的波長必須嚴(yán)格地落在視網(wǎng)膜桿狀細(xì)胞最敏感的那個波段），在這樣的情況下，大眾對于探究單個光子究竟是“幽靈”還是“實在”無疑持有無所謂的態(tài)度，甚至覺得這是一種杞人憂天的探索。 真正引起人們擔(dān)憂的，還是那個當(dāng)初因為薛定諤而落下的后遺癥：從微觀到宏觀的轉(zhuǎn)換。如果光子又是粒子又是波，那么貓為什么不是又死而又活著？如果電子同時又在這里又在那里，那么為什么桌子安穩(wěn)地呆在它原來的地方，沒有擴散到整間屋子中去？如果量子效應(yīng)的基本屬性是疊加，為什么日常世界中不存在這樣的疊加，或者，我們?yōu)槭裁磸奈匆娺^這種情況？ 我們已經(jīng)聽取了足夠多耐心而不厭其煩的解釋：貓的確又死又活，只不過在我們觀測的時候“坍縮”了；有兩只貓，它們在一個宇宙中活著，在另一個宇宙中死去；貓從未又死又活，它的死活由看不見的隱變量決定；單個貓的死活是無意義的事件，我們只能描述無窮只貓組成的“全集”……諸如此類的答案。也許你已經(jīng)對其中的某一種感到滿意，但仍有許多人并不知足：一定還有更好，更可靠的答案。為了得到它，我們?nèi)匀恍枰粩嗟厝プ穼?，去開拓新的道路，哪怕那里本來是荒蕪一片，荊棘叢生。畢竟世上本沒有路，走的人多了才成為路。 現(xiàn)在讓我們跟著一些開拓者小心翼翼地去考察一條新辟的道路，和當(dāng)年揚帆遠(yuǎn)航的哥倫布一樣，他們也是意大利人。這些開拓者的名字刻在路口的紀(jì)念碑上：Ghirardi，Rimini和Weber，下面是落成日期：1986年7月。為了紀(jì)念這些先行者，我們順理成章地把這條道路以他們的首字母命名，稱為GRW大道。 這個思路的最初設(shè)想可以回溯到70年代的Philip Pearle：哥本哈根派的人物無疑是偉大和有洞見的，但他們始終沒能給出“坍縮”這一物理過程的機制，而且對于“觀測者”的主觀依賴也太重了些，最后搞出一個無法收拾的“意識”不說，還有墮落為唯心論的嫌疑。是否能夠略微修改薛定諤方程，使它可以對“坍縮”有一個讓人滿意的解釋呢？ 1986年7月15日，我們提到的那3位科學(xué)家在《物理評論》雜志上發(fā)表了一篇論文，題為《微觀和宏觀系統(tǒng)的統(tǒng)一動力學(xué)》（Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems），從而開創(chuàng)了GRW理論。GRW的主要假定是，任何系統(tǒng)，不管是微觀還是宏觀的，都不可能在嚴(yán)格的意義上孤立，也就是和外界毫不相干。它們總是和環(huán)境發(fā)生著種種交流，為一些隨機（stochastic）的過程所影響，這些隨機的物理過程——不管它們實質(zhì)上到底是什么——會隨機地造成某些微觀系統(tǒng)，比如一個電子的位置，從一個彌漫的疊加狀態(tài)變?yōu)樵诳臻g中比較精確的定域（實際上就是哥本哈根口中的“坍縮”），盡管對于單個粒子來說，這種過程發(fā)生的可能性是如此之低——按照他們原本的估計，平均要等上10^16秒，也就是近10億年才會發(fā)生一次。所以從整體上看，微觀系統(tǒng)基本上處于疊加狀態(tài)是不假的，但這種定域過程的確偶爾發(fā)生，我們把這稱為一個“自發(fā)的定域過程”（spontaneous localization）。GRW有時候也稱為“自發(fā)定域理論”。 關(guān)鍵是，雖然對于單個粒子來說要等上如此漫長的時間才能迎來一次自發(fā)過程，可是對于一個宏觀系統(tǒng)來說可就未必了。拿薛定諤那只可憐的貓來說，一只貓由大約10^27個粒子組成，雖然每個粒子平均要等上幾億年才有一次自發(fā)定域，但對像貓這樣大的系統(tǒng)，每秒必定有成千上萬的粒子經(jīng)歷了這種過程。 Ghirardi等人把薛定諤方程換成了所謂的密度矩陣方程，然后做了復(fù)雜的計算，看看這樣的自發(fā)定域過程會對整個系統(tǒng)造成什么樣的影響。他們發(fā)現(xiàn)，因為整個系統(tǒng)中的粒子實際上都是互相糾纏在一起的，少數(shù)幾個粒子的自發(fā)定域會非常迅速地影響到整個體系，就像推倒了一塊骨牌然后造成了大規(guī)模的多米諾效應(yīng)。最后的結(jié)果是，整個宏觀系統(tǒng)會在極短的時間里完成一次整體上的自發(fā)定域。如果一個粒子平均要花上10億年時間，那么對于一個含有1摩爾粒子的系統(tǒng)來說（數(shù)量級在10^23個），它只要0.1微秒就會發(fā)生定域，使得自己的位置從彌漫開來變成精確地出現(xiàn)在某個地點。這里面既不要“觀測者”，也不牽涉到“意識”，它只是基于隨機過程！ 如果真的是這樣，那么當(dāng)決定薛定諤貓的生死的那一刻來臨時，它的確經(jīng)歷了死/活的疊加！只不過這種疊加只維持了非常短，非常短的時間，然后馬上“自發(fā)地”精確化，變成了日常意義上的，單純的非死即活。因為時間很短，我們沒法感覺到這一疊加過程！這聽上去的確不錯，我們有了一個統(tǒng)一的理論，可以一視同仁地解釋微觀上的量子疊加和宏觀上物體的不可疊加性。 但是，GRW自身也仍然面臨著嚴(yán)重的困難，這條大道并不是那樣順暢的。他們的論文發(fā)表當(dāng)年，海德堡大學(xué)的E.Joos就向《物理評論》遞交了關(guān)于這個理論的評論，而這個評論也在次年發(fā)表，對GRW提出了置疑。自那時起，對GRW的疑問聲一直很大，雖然有的人非常喜歡它，但是從未在物理學(xué)家中變成主流。懷疑的理由有許多是相當(dāng)技術(shù)化的，對于我們史話的讀者，我只想在最膚淺的層次上稍微提一些。 GRW的計算是完全基于隨機過程的，而并不引入類如“觀測使得波函數(shù)坍縮”之類的假設(shè)。他們在這里所假設(shè)的“自發(fā)”過程，雖然其概念和“坍縮”類似，實際上是指一個粒子的位置從一個非常不精確的分布變成一個比較精確的分布，而不是完全確定的位置！換句話說，不管坍縮前還是坍縮后，粒子的位置始終是一種不確定的分布，必須為統(tǒng)計曲線（高斯鐘形曲線）所描述。所謂坍縮，只不過是它從一個非常矮平的曲線變成一個非常尖銳的曲線罷了。在哥本哈根解釋中，只要一觀測，系統(tǒng)的位置就從不確定變成完全確定了，而GRW雖然不需要“觀測者”，但在它的框架里面沒有什么東西是實際上確定的，只有“非常精確”，“比較精確”，“非常不精確”之類的區(qū)別。比如說當(dāng)我盯著你看的時候，你并沒有一個完全確定的位置，雖然組成你的大部分物質(zhì)（粒子）都聚集在你所站的那個地方，但真正描述你的還是一個鐘形線（雖然是非常尖銳的鐘形線）！我只能說，“絕大部分的你”在你所站的那個地方，而組成你的另外的那“一小撮”（雖然是極少極少的一小撮）卻仍然彌漫在空間中，充斥著整個屋子，甚至一直延伸到宇宙的盡頭！ 也就是說，在任何時候，“你”都填滿了整個宇宙，只不過“大部分”的你聚集在某個地方而已。作為一個宏觀物體的好處是，明顯的量子疊加可以在很短的時間內(nèi)完成自發(fā)定域，但這只是意味著大多數(shù)粒子聚集到了某個地方，總有一小部分的粒子仍然留在無窮的空間中。單純地從邏輯上講，這也沒什么不妥，誰知道你是不是真有小到無可覺察的一部分彌漫在空間中呢？但這畢竟違反了常識！如果必定要違反常識，那我們干脆承認(rèn)貓又死又活，似乎也不見得糟糕多少。 GRW還拋棄了能量守恒（當(dāng)然，按照相對論，其實是質(zhì)能守恒）。自發(fā)的坍縮使得這樣的守恒實際上不成立，但破壞是那樣微小，所需等待的時間是那樣漫長，使得人們根本不注意到它。拋棄能量守恒在許多人看來是無法容忍的行為。我們還記得，當(dāng)年玻爾的BKS理論遭到了愛因斯坦和泡利多么嚴(yán)厲的抨擊。 還有，如果自發(fā)坍縮的時間是和組成系統(tǒng)的粒子數(shù)量成反比的，也就是說組成一個系統(tǒng)的粒子越少，其位置精確化所要求的平均時間越長，那么當(dāng)我們描述一些非常小的探測裝置時，這個理論的預(yù)測似乎就不太妙了。比如要探測一個光子的位置，我們不必動用龐大而復(fù)雜的儀器，而可以用非常簡單的感光劑來做到。如果好好安排，我們完全可以只用到數(shù)十億個粒子（主要是銀離子）來完成這個任務(wù)。按照哥本哈根，這無疑也是一次“觀測”，可以立刻使光子的波函數(shù)坍縮而得到一個確定的位置，但如果用GRW的方法來計算，這樣小的一個系統(tǒng)必須等上平均差不多一年才會產(chǎn)生一次“自發(fā)”的定域。 Roland Omnes后來提到，Ghirardi在私人的談話中承認(rèn)了這一困難。但他爭辯說，就算在光子使銀離子感光這一過程中牽涉到的粒子數(shù)目不足以使系統(tǒng)足夠快地完成自發(fā)定域，我們誰都無法意識到這一點！如果作為觀測者的我們不去觀測這個實驗的結(jié)果，誰知道呢，說不定光子真的需要等上一年來得到精確的位置?？墒且坏┪覀?nèi)ビ^察實驗結(jié)果，這就把我們自己的大腦也牽涉進整個系統(tǒng)中來了。關(guān)鍵是，我們的大腦足夠“大”（有沒有意識倒不重要），足夠大的物體便使得光子迅速地得到了一個相對精確的定位！ 推而廣之，因為我們長著一個大腦袋，所以不管我們看什么，都不會出現(xiàn)位置模糊的量子現(xiàn)象。要是我們拿復(fù)雜的儀器去測量，那么當(dāng)然，測量的時候?qū)ο缶婉R上變得精確了。即使儀器非常簡單細(xì)小，測量以后對象仍有可能保持在模糊狀態(tài)，它也會在我們觀測結(jié)果時因為擁有眾多粒子的“大腦”的介入而迅速定域。我們是注定無法直接感覺到任何量子效應(yīng)了，不知道一個足夠小的病毒能否爭取到足夠長的時間來感覺到“光子又在這里又在那里”的奇妙景象（如果它能夠感覺的話！）？ 最后，薛定諤方程是線性的，而GRW用密度矩陣方程將它取而代之以后，實際上把整個理論體系變成了非線性的！這實際上會使它作出一些和標(biāo)準(zhǔn)量子論不同的預(yù)言，而它們可以用實驗來檢驗（只要我們的技術(shù)手段更加精確一些）！可是，標(biāo)準(zhǔn)量子論在實踐中是如此成功，它的輝煌是如此燦爛，以致任何想和它在實踐上比高低的企圖都顯得前途不太美妙。我們已經(jīng)目睹了定域隱變量理論的慘死，不知GRW能否有更好的運氣？另一位量子論專家，因斯布魯克大學(xué)的Zeilinger（提出GHZ檢驗的那個）在2000年為Nature雜志撰寫的慶祝量子論誕生100周年的文章中大膽地預(yù)測，將來的實驗會進一步證實標(biāo)準(zhǔn)量子論的預(yù)言，把非線性的理論排除出去，就像當(dāng)年排除掉定域隱變量理論一樣。 OK，我們將來再來為GRW的終極命運而擔(dān)心，我們現(xiàn)在只是關(guān)心它的生存現(xiàn)狀。GRW保留了類似“坍縮”的概念，試圖在此基礎(chǔ)上解釋微觀到宏觀的轉(zhuǎn)換。從技術(shù)上講它是成功的，避免了“觀測者”的出現(xiàn)，但它沒有解決坍縮理論的基本難題，也就是坍縮本身是什么樣的機制？再加上我們已經(jīng)提到的種種困難，使得它并沒有吸引到大部分的物理學(xué)家來支持它。不過，GRW不太流行的另一個重要原因，恐怕是很快就出現(xiàn)了另一種解釋，可以做到GRW所能做到的一切。雖然同樣稀奇古怪，但它卻不具備GRW的基本缺點。這就是我們馬上就要去觀光的另一條道路：退相干歷史（Decoherent Histories）。這也是我們的漫長旅途中所重點考察的最后一條道路了。 |
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