量子物理史话-第29部分

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让我们舒服！　　　
阿斯派克特实验结果出来之后，BBC的广播制作人朱里安·布朗（Julian　Brown）和纽卡斯尔大学的物理学教授保罗·戴维斯（Paul　Davies，他如今在澳大利亚的Macquarie大学，他同时也是当代最负盛名的科普作家之一）决定调查一下科学界对这个重要的实验究竟会做出什么样的反应。他们邀请8位在量子论领域最有名望的专家作了访谈，征求对方对于量子力学和阿斯派克特实验的看法。这些访谈记录最后被汇集起来，编成一本书，于1986年由剑桥出版社出版，书名叫做《原子中的幽灵》（The　Ghost　in　the　Atom）。　　　
阅读这些访谈记录真是给人一种异常奇妙的体验和感受。你会看到最杰出的专家们是如何各持己见，在同一个问题上抱有极为不同，甚至截然对立的看法。阿斯派克特本人肯定地说，他的实验从根本上排除了定域实在的可能，他不太欣赏超光速的说法，而是对现有的量子力学表示了同情。贝尔虽然承认实验结果并没有出乎意料，但他仍然决不接受掷骰子的上帝。他依然坚定地相信，量子论是一种权益之计，他想象量子论终究会在有一天被更为复杂的实验证明是错误的。贝尔愿意以抛弃定域性为代价来换取客观实在，他甚至设想复活〃以太〃的概念来达到这一点。惠勒的观点有点暧昧，他承认一度支持埃弗莱特的多宇宙解释，但接着又说因为它所带来的形而上学的累赘，他已经改变了观点。惠勒讨论了玻尔的图像，意识参予的可能性以及他自己的延迟实验和参予性宇宙，他仍然对于精神在其中的作用表现得饶有兴趣。　　　
鲁道夫·佩尔斯（Rudolf　Peierls）的态度简明爽快：〃我首先反对使用'哥本哈根解释'这个词。〃他说，〃因为，这听上去像是说量子力学有好几种可能的解释一样。其实只存在一种解释：只有一种你能够理解量子力学的方法（也就是哥本哈根的观点！）。〃这位曾经在海森堡和泡利手下学习过的物理学家仍然流连于革命时代那波澜壮阔的观念，把波函数的坍缩认为是一种唯一合理的物理解释。大卫·德义奇也毫不含糊地向人们推销多宇宙的观点，他针对奥卡姆剃刀对于〃无法沟通的宇宙的存在〃提出的诘问时说，MWI是最为简单的解释。相对于种种比如〃意识〃这样稀奇古怪的概念来说，多宇宙的假设实际上是最廉价的！他甚至描述了一种〃超脑〃实验，认为可以让一个人实际地感受到多宇宙的存在！接下来是玻姆，他坦然地准备接受放弃物理中的定域性，而继续维持实在性。〃对于爱因斯坦来说，确实有许多事情按照他所预料的方式发生。〃玻姆说，〃但是，他不可能在每一件事情上都是正确的！〃在玻姆看来，狭义相对论也许可以看成是一种普遍情况的一种近似，正如牛顿力学是相对论在低速情况下的一种近似那样。作为玻姆的合作者之一，巴西尔·海利（Basil　Hiley）也强调了隐函数理论的作用。而约翰·惠勒（John　Taylor）则描述了另一种完全不同的解释，也就是所谓的〃系综〃解释（the　ensemble　interpretation）。系综解释持有的是一种非常特别的统计式的观点，也就是说，物理量只对于平均状况才有意义，对于单个电子来说，是没有意义的，它无法定义！我们无法回答单个系统，比如一个电子通过了哪条缝这样的问题，而只能给出一个平均统计！我们在史话的后面再来详细地介绍系综解释。　　　
在这样一种大杂烩式的争论中，阿斯派克特实验似乎给我们的未来蒙上了一层更加扑朔迷离的影子。爱因斯坦有一次说：〃虽然上帝神秘莫测，但他却没有恶意。〃但这样一位慈祥的上帝似乎已经离我们远去了，留给我们一个难以理解的奇怪世界，以及无穷无尽的争吵。我们在隐函数这条道路上的探索也快接近尽头了，关于玻姆的理论，也许仍然有许多人对它表示足够的同情，比如John　Gribbin在他的名作《寻找薛定谔的猫》（In　Search　of　Schrodinger's　Cat）中还把自己描述成一个多宇宙的支持者，而在10年后的《薛定谔的猫以及对现实的寻求》（Schrodinger's　Kittens　and　the　Search　for　Reality）一书中，他对MWI的热情已经减退，而对玻姆理论表示出了谨慎的乐观。我们不清楚，也许玻姆理论是对的，但我们并没有足够可靠的证据来说服我们自己相信这一点。除了玻姆的隐函数理论之外，还有另一种隐函数理论，它由Edward　Nelson所发明，大致来说，它认为粒子按照某种特定的规则在空间中实际地弥漫开去（有点像薛定谔的观点），类似波一般地确定地发展。我们不打算过多地深入探讨这些观点，我们所不满的是，这些和爱因斯坦的理想相去甚远！为了保有实在性而放弃掉定域性，也许是一件饮鸩止渴的事情。我们不敢说光速绝对地不可超越，只是要推翻相对论，现在似乎还不大是时候，毕竟相对论也是一个经得起考验的伟大理论。　　　
我们沿着这条路走来，但是它当初许诺给我们的那个美好蓝图，那个爱因斯坦式的理想却在实验的打击下终于破产。也许我们至少还保有实在性，但这不足以吸引我们中的许多人，让他们付出更多的努力和代价而继续前进。阿斯派克特实验严酷地将我们的憧憬粉碎，它并没有证明量子论是对的（它只是支持了量子论的预言，正如我们讨论过的那样，没什么理论可以被〃证明〃是对的），但它无疑证明了爱因斯坦的世界观是错的！事实上，无论量子论是错是对，我们都已经不可能追回传说中的那个定域实在的理想国，而这，也使我们丧失了沿着该方向继续前进的很大一部分动力。就让那些孜孜不倦的探索者继续前进，而我们还是退回到原来的地方，再继续苦苦追寻，看看有没有柳暗花明的一天。　　　
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饭后闲话：超光速　　　
EPR背后是不是真的隐藏着超光速我们仍然不能确定，至少它表面上看起来似乎是一种类似的效应。不过，我们并不能利用它实际地传送信息，这和爱因斯坦的狭义相对论并非矛盾。　　　
假如有人想利用这种量子纠缠效应，试图以超光速从地球传送某个消息去到半人马座α星（南门二，它的一颗伴星是离我们地球最近的恒星，也即比邻星），他是注定要失败的。假设某个未来时代，某个野心家驾驶一艘宇宙飞船来到两地连线的中点上，然后使一个粒子分裂，两个子粒子分别飞向两个目标。他事先约定，假如半人马星上观测到粒子是〃左旋〃，则表示地球上政变成功，反之，如是〃右旋〃则表示失败。这样的通讯建立在量子论的这个预测上：也就是地球上观测到的粒子的状态会〃瞬间〃影响到遥远的半人马星上另一个粒子的状态。但事到临头他却犯难了：假设他成功了，他如何确保他在地球上一定观测到一个〃右旋〃粒子，以保证半人马那边收到〃左旋〃的信息呢？他没法做到这点，因为观测结果是不确定的，他没法控制！他最多说，当他做出一个随机的观测，发现地球上的粒子是〃右旋〃的时候，那时他可以有把握地，100％地预言遥远的半人马那里一定收到〃左〃的信号，虽然理论上说两地相隔非常遥远，讯息还来不及传递过来。如果他想利用贝尔不等式，他也必须知道，在那一边采用了什么观测手段，而这必须通过通常的方法来获取。这一切都并不违反相对论，你无法利用这种〃超光速〃制造出信息在逻辑上的自我矛盾来（例如回到过去杀死你自己之类的）。　　　
在这种原理上的量子传输（teleportation）事实上已经实现。我国的潘建伟教授在此领域多有建树。　　　
2000年，王力军，Kuzmich等人在Nature上报道了另一种〃超光速〃（Nature　V406），它牵涉到在特定介质中使得光脉冲的群速度超过真空中的光速，这本身也并不违反相对论，也就是说，它并不违反严格的因果律，结果无法〃回到过去〃去影响原因。同样，它也无法携带实际的信息。　　　
其实我们的史话一早已经讨论过，德布罗意那〃相波〃的速度c^2/v就比光速要快，但只要不携带能量和信息，它就不违背相对论。相对论并非有些人所想象的那样已被推翻，相反，它仍然是我们所能依赖的最可靠的基石之一。　
四
这已经是我们第三次在精疲力竭之下无功而返了。隐变量所给出的承诺固然美好，可是最终的兑现却是大打折扣的，这未免教人丧气。虽然还有玻姆在那里热切地召唤，但为了得到一个决定性的理论，我们付出的代价是不是太大了点？这仍然是很值得琢磨的事情，同时也使得我们不敢轻易地投下赌注，义无反顾地沿着这样的方向走下去。　　
如果量子论注定了不能是决定论的，那么我们除了推导出类似〃坍缩〃之类的概念以外，还可以做些什么假设呢？　　　
有一种功利而实用主义的看法，是把量子论看作一种纯统计的理论，它无法对单个系统作出任何预测，它所推导出的一切结果，都是一个统计上的概念！也就是说，在量子论看来，我们的世界中不存在什么〃单个〃（individual）的事件，每一个预测，都只能是平均式的，针对〃整个集合〃（ensemble）的，这也就是〃系综解释〃（the　ensemble　interpretation）一词的来源。　　　
大多数系综论者都喜欢把这个概念的源头上推到爱因斯坦，比如John　Taylor，或者加拿大McGill大学的B。　C。　Sanctuary。爱因斯坦曾经说过：〃任何试图把量子论的描述看作是对于'单个系统'的完备描述的做法都会使它成为极不自然的理论解释。但只要接受这样的理解方式，也即（量子论的）描述只能针对系统的'全集'，而非单个个体，上述的困难就马上不存在了。〃这个论述成为了系综解释的思想源泉（见于Max　Jamer《量子力学的哲学》一书）。　　　
嗯，怎么又是爱因斯坦？我们还记忆犹新的是，隐变量不是也把他拉出来作为感召和口号吗？或许爱因斯坦的声望太隆，任何解释都希望从他那里取得权威性，不过无论如何，从这一点来说，系综和隐变量实际上是有着相同的文化背景的。但是它们之间不同的是，隐变量在作出〃量子论只不过是统计解释〃这样的论断后，仍然怀着满腔热情去寻找隐藏在它背后那个更为终极的理论，试图把我们所看不见的隐变量找出来以最终实现物理世界所梦想的最高目标：理解和预测自然。它那锐意进取的精神固然是可敬的，但正如我们已经看到的那样，在现实中遭到了严重的困难和阻挠，不得不为此放弃许多东西。　　　
相比隐变量那勇敢的冲锋，系综解释选择固本培元，以退为进的战略。在它看来，量子论是一个足够伟大的理论，它已经界定了这个世界可理解的范畴。的确，量子论给我们留下了一些盲点，一些我们所不能把握的东西，比如我们没法准确地同时得到一个电子的位置和动量，这叫一些持完美主义的人们觉得坐立不宁，寝食难安。但系综主义者说：〃不要徒劳地去探索那未知的领域了，因为实际上不存在这样的领域！我们的世界本质上就是统计性质的，没有一个物理理论可以描述'单个'的事件，事实上，在我们的宇宙中，只有'系综'，或者说'事件的全集'才是有物理意义的。〃　　　
这是什么意思呢？我们还是用大家都熟悉的老例子，双缝前的电子来说明问题。当电子通过双缝后，假设我们没有刻意地去观察它，那么按照量子论，它应该有一个确定而唯一的，按照时间和薛定谔方程发展的态矢量：　　　
｜电子》＝｜穿过左缝》＋｜穿过右缝》　　　
按照标准哥本哈根解释，这意味着单个电子必须同时处在｜左》和｜右》两个态的叠加之中，电子没有一个确定的位置，它同时又在这里又在那里！按照MWI，这是一种两个世界的叠加。按照隐变量，所谓的叠加都是胡扯，量子论的这种数学形式是靠不住的，假如我们考虑了不可见的隐变量，我们就能确实地知道，电子究竟通过了左边还是右边。那么，系综解释对此又有何高见呢？　　　
它所持的是一种外交式的圆滑态度：量子论的数学形式经得起时间考验，是一定要保留的。但〃叠加〃什么的明显违背常识，是不对的。反过来，一味地急功冒进，甚至搞出什么不可观察的隐变量，这也太过火了，更不能当真。再怎么说，实验揭示给我们的结果是纯随机性质的，没人可以否认。　　　
那么，我们应该怎么办呢？　　　
系综解释说：我们应当知足，相信理论告诉我们的已经是这个世界的本质：它本就是统计性的！所以，徒劳地去设计隐变量是没有用的，因为实验已经告诉我们定域的隐变量理论是没有的，而且实验也告诉我们对同样的系统的观测不会每次都给出确定的结果。但是，我们也不能相信所谓的〃叠加〃是一种实际上的存在，电子不可能又通过左边又通过右边！我们的结论应该是：对于电子的态矢量，它永远都只代表系统〃全集〃的统计值，也就是一种平均情况！　　　
什么叫只代表〃全集〃呢？换句话说，当我们写下：　　　
｜电子》＝1/SQRT（2）　＇　｜穿过左缝》＋｜穿过右缝》　＇　　　
这样的式子时（1/SQRT（2）代表根号2分之1，我们假设两种可能相等，所以系数的平方，也就是概率之和等于1），我们所指的并不是〃一个电子〃的运动情况，而永远是无限个电子在相同情况下的一个统计平均！这个式子只描述了当无穷多个电子在相同的初状态下通过双缝（或者，一个电子无穷次地在同样的情况下通过双缝）时会出现的结果。根据量子论，世界并非决定论的，也就是说，哪怕我们让两个电子在完全相同的状态下通过双缝，观测到的结果也不一定每次都一样，而是有多种可能。而量子论的数学所能告诉我们的，正是所有这些可能的〃系综〃，也就是统计预期！　　　
如此一来，当我们说〃电子＝左＋右〃的时候，意思就并非指一个单独的电子同时处于左和右两个态，而只是在经典概率的概念上指出它有50％的可能通过左，而50％的可能通过右罢了。当我们〃准备〃这样一个实验的时候，量子论便能够给出它的系综，在一个统计的意义上告诉我们实验的结果。　　　
态矢量只代表系统的系综！嗯，听上去蛮容易理解的，似乎皆大欢喜。可是这样一来，量子论也就变成一个统计学的理论了，好吧，当许多电子穿过双缝时，我们知道有50％通过了左边，50％通过了右边，可现在我们关心的是单个电子！单个电子是如何通过双缝并与自己发生干涉，最后在荧屏上打出一个组成干涉图纹的一点的呢？我们想听听系综解释对此有何高见。　　　
但要命的是，它对此什么都没说！在它看来，所谓〃单个电子通过了哪里〃之类的问题，是没有物理意义的！当John　Taylor被问道，他是否根本没有想去描述单个系统中究竟发生了什么的时候，他甚至说，这是不被允许的。量子物理所给出的只是统计性，that's　all，没有别的了。如果这个世界能够被我们用数学方法去理解的话，那就是在一种统计的意义上说的，我们不自量力地想去追寻更多，那只不过是自讨苦吃。单个电子的轨迹，那是一个没有物理定义的概念，正如〃时间被创造前1秒〃，〃比光速更快1倍〃，或者〃绝对零度低度〃这样的名词，虽然没有语法上的障碍阻止我们提出这样的问题，但它们在物理上却是没什么意思的。和哥本哈根派不同的是，玻尔等人假设每个电子都实际地按照波函数发散开来，而系综解释则是简单地把这个问题踢出了理论框架中去，来个眼不见为净：现在我们不必为〃坍缩〃操心了，谈论单个电子是没有意义的事情！　　　
不过，这实在是太掩耳盗铃了。好吧，量子论只给出系综，可是我们对于物理理论的要求毕竟要比这样的统计报告要高那么一点啊。假如我去找占卜师算命，想知道我的寿限是多少，她却只告诉我：这个城市平均寿命是70岁，那对我来说似乎没有很大的用处啊，我还不如去找保险公司！更可恨的是，她居然对我说，你一个人的寿命是没什么意义的，有意义的只是千千万万个你的寿命的〃系综〃！　　　
系综解释是一种非常保守和现实主义的解释，它保留了现有量子论的全部数学形式，因为它们已经被实践所充分证明。但在令人目眩的哲学领域，它却试图靠耍小聪明而逃避那些形而上的探讨，用划定理论适用界限这样的方法来把自己封闭在一个刀枪不入的外壳中。是的，如果我们采纳系综主义，那么的确在纯理论方面说，我们的一切问题都解决了：没有什么坍缩，电子永远只是粒子（波性只能用来描述粒子的〃全集〃），不确定原理也只是被看成一个统计极限，而不理会单个电子到底能不能同时拥有动量和位置（这个问题〃没有意义〃）。但是，这样似乎有点自欺欺人的味道，把搞不清楚的问题划为〃没有意义〃也许是方便的，但的确是这样的问题使得科学变得迷人！每个人都知道，当许多电子通过双缝时产生了干涉图纹，可我们更感兴趣的还是当单个电子通过时究竟发生了什么，而不是简单地转过头不去面对！　　　
Taylor在访谈中的确被问道，这样的做法不是一个当〃逃兵〃的遁词吗？他非常精明地回答说：〃我认为你应当问一问，如果陷进去是否比逃之夭夭确实会惹出更多的麻烦。〃系综主义者持有的是极致的实用主义，他们炮轰隐变量和多宇宙解释，因为后两者都带来了许多形而上学的〃麻烦〃。只要我们充分利用现有的体系，搞出一个又不违反实验结果，又能在逻辑上自洽的体系，那不就足够了吗？系综解释的精神，就是尽可能少地避免〃麻烦〃，绝不引入让人头痛的假设，比如多宇宙或者坍缩之类的。　　　
但是，我们还是不能满足于这样的关起门来然后自称所有的问题都已经解决的做法。或许，是因为我们血液中的热情还没有冷却，或许，是因为我们仍然年少轻狂，对于这个宇宙还怀有深深的激动和无尽的好奇。我们并不畏惧进入更为幽深和神秘的峡谷和森林，去探究那事实的真相。哪怕注定要被一些更加恼人和挥之不去的古怪精灵所缠绕，我们还是不可以放弃了前进的希望和动力，因为那是我们最宝贵的财富。　　　
接下来我们还要去看看两条新的道路，虽然它们都新辟不久，坎坷颠簸，行进艰难，但沿途那奇峰连天，枯松倒挂，瀑布飞湍，冰崖怪石的绝景一定不会令你失望。
五
我们已经厌倦了光子究竟通过了哪条狭缝这样的问题，管它通过了哪条，这和我们又有什么关系呢？一个小小的光子是如此不起眼，它的世界和我们的世界相去霄壤，根本无法联系在一起。在大多数情况下，我们甚至根本没法看见单个的光子（有人做过实验，肉眼看见单个光子是有可能的，但机率极低，而且它的波长必须严格地落在视网膜杆状细胞最敏感的那个波段），在这样的情况下，大众对于探究单个光子究竟是〃幽灵〃还是〃实在〃无疑持有无所谓的态度，甚至觉得这是一种杞人忧天的探索。　　
真正引起人们担忧的，还是那个当初因为薛定谔而落下的后遗症：从微观到宏观的转换。如果光子又是粒子又是波，那么猫为什么不是又死而又活着？如果电子同时又在这里又在那里，那么为什么桌子安稳地呆在它原来的地方，没有扩散到整间屋子中去？如果量子效应的基本属性是叠加，为什么日常世界中不存在这样的叠加，或者，我们为什么从未见过这种情况？　　　
我们已经听取了足够多耐心而不厌其烦的解释：猫的确又死又活，只不过在我们观测的时候〃坍缩〃了；有两只猫，它们在一个宇宙中活着，在另一个宇宙中死去；猫从未又死又活，它的死活由看不见的隐变量决定；单个猫的死活是无意义的事件，我们只能描述无穷只猫组成的〃全集〃……诸如此类的答案。也许你已经对其中的某一种感到满意，但仍有许多人并不知足：一定还有更好，更可靠的答案。为了得到它，我们仍然需要不断地去追寻，去开拓新的道路，哪怕那里本来是荒芜一片，荆棘丛生。毕竟世上本没有路，走的人多了才成为路。　　　
现在让我们跟着一些开拓者小心翼翼地去考察一条新辟的道路，和当年扬帆远航的哥伦布一样，他们也是意大利人。这些开拓者的名字刻在路口的纪念碑上：Ghirardi，Rimini和Weber，下面是落成日期：1986年7月。为了纪念这些先行者，我们顺理成章地把这条道路以他们的首字母命名，称为GRW大道。　　　
这个思路的最初设想可以回溯到70年代的Philip　Pearle：哥本哈根派的人物无疑是伟大和有洞见的，但他们始终没能给出〃坍缩〃这一物理过程的机制，而且对于〃观测者〃的主观依赖也太重了些，最后搞出一个无法收拾的〃意识〃不说，还有堕落为唯心论的嫌疑。是否能够略微修改薛定谔方程，使它可以对〃坍缩〃有一个让人满意的解释呢？　　　
1986年7月15日，我们提到的那3位科学家在《物理评论》杂志上发表了一篇论文，题为《微观和宏观系统的统一动力学》（Unified　dynamics