阿斯派克特在1982年的實驗(準確地說,一系列實驗)是20世紀物理史上影響最為深遠的實驗之一,它的意義甚至可以和1886年的邁克爾遜-莫雷實驗相提並論。但是,相比邁克爾遜的那個讓所有的人都瞠目結舌的實驗來說,阿斯派克特所得到的結果卻在「意料之中」。大多數人們一早便預計到,量子論的勝利是不在話下的。

 

量子論自1927年創立以來,到那時為止已經經歷了50多年的風風雨雨,它在每一個領域都顯示出了如此強大的力量,沒有任何實驗結果能夠對它提出哪怕一點點的質疑。最偉大的物理學家(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,它不但遠超相對論和麥克斯韋電磁理論,甚至超越了牛頓的經典力學!量子論是從風雨飄搖的亂世成長起來的,久經革命考驗的戰士,它的氣質在風刀霜劍的嚴相逼拷之下被磨礪得更加堅韌而不可戰勝。

 

的確,沒有多少人會想像,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受的又一個考驗(雖然是最嚴格的考驗),給它那身已經品嘗過無數勝利的戎裝上又添上一枚榮耀的勳章罷了。現在我們知道,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!這一消息並沒有給人們的情感上帶來巨大的衝擊,引起一種轟動效應。

 

但是,它的確把物理學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於奉行一種鴕鳥政策,能閉口不談的就儘量不去討論。量子論只要管用就可以了嘛,幹嗎非要刨根問底地去追究它背後的哲學意義到底是什麼樣的呢?雖然有愛因斯坦之類的人在為它擔憂,但大部分科學家還是覺得無所謂的。不過現在,阿斯派克特終於逼著人們要攤牌了: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資料面前,我們再也回不去那個溫暖舒適的安樂窩中,而必須面對風雨交加的嚴酷現實。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。對於貝爾來說,他所發現的不等式卻最終背叛了他的理想,不僅沒有把世界拉回經典圖像中來,更反過來把它推向了絕路。阿斯派克特實驗之後,我們必須說服自己相信這樣一件事情:

 

定域的隱變數理論是不存在的!

 

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,可以為隱變數所確定地描述)。定域實在性(local realism)從我們的宇宙中被實驗排除了出去,現在我們必須作出艱難的選擇:要麼放棄定域性,要麼放棄實在性。

 

如果我們放棄實在性,那就回到量子論的老路上來,承認在我們觀測之前,兩個粒子不存在於「客觀實在」之內。它們不具有通常意義上的物理屬性(如自旋),只有當觀測了以後,這種屬性才變得有意義。在EPR實驗中,不到最後關頭,我們的兩個處於糾纏態粒子都必須被看成一個不可分割的整體,那時在現實中只有「一個粒子」(當然是疊加著的),而沒有「兩個粒子」。所謂兩個粒子,只有當觀測後才成為實實在在的東西(波函數坍縮了)。當然,在做出了這樣一個令人痛心的讓步後,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,也即採納多宇宙解釋!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,Found.of Physics Letters 13,2000,p22),但大家都同意,MWI肯定不是一個定域實在的理論,而且超光速的信號傳遞在其內部也是不存在的。關鍵在於,根據MWI,每次我們進行觀測都在「現實」中產生了不止一個結果(事實上,是所有可能的結果)!這和愛因斯坦所默認的那個傳統的「現實」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格獨立的大廈。它的每一面牆壁,每一塊地板,每一道樓梯...都和在其內部進行的種種活動密切相關,不管這種活動是不是包含了有智慧(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,以致於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。

 

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。當然,這樣一來就必須放棄定域性。我們仍然有可能建立一個隱變數理論,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暫態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後仍然存活著,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,我們也許並不會覺得日子好過多少!超光速的信號?老大,那意味著什麼?想一想愛因斯坦對此會怎麼說吧,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,想像那些科幻小說中著名的場景:你回到過去殺死了尚處在繈褓中的你,那會產生什麼樣的邏輯後果呢?雖然玻姆也許可以用高超的數學手段向我們展示,儘管存在著這種所謂超光速的非定域關聯,他的隱函數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」量子現象,所以在現實的實驗中,我們將在統計的意義上得到和相對論的預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製造邏輯怪圈。不過無論如何,對於這種敏感問題,我們應當非常小心才是。放棄定域性,並不比放棄實在性來得讓我們舒服!

 

阿斯派克特實驗結果出來之後,BBC的廣播製作人朱里安‧布朗(Julian Brown)和紐卡斯爾大學的物理學教授保羅‧大衛斯(Paul Davies,他如今在澳大利亞的Macquarie大學,他同時也是當代最負盛名的科普作家之一)決定調查一下科學界對這個重要的實驗究竟會做出什麼樣的反應。他們邀請8位在量子論領域最有名望的專家作了訪談,徵求對方對於量子力學和阿斯派克特實驗的看法。這些訪談記錄最後被彙集起來,編成一本書,於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。你會看到最傑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實在的可能,他不太欣賞超光速的說法,而是對現有的量子力學表示了同情。貝爾雖然承認實驗結果並沒有出乎意料,但他仍然決不接受擲骰子的上帝。他依然堅定地相信,量子論是一種權益之計,他想像量子論終究會在有一天被更為複雜的實驗證明是錯誤的。貝爾願意以拋棄定域性為代價來換取客觀實在,他甚至設想復活「乙太」的概念來達到這一點。惠勒的觀點有點曖昧,他承認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的累贅,他已經改變了觀點。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,他仍然對於精神在其中的作用表現得饒有興趣。

 

魯道夫‧佩爾斯(Rudolf Peierls)的態度簡明爽快:「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的方法(也就是哥本哈根的觀點!)。」這位曾經在海森堡和泡利手下學習過的物理學家仍然流連於革命時代那波瀾壯闊的觀念,把波函數的坍縮認為是一種唯一合理的物理解釋。大衛‧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於「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。相對於種種比如「意識」這樣稀奇古怪的概念來說,多宇宙的假設實際上是最廉價的!他甚至描述了一種「超腦」實驗,認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,他坦然地準備接受放棄物理中的定域性,而繼續維持實在性。「對於愛因斯坦來說,確實有許多事情按照他所預料的方式發生。」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)也強調了隱函數理論的作用。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計式的觀點,也就是說,物理量只對於平均狀況才有意義,對於單個電子來說,是沒有意義的,它無法定義!我們無法回答單個系統,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計!我們在史話的後面再來詳細地介紹系綜解釋。

 

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離我們遠去了,留給我們一個難以理解的奇怪世界,以及無窮無盡的爭吵。我們在隱函數這條道路上的探索也快接近盡頭了,關於玻姆的理論,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年後的”薛定諤的貓以及對現實的尋求”(Schrodinger』s Kittens and the Search for Reality)一書中,他對MWI的熱情已經減退,而對玻姆理論表示出了謹慎的樂觀。我們不清楚,也許玻姆理論是對的,但我們並沒有足夠可靠的證據來說服我們自己相信這一點。除了玻姆的隱函數理論之外,還有另一種隱函數理論,它由Edward Nelson所發明,大致來說,它認為粒子按照某種特定的規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!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,現在似乎還不大是時候,畢竟相對論也是一個經得起考驗的偉大理論。

 

我們沿著這條路走來,但是它當初許諾給我們的那個美好藍圖,那個愛因斯坦式的理想卻在實驗的打擊下終於破產。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前進。阿斯派克特實驗嚴酷地將我們的憧憬粉碎,它並沒有證明量子論是對的(它只是支持了量子論的預言,正如我們討論過的那樣,沒什麼理論可以被「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,我們都已經不可能追回傳說中的那個定域實在的理想國,而這,也使我們喪失了沿著該方向繼續前進的很大一部分動力。就讓那些孜孜不倦的探索者繼續前進,而我們還是退回到原來的地方,再繼續苦苦追尋,看看有沒有柳暗花明的一天。

 

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飯後閒話:超光速

 

EPR背後是不是真的隱藏著超光速我們仍然不能確定,至少它表面上看起來似乎是一種類似的效應。不過,我們並不能利用它實際地傳送資訊,這和愛因斯坦的狹義相對論並非矛盾。

 

假如有人想利用這種量子糾纏效應,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),他是註定要失敗的。假設某個未來時代,某個野心家駕駛一艘太空船來到兩地連線的中點上,然後使一個粒子分裂,兩個子粒子分別飛向兩個目標。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測上:也就是地球上觀測到的粒子的狀態會「瞬間」影響到遙遠的半人馬星上另一個粒子的狀態。但事到臨頭他卻犯難了:假設他成功了,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」的資訊呢?他沒法做到這點,因為觀測結果是不確定的,他沒法控制!他最多說,當他做出一個隨機的觀測,發現地球上的粒子是「右旋」的時候,那時他可以有把握地,100%地預言遙遠的半人馬那裡一定收到「左」的信號,雖然理論上說兩地相隔非常遙遠,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,在那一邊採用了什麼觀測手段,而這必須通過通常的方法來獲取。這一切都並不違反相對論,你無法利用這種「超光速」製造出資訊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)事實上已經實現。我國的潘建偉教授在此領域多有建樹。

 

2000年,王力軍,Kuzmich等人在Nature上報導了另一種「超光速」(Nature V406),它牽涉到在特定介質中使得光脈衝的群速度超過真空中的光速,這本身也並不違反相對論,也就是說,它並不違反嚴格的因果律,結果無法「回到過去」去影響原因。同樣,它也無法攜帶實際的資訊。

 

其實我們的史話一早已經討論過,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資訊,它就不違背相對論。相對論並非有些人所想像的那樣已被推翻,相反,它仍然是我們所能依賴的最可靠的基石之一。

 

 

上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)

 

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