三百年硝煙散盡,波和粒子以這樣一種奇怪的方式達成了妥協:兩者原來是不可分割的一個整體。就像漫畫中教皇善與惡的兩面,雖然在每個確定的時刻,只有一面能夠體現出來,但它們確實集中在一個人的身上。波和粒子是一對孿生兄弟,它們如此苦苦爭鬥,卻原來是演出了一場物理學中的絕代雙驕故事,這教人拍案驚奇,唏噓不已。
現在我們再回到上一章的最後,重溫一下波和粒子在雙縫前遇到的困境:電子選擇左邊的狹縫,還是右邊的狹縫呢?現在我們知道,假如我們採用任其自然的觀測方式,它波動的一面就占了上風。這個電子於是以某種方式同時穿過了兩道狹縫,自身與自身發生干涉,它的波函數ψ按照嚴格的干涉圖形花樣發展。但是,當它撞上感應屏的一剎那,觀測方式發生了變化!我們現在在試圖探測電子的實際位置了,於是突然間,粒子性接管了一切,這個電子凝聚成一點,按照ψ的概率隨機地出現在螢幕的某個地方。
假使我們在某個狹縫上安裝儀器,試圖測出電子究竟通過了哪一邊,注意,這是另一種完全不同的觀測方式!!!我們試圖探測電子在通過狹縫時的實際位置,可是只有粒子才有實際的位置。這實際上是我們施加的一種暗示,讓電子早早地展現出粒子性。事實上,的確只有一邊的儀器將記錄下它的蹤影,但同時,干涉條紋也被消滅,因為波動性隨著粒子性的喚起而消失了。我們終於明白,電子如何表現,完全取決於我們如何觀測它。種瓜得瓜,種豆得豆,想記錄它的位置?好,那是粒子的屬性,電子善解人意,便表現出粒子性來,同時也就沒有干涉。不作這樣的企圖,電子就表現出波動性來,穿過兩道狹縫並形成熟悉的干涉條紋。
量子派物理學家現在終於逐漸領悟到了事情的真相:我們的結論和我們的觀測行為本身大有聯繫。這就像那匹馬是白的還是紅的,這個結論和我們用什麼樣的方法去觀察它有關係。有些看官可能還不服氣:結論只有一個,親眼看見的才是唯一的真實。色盲是視力缺陷,眼鏡是外部裝備,這些怎麼能夠說是看到「真實」呢?其實沒什麼分別,它們不外乎是兩種不同的觀測方式罷了,我們的論點是,根本不存在所謂「真實」。
好吧,現在我視力良好,也不戴任何裝置,看到馬是白色的。那麼,它當真是白色的嗎?其實我說這話前,已經隱含了一個前提:「用人類正常的肉眼,在普通光線下看來,馬呈現出白色。」再技術化一點,人眼只能感受可見光,波長在400-760納米左右,這些頻段的光混合在一起才形成我們印象中的白色。所以我們論斷的前提就是,在400-760納米的光譜區感受馬,它是白色的。
許多昆蟲,比如蜜蜂,它的複眼所感受的光譜是大大不同的。蜜蜂看不見波長比黃光還長的光,卻對紫外線很敏感。在它看來,這匹馬大概是一種藍紫色,甚至它可能繪聲繪色地向你描繪一種難以想像的「紫外色」。現在你和蜜蜂吵起來了,你堅持這馬是白色的,而蜜蜂一口咬定是藍紫色。你和蜜蜂誰對誰錯呢?其實都對。那麼,馬怎麼可能又是白色又是紫色呢?其實是你們的觀測手段不同罷了。對於蜜蜂來說,它也是「親眼」見到,人並不比蜜蜂擁有更多的正確性,離「真相」更近一點。話說回來,色盲只是對於某些頻段的光有盲點,眼鏡只不過加上一個濾鏡而已,本質上也是一樣的,也沒理由說它們看到的就是「虛假」。
事實上,沒有什麼「客觀真相」。討論馬本質上「到底是什麼顏色」,正如我們已經指出過的,是很無聊的行為。根本不存在一個絕對的所謂「本色」,除非你先定義觀測的方式。
玻爾也好,海森堡也好,現在終於都明白:談論任何物理量都是沒有意義的,除非你首先描述你測量這個物理量的方式。一個電子的動量是什麼?我不知道,一個電子沒有什麼絕對的動量,不過假如你告訴我你打算怎麼去測量,我倒可以告訴你測量結果會是什麼。根據測量方式的不同,這個動量可以從十分精確一直到萬分模糊,這些結果都是可能的,也都是正確的。一個電子的動量,只有當你測量時,才有意義。假如這不好理解,想像有人在紙上畫了兩橫夾一豎,問你這是什麼字。嗯,這是一個「工」字,但也可能是橫過來的「H」,在他沒告訴你怎麼看之前,這個問題是沒有定論的。現在,你被告知:「這個圖案的看法應該是橫過來看。」這下我們明確了:這是一個大寫字母H。只有觀測手段明確之後,答案才有意義。
測量!在經典理論中,這不是一個被考慮的問題。測量一塊石頭的重量,我用天平,用彈簧秤,用磅秤,或者用電子秤來做,理論上是沒有什麼區別的。在經典理論看來,石頭是處在一個絕對的,客觀的外部世界中,而我--觀測者--對這個世界是沒有影響的,至少,這種影響是微小得可以忽略不計的。你測得的資料是多少,石頭的「客觀重量」就是多少。但量子世界就不同了,我們已經看到,我們測量的物件都是如此微小,以致我們的介入對其產生了致命的干預。我們本身的擾動使得我們的測量中充滿了不確定性,從原則上都無法克服。採取不同的手段,往往會得到不同的答案,它們隨著不確定性原理搖搖擺擺,你根本不能說有一個客觀確定的答案在那裡。在量子論中沒有外部世界和我之分,我們和客觀世界天人合一,融和成為一體,我們和觀測物互相影響,使得測量行為成為一種難以把握的手段。在量子世界,一個電子並沒有什麼「客觀動量」,我們能談論的,只有它的「測量動量」,而這又和我們的測量手段密切相關。
各位,我們已經身陷量子論那奇怪的沼澤中了,我只希望大家不要過於頭昏腦脹,因為接下來還有無數更稀奇古怪的東西,錯過了未免可惜。我很抱歉,這幾節我們似乎沉浸於一種玄奧的哲學討論,而且似乎還要繼續討論下去。這是因為量子革命牽涉到我們世界觀的根本變革,以及我們對於宇宙的認識方法。量子論的背後有一些非常形而上的東西,它使得我們的理性戰戰兢兢,汗流浹背。但是,為了理解量子論的偉大力量,我們又無法繞開這些而自欺欺人地盲目前進。如果你從史話的一開始跟著我一起走到了現在,我至少對你的勇氣和毅力表示讚賞,但我也無法給你更多的幫助。假如你感到困惑彷徨,那麼玻爾的名言「如果誰不為量子論而感到困惑,那他就是沒有理解量子論」或許可以給你一些安慰。而且,正如我們以後即將描述的那樣,你也許應該感到非常自豪,因為愛因斯坦和你是一個處境。
但現在,我們必須走得更遠。上面一段文字只是給大家一個小小的喘息機會,我們這就繼續出發了。
如果不定義一個測量動量的方式,那麼我們談論電子動量就是沒有意義的?這聽上去似乎是一種唯心主義的說法。難道我們無法測量電子,它就沒有動量了嗎?讓我們非常驚訝和尷尬的是,玻爾和海森堡兩個人對此大點其頭。一點也不錯,假如一個物理概念是無法測量的,它就是沒有意義的。我們要時時刻刻注意,在量子論中觀測者是和外部宇宙結合在一起的,它們之間現在已經沒有明確的分界線,是一個整體。在經典理論中,我們脫離一個絕對客觀的外部世界而存在,我們也許不瞭解這個世界的某些因素,但這不影響其客觀性。可如今我們自己也已經融入這個世界了,對於這個物我合一的世界來說,任何東西都應該是可以測量和感知的。只有可觀測的量才是存在的!
卡爾‧薩根(Karl Sagan)曾經舉過一個很有意思的例子,雖然不是直接關於量子論的,但頗能說明問題。
「我的車庫裡有一條噴火的龍!」他這樣聲稱。
「太稀罕了!」他的朋友連忙跑到車庫中,但沒有看見龍。「龍在哪裡?」
「哦,」薩根說,「我忘了說明,這是一條隱身的龍。」
朋友有些狐疑,不過他建議,可以撒一些粉末在地上,看看龍的爪印是不是會出現。但是薩根又聲稱,這龍是飄在空中的。
「那既然這條龍在噴火,我們用紅外線檢測儀做一個熱掃描?」
「也不行。」薩根說,「隱形的火也沒有溫度。」
「要麼對這條龍噴漆讓它現形?」--「這條龍是非物質的,滑不溜手,油漆無處可粘。」
反正沒有一種物理方法可以檢測到這條龍的存在。薩根最後問:「這樣一條看不見摸不著,沒有實體的,飄在空中噴著沒有熱度的火的龍,一條任何儀器都無法探測的龍,和『根本沒有龍』之間又有什麼差別呢?」
現在,玻爾和海森堡也以這種苛刻的懷疑主義態度去對待物理量。不確定性原理說,不可能同時測准電子的動量p和位置q,任何精密的儀器也不行。許多人或許會認為,好吧,就算這是理論上的限制,和我們實驗的笨拙無關,我們仍然可以安慰自己,說一個電子實際上是同時具有準確的位置和動量的,只不過我們出於某種限制無法得知罷了。
但哥本哈根派開始嚴厲地打擊這種觀點:一個具有準確p和q的經典電子?這恐怕是自欺欺人吧。有任何儀器可以探測到這樣的一個電子嗎?--沒有,理論上也不可能有。那麼,同樣道理,一個在臆想的世界中生存的,完全探測不到的電子,和根本沒有這樣一個電子之間又有什麼區別呢?
事實上,同時具有p和q的電子是不存在的!p和q也像波和微粒一樣,在不確定原理和互補原理的統治下以一種此長彼消的方式生存。對於一些測量手段來說,電子呈現出一個準確的p,對於另一些測量手段來說,電子呈現出準確的q。我們能夠測量到的電子才是唯一的實在,這後面不存在一個「客觀」的,或者「實際上」的電子!
換言之,不存在一個客觀的,絕對的世界。唯一存在的,就是我們能夠觀測到的世界。物理學的全部意義,不在於它能夠揭示出自然「是什麼」,而在於它能夠明確,關於自然我們能「說什麼」。沒有一個脫離於觀測而存在的絕對自然,只有我們和那些複雜的測量關係,熙熙攘攘縱橫交錯,構成了這個令人心醉的宇宙的全部。測量是新物理學的核心,測量行為創造了整個世界。
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飯後閒話:奧卡姆剃刀
同時具有p和q的電子是不存在的。有人或許感到不理解,探測不到的就不是實在嗎?
我們來問自己,「這個世界究竟是什麼」和「我們在最大程度上能夠探測到這個世界是什麼」兩個命題,其實質到底有多大的不同?我們探測能力所達的那個世界,是不是就是全部實在的世界?比如說,我們不管怎樣,每次只能探測到電子是個粒子或者是個波,那麼,是不是有一個「實在」的世界,在那裡電子以波-粒子的奇妙方式共存,我們每次探測,只不過探測到了這個終極實在於我們感觀中的一部分投影?同樣,在這個「實在世界」中還有同時具備p和q的電子,只不過我們與它緣慳一面,每次測量都只有半面之交,沒法窺得它的真面目?
假設宇宙在創生初期膨脹得足夠快,以致它的某些區域對我們來說是如此遙遠,甚至從創生的一剎那以光速出發,至今也無法與它建立起任何溝通。宇宙年齡大概有150億歲,任何信號傳播最遠的距離也不過150億光年,那麼,在距離我們150億光年之外,有沒有另一些「實在」的宇宙,雖然它們不可能和我們的宇宙之間有任何因果聯繫?
在那個實在世界裡,是不是有我們看不見的噴火的龍,是不是有一匹具有「實在」顏色的馬,而我們每次觀察只不過是這種「實在顏色」的膚淺表現而已。我跟你爭論說,地球「其實」是方的,只不過它在我們觀察的時候,表現出圓形而已。但是在那個「實在」世界裡,它是方的,而這個實在世界我們是觀察不到的,但不表明它不存在。
如果我們運用「奧卡姆剃刀原理」(Occam′s Razor),這些觀測不到的「實在世界」全都是子虛烏有的,至少是無意義的。這個原理是14世紀的一個修道士威廉所創立的,奧卡姆是他出生的地方。這位奧卡姆的威廉還有一句名言,那是他對巴伐利亞的路易四世說的:「你用劍來保衛我,我用筆來保衛你。」
剃刀原理是說,當兩種說法都能解釋相同的事實時,應該相信假設少的那個。比如,地球「本來」是方的,但觀測時顯現出圓形。這和地球「本來就是圓的」說明的是同一件事。但前者引入了一個莫名其妙的不必要的假設,所以前者是胡說。同樣,「電子本來有準確的p和q,但是觀測時只有1個能顯示」,這和「只存在具有p或者具有q的電子」說明的也是同一回事,但前者多了一個假設,我們應當相信後者。「存在但觀測不到」,這和「不存在」根本就是一碼事。
同樣道理,沒有粒子-波混合的電子,沒有看不見的噴火的龍,沒有「絕對顏色」的馬,沒有150億光年外的宇宙(150億光年這個距離稱作「視界」),沒有隔著1釐米四維尺度觀察我們的四維人,沒有絕對的外部世界。史蒂芬‧霍金在”時間簡史”中說:「我們仍然可以想像,對於一些超自然的生物,存在一組完全地決定事件的定律,它們能夠觀測宇宙現在的狀態而不必干擾它。然而,我們人類對於這樣的宇宙模型並沒有太大的興趣。看來,最好是採用奧卡姆剃刀原理,將理論中不能被觀測到的所有特徵都割除掉。」
你也許對這種實證主義感到反感,反駁說:「一片無人觀察的荒漠,難道就不存在嗎?」以後我們會從另一個角度來討論這片無人觀察的荒漠,這裡只想指出,「無人的荒漠」並不是原則上不可觀察的。
上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)
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