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【编者按】

如果说16至17世纪的第一次科学革命时期是群星璀璨的物理学黄金时代,从19世纪中后期到20世纪就是量子物理学的巨人们带给世界全新冲击的新时代。1927年10月,第五次索尔维会议在布鲁塞尔召开,讨论有关新量子力学的问题。受邀参会的29人中,最终有17人获得了诺贝尔奖。阿尔伯特·爱因斯坦、尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、马克斯·普朗克、马克斯·玻恩、沃纳·海森堡、玛丽·居里……《量子传》是一本历述量子物理学发展的科学史话,作者试图阐释为什么玻尔说“任何不为量子理论撼动的人都还没有理解它”,为什么爱因斯坦在提到量子时会激动地说这对于他来说是恶魔,他甚至承认自己“对量子理论的思考百倍于对相对论的思考”。本文摘自该书《量子恶魔》一章。

“我思考量子问题的时间百倍于思考广义相对论的时间。”爱因斯坦曾经承认。玻尔在尝试理解量子力学对原子世界的阐述时放弃了客观现实的存在。在爱因斯坦看来,这一点就确定无疑地表明了,这个理论至多只是反映了部分事实。玻尔坚持认为,在实验(测量行为)结果之外,不存在任何量子实在。“这个观点在逻辑上的确可能,不存在矛盾,”爱因斯坦妥协说,“但这严重违背了我的科学直觉,所以我不会放弃对更完备概念的追寻。” 他仍旧“相信可能得到一种能够表征事件本身,而不只是事件发生概率的现实模型”。然而,爱因斯坦到最后都没能驳倒玻尔的哥本哈根诠释。“谈起相对论,他超然物外;谈起量子理论,他充满热情,”在普林斯顿结识爱因斯坦的亚伯拉罕·佩斯回忆说,“量子就是他的恶魔。”

“我认为,称没有人理解量子力学,应该是一种稳妥的说法。”

爱因斯坦去世10年后的1965年,诺贝尔奖得主、美国著名物理学家理查德·费曼如是说。随着哥本哈根诠释作为正统量子理论的地位越发牢固,一如罗马颁布的教令,大多数物理学家都赞成费曼的观点。“如果可以避免,就不要一直问自己‘怎么会是这样?’”费曼警告说,“没人知道为什么会是这样。”爱因斯坦从不觉得事实会是这样,但如果他看到了贝尔定理以及否定了定域性现实的那些实验,又会怎么想?

爱因斯坦物理学的核心是他这个坚定不移的信念:现实独立于观测存在,现实“就在那儿”。“月亮是否只有在你看它的时候才存在?”为了突出抛弃客观现实的荒谬,他这样问亚伯拉罕·佩斯。爱因斯坦设想的现实符合定域性,而且受到因果律的限制,而发现这种因果律正是物理学家的职责所在。“如果抛弃这个假设:宇宙各处的事物都是独立、真实的存在,”爱因斯坦在1948年对马克斯·玻恩说,“那么,我完全看不到物理学要描述的到底是什么。”爱因斯坦信奉现实主义、因果律和定域性。如果一定要他牺牲其中一个,那么他会怎么抉择呢?

“上帝不会掷骰子。”爱因斯坦经常这么说,而且这句话确实令人印象深刻。和今天的所有广告文案撰稿人一样,爱因斯坦知道一句令人难忘的广告语有多么重要。不过,这只是他谴责哥本哈根诠释的时髦之语,并不是他科学观的基石。即便是像玻恩这样与他相识近半个世纪的人都未必总是清楚这一点,最终是泡利向玻恩解释了爱因斯坦反驳量子力学的真正核心所在。

1954年,泡利在普林斯顿待了两个月,爱因斯坦给了他一份玻恩撰写的涉及决定论的论文草稿。泡利读完后,写信告诉前任老板玻尔,“爱因斯坦并不认为‘决定论’的概念像大家通常认为的那样基本。”这也是多年以来,爱因斯坦向他“强调过许多次”的东西。“爱因斯坦的出发点是‘现实性’,而非‘决定性’,”泡利解释说,“这意味着,他的哲学观念与众不同。”泡利笔下的“现实性”是说,爱因斯坦假设像电子这样的粒子,在接受测量之前本来就有相关属性。泡利指责玻恩“先是自己树立了并不真实的爱因斯坦形象,然后又大张旗鼓地把他打倒了”。令人意外的是,与爱因斯坦交好这么久的玻恩,竟然从来没有全面地认识到,真正让爱因斯坦烦恼的并不是掷不掷骰子,而是哥本哈根诠释“放弃了现实独立于观测存在的立场”。

可能令玻恩产生误解的一个原因是,爱因斯坦第一次说出上帝“不会掷骰子”这句话是在1926年12月,当时他想向玻恩表达的是,自己对量子力学中概率性和偶然性的地位以及这个理论否定了因果律和决定论感到不安。不过,泡利认识到,爱因斯坦之所以如此强烈地反对量子力学,远不只是因为这个理论以概率性语言呈现。“在我看来,尤为重要的是,把决定论概念引入同爱因斯坦的争论之中,绝对是一个错误的方向。”泡利警告玻恩说。

1950年,爱因斯坦在论及量子力学时写道:“问题的核心与因果性的关系并不大,真正关键的是现实主义问题。”多年以来, 他一直期望“在不放弃现实主义图景的前提下,解决量子之谜”。在这位发现了相对论的物理学家看来,现实必须符合定域性,没有任何留给超光速物理作用的空间。贝尔不等式不成立意味着,如果爱因斯坦想要量子世界独立于观测者存在,他就必须放弃定域性。

贝尔定理并不能确定量子力学是否完备,它只能让我们在量子力学与所有定域性隐变量理论之间做出合理取舍。如果量子力学正确(爱因斯坦认为这个理论的确正确,毕竟它通过了那个时代所有的实验检验),那么贝尔定理意味着任何能够复制量子力学成果的隐变量理论都必须是非定域性的。如果玻尔活到了看到阿兰·阿斯佩实验结果的那一天,那么他必然会和其他人一样认为这个结果支持哥本哈根诠释。爱因斯坦也很有可能会接受贝尔不等式检验结果的有效性,不会尝试通过这些实验仍未填补的某一漏洞拯救定域性现实。不过,爱因斯坦可能会接受另一条出路,哪怕有些人认为这条路违背了相对论内核,那就是无信号定理。

已经确定,不可能利用非定域性和量子纠缠瞬时将有用信息从某个地点传递到另一个地点,因为对纠缠粒子对中任一成员的任何测量都会产生完全随机的结果。在这样一种测量操作之后,实验人员能掌握的,只是同行在远处测量另一个粒子所得结果的概率。现实或许是非定域性的——允许物理作用以超光速在相距甚远的两个纠缠粒子之间传播,但这种非定域性是温和的,“幽灵般的超距作用”或许存在,但“幽灵般的超距信息传递”绝不可能。

阿斯佩等检验贝尔不等式的团队排除了定域性与客观现实两者之一,但并未否定非定域性现实。2006年,成员来自奥地利维也纳大学和波兰格但斯克大学的一个研究小组率先检验了非定域性和现实主义。这个实验的灵感来自英国物理学家安东尼·莱格特爵士的工作。1973年,当时还未受封的莱格特产生了一个修改贝尔定理的想法,具体方式是假设纠缠粒子对之间有瞬时作用传递。

2003年,也就是莱格特凭借液氦量子特性方面的工作获得诺贝尔物理学奖的那一年,他发表了一个将非定域性隐变量理论同量子力学对立起来的新不等式。

这个奥地利–波兰研究小组的领导者是马库斯·阿斯佩尔梅耶和安东·蔡林格。他们测量了此前未经检测的纠缠光子对相关性,并且发现结果正如量子力学预测的那样,违背了莱格特不等式。

2007年4月,这一研究结果发表在《自然》期刊上后,阿兰·阿斯佩指出:“一个人总结出的(哲学)结论,与其说是逻辑问题,不如说是品味问题。”莱格特不等式不成立,只是意味着现实主义与某种特定的非定域性不相容,它并没有排除所有可能的非定域模型。

爱因斯坦从未提出过隐变量理论,不过,他似乎在1935年EPR论文的结尾含蓄地提倡了隐变量方法:“虽然我们由此证明了波函数并未完备描述物理实在,但我们对这样一种完备描述的存在持开放态度。无论如何,我们认为这样一种理论可能存在。”后来,1949年许多同行为纪念爱因斯坦的70岁生日而撰写了论文,作为对他们的回复,爱因斯坦写道:“实际上,我无比肯定,当代量子理论的统计学本质只能归因于该理论对物理系统的非完备描述。”

《量子传》,曼吉特·库马尔 (Manjit Kumar)著,王乔琦译,中信出版集团·鹦鹉螺2022年3月。

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