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这个议程本身简直就是量子论的一部微缩史

2019-04-12 22:43:17 物理177℃
编辑:卢本伟

  意大利北部的科莫市(Como)是一个美丽的小城,北临风景胜地科莫湖,与米兰相去不远。它市中心那几座著名的洋溢着哥特式风格以及文艺复兴时代的气息,折射出这个古城自罗马时代以来那悠远的历史和丰富的文化沉淀。自中世纪以来,这里曾走出过许许多多伟大的建筑师,统称为“科莫地方大师”(Maestri Comacini),而新时代的天才特拉尼(Giuseppe Terragni)也即将在这个地方留下他那些名垂青史的建筑作品。除了艺术家之外,在科莫的地方志中我们还可以轻易地找到许多家、哲学家和历史学家的名字,甚至还包括一位(英诺森十一世),可谓是人杰地灵了。

  不过,科莫市最著名的人物,当然还是1745年出生于此的大科学家,亚里山德罗·伏打(Alessandro Volta)。他在电学方面的成就如此伟大,以致人们用他的名字来作为电压的单位:伏特(volt)。伏打于1827年9月去世,被他的家乡视为永远的光荣和骄傲。他出世的地方被命名为伏打广场,他的雕像自1839年起耸立于此。他的名字被用来命名和科莫湖畔的灯塔,在每个夜晚这个城镇,全世界都感受到他的万丈。

  斗转星移,眨眼间已是1927年,科学巨人已离开我们整整100周年。一向安静宁谧的科莫忽然又热闹起来,新时代的科学大师们又聚集于此,在纪念先人的同时探讨物理学的最新进展。科莫会议邀请了当时几乎所有的最杰出的物理学家,洵为盛会。赴会者包括玻尔、海森堡、普朗克、泡利、波恩、洛伦兹、德布罗意、费米、克莱默、劳厄(Max von Laue)、康普顿、维格纳、索末菲、德拜、冯诺依曼(当然严格说来此人是数学家)……遗憾的是,爱因斯坦和薛定谔都别有要务,未能出席。这两位哥本哈根派主要敌手的缺席使得论战的火花向后推迟了几个月。

  同样没能赶到科莫的还有狄拉克和玻色。其中玻色的case(情况)颇为离奇:大会本来是邀请了他的,但是邀请信发给了“加尔各答大学物理系的玻色教授”。显然这封信是寄给著名的S.N.玻色,也就是创立了玻色-爱因斯坦统计的那个玻色。不过在1927年,玻色早就离开了加尔各答去了达卡大学,但无巧不成书,加尔各答还有一个D.M.玻色。那时通信还不像现在这样发达,欧洲和印度之间交流极为不便,因此阴差阳错,这个名不见经传的“玻色”就糊里糊涂,莫名其妙地参加了众星云集的科莫会议,也算是饭后的一大谈资吧。

  在准备科莫会议讲稿的过程中,互补原理的思想进一步在玻尔脑中成型。他决定在这个会议上把这一大胆的思想披露出来。在准备讲稿的同时,他还给Nature写短文以介绍这个发现,事情太多而时间仓促,最后搞得他手忙脚乱。在出发前的一刹那,他竟然找不到他的护照——这耽误了几个小时的火车。

  但是,不管怎么样,玻尔最后还是完成那长达8页的讲稿,并在大会上成功地作了发言。这个名为《量子公设和原子论的最近发展》,在其中玻尔第一次描述了波-粒的二象性,用互补原理详尽地阐明我们对待原子尺度世界的态度。他强调了观测的重要性,声称完全和绝对的测量是不存在的。当然互补原理本身在这个时候还没有完全定型,一直要到后来的索尔维会议它才算最终完成,不过这一思想现在已经引起了人们的注意。

  波恩赞扬了玻尔“中肯”的观点,同时又强调了量子论的不确定性。他特别举了波函数“坍缩”的例子,来说明这一点。这种“坍缩”显然引起了冯诺依曼的兴趣,他以后会证明关于它的一些有趣的性质。海森堡、费米和克喇默斯等人也都作了评论。

  当然我们也要指出的是,许多不属于“哥本哈根派”的人物,对玻尔等人的想法和工作一点都不熟悉,这种互补原理对他们来说令人不解。许多人都以为这不过是一种文字游戏,是对大家都了解的情况“换一种说法”罢了。正如罗森菲尔德(Léon Rosenfeld)后来在节目中评论的:“这个互补原理只是对各人所清楚的情况的一种说明……科莫会议并没有明确论据,关于概念的定义要到后来才作出。”维格纳(Eugene Wigner)总结道:“……(大家都觉得,玻尔的)没能改变任何人关于量子论的理解方式。”

  但科莫会议的历史作用仍然不容低估,互补原理第一次公开亮相,标志着哥本哈根解释迈出了关键的一步。不久出版了玻尔的讲稿,内容已经有所改进,距离这个解释的最终成熟只差最后一步了。在玻尔的魔力号召下,量子的终极幽灵应运而生,徘徊在科莫湖畔的卡尔杜齐学院(玻尔的地方)上空,不断地吟唱着诗人笔下那激越的诗句:

  然而,在哥本哈根派聚集力量的同时,他们的反对派也开始为最后的决战做好准备。对于爱因斯坦来说,一个没有严格律的物理世界是不可想象的。物理规律应该一切,物理学应该简单明确:A导致了B,B导致了C,C导致了D。环环相扣,每一个事件都有来龙去脉,原因结果,而不依赖于什么“随机性”。至于抛弃客观实在,更是不可思议的事情。这些思想从他当年对待玻尔的电子跃迁的看法中,已经初露端倪。1924年他在写给波恩的信中坚称:“我决不愿意放弃严格的性,并将对其进行强有力的。我觉得完全不能这样的想法,即认为电子受到辐射的照射,不仅它的跃迁时刻,而且它的跃迁方向,都由它自己的‘意志’来选择。”

  旧量子论已经让爱因斯坦无法认同,那么更加“疯狂”的新量子论就更使他忍无可忍了。虽然爱因斯坦本人曾经提出了光量子假设,在量子论的发展历程中作出过不可磨灭的贡献,但现在他却完全转向了这个新生理论的。爱因斯坦,量子论的基础大有毛病,从中必能挑出点刺来,人们回到一个严格的,富有性的理论中来。玻尔后来回忆说:“爱因斯坦最善于不抛弃连续性和性来标示表面上矛盾着的经验,他比别人更不愿意放弃这些概念。”

  面对量子精灵的进逼,爱因斯坦也在他的魔杖。他已在心中暗暗立下誓言,定要恢复旧世界的光荣秩序,让黄金时代的古典法律再一次获得应有的。

  两大巨头虽未能在科莫会议上碰面,然而低头不见抬头见,命运已经在中安排了这样的相遇不可避免。仅仅一个多月后,另一个历史性的时刻到来了,第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开。这一次,各冤家对头终于聚首一堂,就量子论的问题作一个大决战。从黄金年代走来的老人,在浪潮中成长起来的反叛青年,经典体系的庄护掷骰子吗?者,新时代的冒险家,这次终于都要作一个最终了断。世纪大辩论的序幕即将拉开,像一场熊熊的大火燃烧不已,而量子论也将在这大火中接受最严苛的洗礼,煅烧出更加璀璨的来。

  青山依旧,几度夕阳,同样的布鲁塞尔,一转眼竟已是16个春秋。1911年的第一届索尔维会议,也就是那个传说中的“巫师会议”似乎已经在人们的脑海中慢慢消逝。16年间发生了太多的事情,世界大战的爆发这科学界的巅峰不得不暂时中断,虽然从1921年起又重新恢复,但来自的科学家们却都因为战争的原因而连续两次被排除在外。失去了这个星球上最好的几个头脑,第三第四届会议便未免显得有些索然无味,而这也就更加凸显了1927年第五届索尔维会议的历史地位。后来的发展证明,它毫无疑问是有史以来最著名的一次索尔维会议。

  这次会议弥补了科莫的遗憾,爱因斯坦、薛定谔等人都如约而至。物理学的大师们聚首一堂,在会场合影,流传下了那张令多少后人欷歔不已的“物理学全明星梦之队”的世纪照片。当然无完美,硬要挑点缺陷,那就是索末菲和约尔当不在其中,不过我们要求不能太高了,人生不如意者还是十有的。会议从10月24日到29日,为期6天。主题是“电子和光子”(我们还记得,“光子-photon”是个新名词,它刚刚在1926年由美国人刘易斯所提出),其议程如下:首先劳伦斯·布拉格作关于X射线的实验报告,然后康普顿报告康普顿实验以及其和经典电磁理论的不一致。接下来,德布罗意作量子新力学的,主要是关于粒子的德布罗意波。随后波恩和海森堡介绍量子力学的矩阵理论,而薛定谔介绍波动力学。最后,玻尔在科莫的基础上再次做那个关于量子公设和原子新理论的报告,进一步总结互补原理,给量子论打下整个哲学基础。这个议程本身简直就是量子论的一部微缩史,从中可以明显地分成三派:只关心实验结果的实验派:布拉格和康普顿;哥本哈根派:玻尔、波恩和海森堡;还有哥本哈根派的死敌:德布罗意,薛定谔,以及坐在的爱因斯坦。

  会议的气氛从一开始便是火热的。像拳王争霸赛一样,重头戏到来之前先有一系列的垫赛:大家先就康普顿的实验做了探讨,然后各人随即分成了泾渭分明的阵营,互相炮轰。德布罗意一马当先做了发言,他试图把粒子融合到波的图像里去,提出了一种“导波”(pilotwave)的理论,认为粒子是波动方程的一个奇点,它必须受波的控制和引导。泡利站起来狠狠地这个理论,他首先不能历史车轮倒转,回到一种传统图像中,然后他引了一系列实验结果来反驳德布罗意。众所周知,泡利是世界第一狙击手,谁要是被他盯上了多半是没有好的,德布罗意最后不得不公开声明放弃他的观点。幸好薛定谔大举来援,不过他还是一个非常传统的解释,这连盟军德布罗意也觉得不大满意,泡利早就嘲笑薛定谔为“幼稚”。波恩和海森堡躲在哥本哈根掩体后面对其开火,他们在报告最后说:“我们主张,量子力学是一种完备的理论,它的基本物理和数学假设是不能进一步修改的。”他们也集中火力猛烈了薛定谔的“电子云”,后者认为电子的确在空间中实际地如波般扩散开去。海森堡评论说:“我从薛定谔的计算中看不到任何东西可以证明事实如同他所希望的那样。”薛定谔承认他的计算确实还不太令人满意,不过他依然,谈论电子的轨道是“胡扯”(应该是波本征态的叠加)。波恩回敬道:“不,一点都不是胡扯。”在一片硝烟中,会议的组织者,老资格的洛伦兹也发表了一些保守的观点……

  爱因斯坦一开始按兵不动,保持着的沉默,不过当波恩提到他的名字后,他终于忍不住出击了。他提出了一个模型:一个电子通过一个小孔得到衍射图像。爱因斯坦指出,目前存在着两种观点,第一是说这里没有“一个电子”,只有“一团电子云”,它是一个空间中的实在,为德布罗意-薛定谔波所描述。第二是说的确有一个电子,而ψ是它的“几率分布”,电子本身不扩散到空中,而是它的几率波。爱因斯坦承认,观点Ⅱ是比观点I更加完备的,因为它整个包含了观点I。尽管如此,爱因斯坦仍然说,他不得不反对观点Ⅱ,因为这种随机性表明,同一个过程会产生许多不同的结果,而且这样一来,屏上的许多区域就要同时对电子的观测作出反应,这似乎暗示了一种超距作用,从而。爱因斯坦话音刚落,在会场的另一边,玻尔也开始摇头。

  风云变幻,龙虎交济,现在两大阵营的幕后主将终于都走到台前,开始进行一场决定命运的单挑。可惜的是,玻尔等人的原始讨论记录没有资料保存下来,对当时情景的重建主要依靠几位当事人的回忆。这其中有玻尔本人1949年为庆祝爱因斯坦70岁生日而应邀撰写的《就原子物理学中的认识论问题与爱因斯坦进行的商榷》长文,有海森堡、德布罗意和埃仑费斯特的回忆和信件等。当时那一场激战,直打得天昏地暗,讨论的问题中有我们已经描述过的那个电子在双缝前的困境,以及许许多多别的思维实验。埃仑费斯特在写给他那些留守在莱登的们(乌仑贝特和古兹密特等)的信中描述说:爱因斯坦像一个弹簧玩偶,每天早上都带着新的主意从盒子里弹出来,而玻尔则从云雾缭绕的哲学中找到工具,把对方所有的论据都一一碾碎。

  “讨论很快就变成了一场爱因斯坦和玻尔之间的决斗:当时的原子理论在多大程度上可以看成是讨论了几十年的那些难题的最终答案呢?我们一般在旅馆用早餐时就见面了,于是爱因斯坦就描绘一个思维实验,他认为从中可以清楚地看出哥本哈根解释的内部矛盾。然后爱因斯坦,玻尔和我便一起走去会场,我就可以现场聆听这两个哲学态度迥异的人的讨论,我自己也常常在数学表达结构方面插几句话。在会议中间,尤其是会间休息的时候,我们这些年轻人——大多数是我和泡利——就试着分析爱因斯坦的实验,而在吃午饭的时候讨论又在玻尔和别的来自哥本哈根的人之间进行。一般来说玻尔在傍晚的时候就对这些理想实验完全心中有数了,他会在晚餐时把它们分析给爱因斯坦听。爱因斯坦对这些分析提不出反驳,但在心里他是不服气的。”

  爱因斯坦当然是不服气的,他如此虔诚地律,以致决不能相信哥本哈根那种愤世嫉俗的概率解释。玻尔后来回忆说,爱因斯坦有一次嘲弄般地问他,难道亲爱的真的掷骰子不成(obder liebe Gott würfelt)?

  不掷骰子!这已经不是爱因斯坦第一次说这线年写给波恩的信里,他就说:“量子力学令人印象深刻,但是一种内在的声音告诉我它并不是真实的。这个理论产生了许多好的结果,可它并没有使我们更接近‘老’的奥秘。我毫无保留地相信,‘老’是不掷骰子的。”

  然而,1927年这场华山论剑,爱因斯坦终究输了一招。并非剑术不精,实乃内力不足。面对浩浩荡荡的历史潮流,他顽强地逆流而上,结果被冲刷得站立不稳,苦苦支撑。1927年,量子的大爆发已经进入第三年,到了一个收官的阶段。当年种下的种子如今开花结果,的已经席卷整个物理界,毫无保留地指明了未来的方向。越来越多的人终究领了哥本哈根解释的核心奥义,并皈依,都投在量子门下。爱因斯坦非但没能玻尔,反而常常被反驳得说不出话来,而且他这个“”态度引得许多人扼腕叹息。遥想当年,1905,爱因斯坦横空出世,一年之内六次出手,每一役都打得天摇地动,惊世骇俗,独自创下了一番轰轰烈烈的事业。当时少年意气,睥睨群雄,扬鞭策马,笑傲江湖,这一幅传奇画面在多少目中留下了的神往!可是,当年那个最反叛,最,最不拘礼法,最权威的爱因斯坦,如今竟然站在新生量子论的!波恩哀叹说:“我们失去了我们的。”

  埃仑费斯特气得对爱因斯坦说:“爱因斯坦,我为你感到脸红!你把自己放到了和那些徒劳地想的人一样的上了。”

  爱因斯坦这一仗输得狼狈。玻尔看上去沉默驽钝,可是重剑无锋,大巧不工,在他一生中几乎没有输过哪一场认真的辩论。哥本哈根派和它对量子论的解释大获全胜,海森堡在写给家里的信中说:“我对结果感到非常满意,玻尔和我的观点被广泛接受了,至少没人提得出严格的反驳,即使爱因斯坦和薛定谔也不行。”多年后他又总结道:“刚开始(持有这种观点的)主要是玻尔,泡利和我,大概也只有我们三个,不过它很快就扩散开去了。”

  但是爱因斯坦不是那种容易被打败的人,他逆风而立,一头乱发掩不住眼中的。他身后还站着两位,一个是德布罗意,一个是薛定谔。三人吴带凌风,衣袂飘飘,在量子时代到来的曙光中,大有长铗寒瑟,易水萧萧,誓与经典理论共存亡的悲壮气概。

  时光荏苒,一弹指又是三年,各方俊杰又重聚布鲁塞尔,会面于第六届索尔维会议。三年前那一战已成往事,这第二次华山论剑,又不知谁胜谁负?

  花开花落,黄叶飘零,又是深秋季节,第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开了。玻尔来到会场时心中惴惴,看爱因斯坦表情似笑非笑,吃不准他三年间练成了什么新招,不知到了一个什么境界。不过玻尔倒也不是太过担心,量子论的兴起已经是板上钉钉的事实,现在整个体系早就站稳脚跟,枝繁叶茂地生长起来。爱因斯坦再厉害,凭一人之力也难以撼动它的根基。玻尔当年的们,海森堡,泡利等,如今也都是独当一面的大师了,哥本哈根派名震整个物理界,玻尔自信吃不了大亏。

  爱因斯坦则在盘算另一件事:量子论方兴未艾,当其之强,要打败它的确太难了。可是难道律和经典理论就这么完了不成?不可能,量子论一定是错的!嗯,想来想去,要破量子论,只有釜底抽薪,击溃它的基础才行。爱因斯坦凭着和玻尔交手的经验知道,在细节问题上是争不出个什么所以然的,量子论就像中那个九头怪蛇海德拉(Hydra),你砍掉它一个头马上会再生一个出来,必须得瞄准最关键的那一个头才行。这个头就是其精髓所在——不确定性原理!

  想象一个箱子,有一个小孔,并有一道可以控制其开闭的快门,箱子里面有若干个光子。好,假设快门可以控制得足够好,它每次打开的时间是如此之短,以至于每次只允许一个光子从箱子里飞到外面。因为时间极短,△t是足够小的。那么现在箱子里少了一个光子,它轻了那么一点点,这可以用一个理想的弹簧秤测量出来。假如轻了△m吧,那么就是说飞出去的光子重m,根据的质能方程E=mc2,可以精确地算出箱子内部减少的能量△E。

  那么,△E和△t都很确定,海森堡的公式△E×△t>h也就不成立。所以整个量子论是错误的!

  这可以说是爱因斯坦凝聚了毕生功夫的一击,其中还包含了他的成名绝技。这一招如白虹贯日,直中要害,沉稳老辣,干净漂亮。玻尔对此毫无思想准备,他大吃一惊,一时想不出任何反击的办法。据目击者说,他变得脸如死灰,呆若木鸡,张口结舌地说不出话来。一整个晚上他都闷闷不乐,搜肠刮肚,苦思冥想。

  “(玻尔)极力游说每一个人,试图使他们相信爱因斯坦说的不可能是真的,不然那就是物理学的了,但是他想不出任何反驳来。我永远不会忘记两个对手离开会场时的情景:爱因斯坦的身影高大庄严,带着一丝的笑容,静悄悄地走了出去。玻尔跟在后面一小跑,他激动不已,词不达意地辩解说要是爱因斯坦的装置真的管用,物理学就完蛋了。”

  这一招当真如此淳厚完美,无懈可击?玻尔在这关键时刻力挽沧海,方显英雄本色。他经过一夜苦思,终于想出了破解此招的方法,一个更加妙到巅毫的巧招。

  玻尔指出:好,一个光子跑了,箱子轻了△m。我们怎么测量这个△m呢?用一个弹簧秤,设置一个零点,然后看箱子位移了多少。假设位移为△q吧,这样箱子就在引力场中移动了△q的距离,但根据广义的红移效应,这样的话时间的快慢也要随之改变相应的△T。可以根据公式计算出:△T>h/△mc2。再代以质能公式△E=△mc2,则得到最终的结果,这结果是如此眼熟:△T△E>hh,正是海森堡测不准关系!

  我们可以不理会数学推导,关键是爱因斯坦忽略了广义的红移效应!引力场可以使原子频率变低,也就是红移,等效于时间变慢。当我们测量一个很准确的△m时,我们在很大程度上改变了箱子里的时钟,造成了一个很大的不确定的△T。也就是说,在爱因斯坦的装置里,假如我们准确地测量△m,或者△E时,我们就根本没法控制光子逃出的时间T!

  广义本是爱因斯坦的独门绝技,玻尔这一招“以彼之道,还施彼身”不但封挡住了爱因斯坦那雷霆万钧的一击,更把这诸般招数都回加到了他自己身上。两人的这次论战招数精奇,才华横溢,教人击节叹服,大开眼界。觉得两大纵世奇才出全力相拼,实在不虚此行。

  现在轮到爱因斯坦自己说不出话来了。难道量子论当真所归,严格的性当真已经迟迟老去,不再属于这个叛逆的新时代?玻尔是最的派,他的思想闳廓深远,穷幽极渺,却又如大江奔流,浩浩荡荡,翻腾不息。物理学的未来只有靠量子,这个古怪却又强大的精灵去开拓。新世界不再有性,不再有实在性,可能让人觉得不太安全,但它却是那样胸怀,气势磅礴,到处都有珍贵的宝藏和激动的秘密等待着人们去发掘。狄拉克后来有一次说,自海森堡取得突破以来,理论物理进入了前所未有的黄金年代,任何一个二流的学生都可能在其中作出一流的发现。是的,人们应当毫不地走进这样一个生机勃勃的,充满了艰险、挑战和无上光荣的新时代中来,把过时的性做成一个纪念物,装饰在泛黄的老照片上去回味旧日的似水年华。

  !前进!玻尔在大会上又开始显得抖擞,豪气万丈。爱因斯坦的这个光箱实验非但没能击倒量子论,反而成了它最好的证明,给它的又添上了浓重的一笔。现在没什么好怀疑的了,绝对的性是不存在的,哥本哈根解释如野火一般在人们的思想中蔓延开来。玻尔是这场的旗手,他陈词,就像当年在议会前的罗伯斯庇尔,要是可能的话,他大概真想来上这么一句:性必须死,因为物理学需要生!

  停止争论吧,真的掷骰子!随机性是世界的基石,当电子出现在这里时,它是一个随机的过程,并不需要有谁给它加上难以的条条框框。全世界的粒子和波现在都得到了解放,从牛顿和麦克斯韦写好的剧本中挣扎出来,大口地呼吸空气。它们和观测者玩捉迷藏,在他们背后融化成概率波弥散开去,神秘地互相渗透和。当观测者回过头去寻找它们,它们又快乐地现出原形,呈现出一个面貌等候在那里。这种游戏不至于过火,因为还有波动方程和不确定性原理在起着规则的作用。而统计规律则把微观上的抹平成为宏观上的井井有条。

  爱因斯坦失望地看着这个场面,发展到如此地步实在让他始料不及。失去了严格的性,一片混乱……恐怕约翰·弥尔顿描绘的那个“殿”(Pandemonium)就是这个样子吧?爱因斯坦对玻尔已经两战两败,他现在知道量子论的根基比想象的要牢固得多。看起来,量子论不太可能是错误的,或者自相矛盾的。

  但爱因斯坦也决不会相信它代表了。好吧,量子论内部是没有矛盾的,但它并不是一幅“完整”的图像。我们看到的量子论,可能只是管中窥豹,虽然看到了真实的一部分,但仍然有更多的“真实”未能发现。一定有一些其他的因素,它们虽然不为我们所见,但无疑对电子的行为有着影响,从而严格地决定了它们的行为。量子论不能说是错吧,至少是“不完备”的,它不可能代表了深层次的规律,而只是一种肤浅的表现而已!

  不管怎么说,关系不能抛弃!爱因斯坦的到此时几乎变成一种了,他已决定终生为经典理论而战。这不知算是科学的悲剧还是收获,一方面,那个大无畏的领人,那个无限的开拓者永远地从历史上消失了。亚伯拉罕·派斯(Abraham Pais)在《爱因斯坦曾住在这里》一书中说,就算1925年后,爱因斯坦改行钓鱼以度过余生,这对科学来说也没什么损失。但另一方面,爱因斯坦对量子论的和诘问也确实使它时时三省吾身,冷静地审视和思考自己存在的意义,并不断地在斗争中完善自己,大概可算一种的激励吧!

  反正他不久又要提出一个新的实验,作为对量子论的进一步。可怜的玻尔得第三次接招了。

  爱因斯坦没有出席1933年第七届索尔维会议。那一年的1月30日,兴登堡把总理一职委任给了一个叫做阿道夫·的奥地利人,从此党的恐怖阴影开始整个世界。爱因斯坦横眉冷对这个,最后终于第二次放弃了国籍,不得不他乡,忧郁地思索起欧洲那悲惨的未来。话又说回来,这届索尔维会议的议题也早就不是量子论本身,而换成了另一个激动的话题:爆炸般发展的原子物理。不过这个领域里的成就当然也是在量子论的基础上取得的,而量子力学的基本形式已经确定下来,成为物理学的基础。似乎是尘埃落定,没什么人再会怀疑它的力量和正确性了。

  在人们的一片乐观情绪中,爱因斯坦和薛定谔等寥寥几人愈加显得孤独起来。薛定谔和德布罗意参加了1933年索尔维会议,却都没有发言,也许是他们对这一领域不太熟悉的缘故吧。新新人类们在激动地探讨物质的产生和湮灭、正电子、重水、中子……那样多的新发现让人眼花缭乱,根本忙不过来。而爱因斯坦他们现在还能做什么呢?难道他们的思想真的已经如此过时,以致跟不上新时代那飞一般的步伐了吗?

  1933年9月25日,埃仑费斯特在荷兰莱登枪杀了他那患有智力障碍的儿子,然后了。他在留给爱因斯坦、玻尔等好友的信中说:“这几年我越来越难以理解物理学的飞速发展,我努力尝试,却更为和撕心裂肺,我终于决定放弃一切。我的生活令人极度厌倦……我仅仅是为了孩子们的经济来源而活着,这使我感到。我试过别的方法但是收效甚微,因此越来越多地去考虑的种种细节,除此之外我没有第二条走了……原谅我吧。”

  在爱因斯坦看来,埃仑费斯特的悲剧无疑是一个时代的悲剧。两代物理学家的思想猛烈冲突和撞击,在一个天翻地覆的飘摇,带给整个物理学以强烈的阵痛。埃仑费斯特虽然从上支持玻尔,但当一个文化衰落之时,曾经为此文化所感之人必感到强烈的痛苦。昔日黄金时代的黯淡老去,代以雨后春笋般兴起的新,从量子到量子场论,原子中各种新粒子层出不穷,稀奇古怪的概念整个世界。爱因斯坦的心中何曾没有埃仑费斯特那样难以名状的巨大忧伤?爱因斯坦远远地,孤独地站在鸿沟的另一边,看着年轻人们义无反顾地高唱着向远方进军,每一个人都对他说他站错了地方。这种感觉是那样奇怪,似乎世界都显得朦胧而不真实。难怪曾经有人叹息说,宁愿早死几年,也不愿看到现代物理这样一幅令人难以接受的画面。不过,爱因斯坦却仍然没有倒下,虽然他身在异乡,他的第二个妻子又重病缠身,不久将与他生离死别,可这一切都不能使爱因斯坦放弃内心那个坚强的,那个对于坚固的关系,对于一个和谐秩序的痴痴。爱因斯坦仍然选择战斗,他的身影在斜阳下拉得那样长,似乎是勇敢的老战士为一个消逝的王国做最后的悲壮。

  这一次他争取到了两个同盟军,分别是他的两个同事波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)。1935年3月,三人共同在《物理评论》(Physics Review)上发表了一篇论文,名字叫《量子力学对物理实在的描述可能是完备的吗?》,再一次对量子论的基础发起。当然他们改变策略,不再说量子论是自相矛盾,或者错误的,而改说它是“不完备”的。具体来说,三人量子论的那种对于观察和波函数的解释是不对的。

  我们用一个稍稍简化了的实验来描述他们的主要论据。我们已经知道,量子论认为在我们没有观察之前,一个粒子的状态是不确定的,它的波函数弥散开来,代表它的概率。但当我们探测以后,波函数坍缩,粒子随机地取一个确定值出现在我们面前。

  现在让我们想象一个大粒子,它本身自旋为0。但它是不稳定的,很快就会衰变成两个小粒子,向相反的两个方向飞开去。我们假设这两个小粒子有两种可能的自旋,分别叫“左”和“右”,那么如果粒子A的自旋为“左”,粒子B的自旋便一定是“右”,以保持总体守恒,反之亦然。好,现在大粒子了,两个小粒子相对飞了出去。但是要记住,在我们没有观察其中任何一个之前,它们的状态都是不确定的,只有一个波函数可以描绘它们。只要我们不去探测,每个粒子的自旋便都处在一种左/右可能性叠加的混合状态,为了方便我们假定两种概率对半分,各50%。

  现在我们观察粒子A,于是它的波函数一瞬间坍缩了,随机地选择了一种状态,比如说是“左”旋。但是因为我们知道两个粒子总体要守恒,那么现在粒子B肯定就是“右”旋了。问题是,在这之前,粒子A和粒子B之间可能已经相隔非常遥远的距离,比如说几万光年好了。它们怎么能够做到及时地互相通信,使得在粒子A坍缩成左的一刹那,粒子B一定会坍缩成右呢?

  量子论的概率解释告诉我们,粒子A选择“左”,那是一个完全随机的决定,两个粒子并没有事先商量好,说粒子A一定会选择左。事实上,这种选择是它被观测的那一刹那才做出的,并没有先兆。关键在于,当A随机地作出一个选择时,远在天边的B便一定要根据它的决定而作出相应的坍缩,变成与A不同的状态以保持总体守恒。那么,B是如何得知这一遥远的信息的呢?难道有超过光速的信号来回于它们之间?

  假设有两个观察者在的两端守株待兔,在某个时刻t,他们同时进行了观测:一个观测A,另一个同时观测B。那么,这两个粒子会不会因为距离过于遥远,一时无法对上口径而在仓促间做出手忙脚乱的选择,比如两个同时变成了“左”,或者“右”?显然是不太可能的,不然就违反了守恒定律。那么是什么让它们之间保持着心有灵犀的默契,当你是“左”的时候,我一定是“右”?

  爱因斯坦等人认为,既然不可能有超过光速的信号,那么说粒子A和B在观测前是“不确定的幽灵”显然是难以的。唯一的可能是两个粒子从分离的一刹那开始,其状态已经客观地确定了,后来人们的观测只不过是得到了这种状态的信息而已,就像经典世界中所描绘的那样。粒子在观测时才变成真实的说法显然了的原理,它其中涉及到瞬间的信号。这个诘难以三位发起者的首字母命名,称为“EPR佯谬”。

  玻尔在得到这个消息后大吃一惊,他马上放下手头的其他工作,来全神贯注地对付爱因斯坦的这次挑战。这套潜心演练的新阵法看起来气势汹汹,宏大堂皇,颇能夺魄,但玻尔也算是爱因斯坦的老对手了。他睡了一觉后,马上发现了其中的破绽所在,原来这看上去让人眼花缭乱的一次却是个完完全全的虚招,并无实质力量。玻尔不禁得意地唱起一支小调,调侃了波多尔斯基一下。

  原来爱因斯坦和玻尔根本没有个共同的基础。在爱因斯坦的潜意识里,一直有个经典的“实在”影像。他不言而喻地假定,EPR实验中的两个粒子在观察之前,分别都有个“客观”的自旋状态存在,就算是概率混合吧,但粒子客观地存在于那里。但玻尔的意思是,在观测之前,没有一个什么粒子的“自旋”!因为你没有定义观测方式,那时候谈论自旋的粒子是无意义的,它根本不是物理实在的一部分,这不能用经典语言来表达,只有波函数可以描述。因此在观察之前,两个粒子——无论相隔多远都好——仍然是一个互相关联的整体!它们仍然必须被看做母粒子时的一个全部,直到观察以前,这两个的粒子都是不存在的,更谈不上客观的自旋状态!

  这是爱因斯坦和玻尔思想基础的尖锐冲突。玻尔认为,当没有观测的时候,不存在一个客观的世界,所谓“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义。在观测之前,并没有“两个粒子”,而只有“一个粒子”。A和B“本来”没有什么自旋,直到我们采用某种方式观测了它们之后,所谓的“自旋”才具有物理意义,两个粒子才变成真实,变成客观的存在。但在那以前,它们仍然是互相联系的一个整体,对于其中任一个的观察必定扰动了另一个的状态。并不存在什么超光速的信号,两个遥远的,具有相反自旋的粒子本是协调的一体,之间无须传递什么信号。其实是这个系统没有实在性(reality),而不是没有定域性(locality)。

  EPR佯谬其实根本不是什么佯谬,它最多表明了,在“经典实在观”看来,量子论是不完备的,这简直是废话。但是在玻尔那种“量子实在观”看来,它常完备和逻辑自洽的。

  既生爱,何生玻。两人的世纪争论进入了尾声。在哲学基础上的不同使得两的意见分歧直到最后也没能调和。这两位20世纪最伟大的科学巨人,他们的世界观是如此地截然对立,以致每一次见面都仍然要为此而争执。派斯后来回忆说,玻尔有一次到普林斯顿访问,结果又和爱因斯坦徒劳地争论了半天。爱因斯坦的绝不使得玻尔失望透顶,他冲进派斯的办公室,不停地喃喃自语:“我对自己烦透了!”

  可惜的是,一直到爱因斯坦去世,玻尔也未能他,让他认为量子论的解释是正确而完备的,这一定是玻尔人生中最为遗憾和念念不忘的一件事。玻尔本人也一直在同爱因斯坦的思想作斗争,每当他有了一个新想法,他首先就会问自己:如果爱因斯坦尚在,他会对此发表什么意见?1962年,就在玻尔去世的前一天,他还在黑板上画了当年爱因斯坦光箱实验的草图,解释给前来的采访者听。这幅图成了玻尔留下的最后手迹。

  两位科学巨人都为各自的而奋斗了毕生,然而,别的科学家已经甚少关心这种争执。在量子论的引导下,科学显得如此朝气蓬勃,它的各个分支以火箭般的速度发展,给人类社会带来了伟大的技术。从半导体到核能,从激光到电子显微镜,从集成电到生物学,量子论把它的播撒到人类社会的每一个角落,成为有史以来在实用中最成功的物理理论。许多人觉得,争论量子论到底对不对简直太可笑了,只要转过头,看看身边发生的一切,看看社会的日新月异,目光所及,无不是量子论的最好证明。

  如果说EPR最大的价值所在,那就是它和别的奇想空谈不同。只要稍微改装一下,EPR是可以为实践所检验的!我们的史话在以后会谈到,人们是如何在实验室里用实践裁决了爱因斯坦和玻尔的争论,经典实在的概念无可奈何花落去,只留下一个苍凉的背影和深沉的叹息。

  但量子论仍然困扰着我们。它的内在意义是如此扑朔迷离,使得对它的诠释依旧众说纷纭。量子论取得的成就是无可怀疑的,但人们一直无法确认它的真实面目所在,这争论一直持续到今天。它将把一些让物理学家们的概念带入物理中,令人一想来就不禁倒吸一口凉气。而反对派那里还有一个薛定谔,他要放出一只的怪兽,撕咬人们的和神经,这就是叫许多人闻之色变的“薛定谔的猫”。

  即使摆脱了爱因斯坦,量子论也没有多少轻松。关于测量的难题总是困扰着多数物理学家,只不过他们通常乐得不去想它。不管它有多奇怪,太阳还是每天升起,不是吗?周末仍然有联赛,那个足球还是硬邦邦的。你的工资不会因为不确定性而有奇妙的增长。考试交白卷而依然拿到学分的机会仍旧是没有的。你化成一团概率波,像崂山那样直接穿过墙壁而走到房子外面,怎么说呢,不是完全不可能的,但机会是如此之低,以致你数尽了恒河沙,了亿,入灭而又涅槃了无数回,还是难得见到这种景象。

  确实是这样,电子是个幽灵就让它去好了。只要我们日常所见的那个世界实实在在,这也就不会增添乐观的太多的烦恼。可是薛定谔不这么想,如果世界是建立在幽灵的基础上,谁说世界本身不就是个幽灵呢?量子论玩的这种瞒天过海的把戏,是别想逃过他的眼睛的。

  EPR出台的时候,薛定谔大为高兴,称赞爱因斯坦“抓住了量子论的小辫子”。受此,他在1935年也发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,文中的口气非常。总而言之,是和哥本哈根派誓不两立的了。

  在论文的第5节,薛定谔描述了那个常被视为的猫实验。好,哥本哈根派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加,是吧?比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才随机选择一种状态而出现。

  好得很,那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激发一连锁反应,最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶,而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了,那么毒气瓶就被打破,猫就被毒死。要是原子没有衰变,那么猫就好好地活着。

  自然的推论:当它们都被锁在箱子里时,因为我们没有观察,所以那个原子处在衰变/不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们打开箱子察看,事情才最终:要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了,要么它活蹦乱跳地“喵喵”直叫。问题是,当我们没有打开箱子之前,这只猫处在什么状态?似乎唯一的可能就是,它和我们的原子一样处在叠加态,这只猫当时陷于一种死/活的混合。

  现在就不光光是原子是否幽灵的问题了,现在猫也变成了幽灵。一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫,那么要是它能说话,它会不会描述那种死/活叠加的奇异感受?恐怕不太可能。

  薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界,现在量子的奇特性质牵涉到我们的日常生活了,牵涉到我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题。这个实验虽然简单,却比EPR要辛辣许多,这一次扎得哥本哈根派够疼的。他们不得不退一步以咽下这杯苦酒:是的,当我们没有观察的时候,那只猫的确是又死又活的。

  不仅仅是猫,一切的一切,当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态的,因为也都是由服从不确定性原理的原子组成,所以一切都不能免俗。量子派后来有一个被哄传得很广的论调说:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。这稍稍偏离了本意,准确来说,因为月亮也是由不确定的粒子组成的,所以如果我们转过头不去看月亮,那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎,月亮的边缘开始显得模糊而不确定,它逐渐“融化”,变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长时间的,不过问题的实质是:要是不观察月亮,它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时,一个确定的,客观的月亮是不存在的。但只要一回头,一轮明月便又高悬空中,似乎什么事也没发生过一样。

  不能不承认,这听起来很有强烈的主观论的味道,虽然它其实和我们通常理解的那种哲学理论有大大的区别。不过讲到这里,许多概都会自然而然地想起贝克莱(George Berkeley)主教的那句名言:“存在就是被”(Esse Est Percipi)。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量”,那就和哥本哈根派的意思差不离了。贝克莱在哲学史上的地位无疑是重要的,但人们通常乐于他,我们的哥本哈根派是否比他走得更远呢?好歹贝克莱还认为事物是连续客观地存在的,因为总有“”在不停地看着一切。而量子论?“陛下,我不需要这个假设!”

  与贝克莱互相辉映的东方代表大概要算王阳明。他在《传习录·下》中也说过一句有名的话:“你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来……”如果王阳明懂量子论,他多半会说:“你未观测此花时,此花并未实在地存在,按波函数而归于寂;你来观测此花时,则此花波函数发生坍缩,它的颜色一时变成明白的实在……”测量即是理,测量外无理。

  当然,我们无意把这篇史话变成纯粹的乏味的哲学探讨,经验往往表明,这类空洞的议论最终会变成毫无意义,让人昏昏欲睡的鸡肋文字。我们还是回到具体的问题上来,当我们不去观察箱子内的情况的时候,那只猫真的“又是活的又是死的”?

  这的确是一个让人尴尬和难以想象的问题。霍金曾说过:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪。”薛定谔本人在论文里把它描述成一个“般的装置”(diabolische,英文diabolical,玩Diablo的概能更好地理解它的意思)。我们已经见识到了量子论那种种令人惊异甚至瞠目结舌的古怪性质,但那只是在我们根本不熟悉也没有太大兴趣了解的微观世界而已,可现在它突然要开始影响我们周围的一切了?一个人或许能接受电子处在叠加状态的事实,但一旦谈论起宏观的事物,比如我们的猫也处在某种“叠加”状态,任谁都要感到一点畏首畏尾。不过,对于这个问题,我们现在已经知道许多,特别是近十年来有着许多杰出的实验来它的一些奇特的性质。但我们还是按着我们史话的步伐,一步步地来探究这个饶有趣味的话题,还是从哥本哈根解释说起吧。

  猫处于死/活的叠加态?人们无法接受这一点,最关键的地方就在于:经验告诉我们这种奇异的二重状态似乎是不太可能被一个宏观的生物(比如猫或者我们自己)所感受到的。还是那句话:如果猫能说话,它会描述这种二象性的感觉吗?如果它侥幸幸存,它会不会说:“是的,我当时变成了一缕概率波,我感到自己弥漫在空间里,一半已经死去了,而另一半还活着。这真是令人飘飘然的感觉,你也来试试看?”这恐怕没人相信。好,我们退一步,猫不会说话,那么我们把一个会说话的人放入箱子里面去。当然,这听起来有点,似乎是的毒气,不过我们只是在想象中进行而已。这个人如果能生还,他会那样说吗?显然不会,他肯定无比坚定地,自己从头到尾都活得好好的,根本没有什么半生半死的状态出现。可是,这次不同了,因为他自己已经是一个观察者了啊!他在箱子里不断观察自己的状态,从而不停地触动自己的波函数坍缩,我们把一个观测者放进了箱子里!

  可是,奇怪,为什么我们对猫就不能这样说呢?猫也在不停观察着自己啊。猫和人有什么不同呢?难道区别就在于一个可以出来地反驳量子论的论调,一个只能“喵喵”叫吗?令我们吃惊的是,这的确可能是至关重要的区别!人可以感觉到自己的存活,而猫不能,换句话说,人有能力“测量”自己活着与否,而猫不能!人有一样猫所没有的东西,那就是“意识”!因此,人能够测量自己的波函数使其坍缩,而猫为力,只能停留在死/活叠加任其发展的波函数中。

  意识!这个字眼出现在物理学中真是难以想象。如果它还出自一位诺贝尔物理学得主之口,是不是令人晕眩不已?难道,这世界真的已经改变了么?

  半死半活的“薛定谔的猫”是科学史上著名的怪异形象之一,和它同列名人堂的也许还有芝诺的那只永远追不上的乌龟,拉普拉斯的那位无所不知从而预言一切的老智者,麦克斯韦的那个机智地控制出入口,以致快慢逐渐分离,系统熵为之倒流的妖精,被搞得头昏脑涨,分不清谁是哥哥谁是弟弟的那对双生子,等等,等等。薛定谔的猫在大众中也十分受欢迎,常常出现在剧本,漫画和音乐中,虽然比不上Garfield(加菲猫)或者Tom(汤姆),也算是有点人气。有意思的是,它常常和“巴甫洛夫的狗”作为搭档一唱一和出现。它最长脸的一次大概是被“恐惧之泪”(Tears for Fears),这个在20世纪80年代红极一时的乐队作为一首歌的标题演唱,虽然歌词是“薛定谔的猫死在了这个世界”。

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