原子中的幽靈

原子中的幽靈

在激烈地變革人們對於實在的看法方面,量子革命是無與倫比的.誕生於本世紀前25年的量子物理學,主宰著現代物理科學.然而,這個有極高成就的理論所賴以建立的基礎,似乎是否認常識意識的.關於量子理論的解釋及其種種佯謬的嘗試解決,一直存在高度的爭議. 1982年一個關鍵性實驗的結果,進一步復甦了人們對這個基本爭端的興趣.這個實驗似乎一勞永逸地與愛因斯坦這樣一個信念發生矛眉,即:他認為上帝不會同宇宙擲骰子.這件事促成英國廣播公司廣播部(BBC RADIO)第3廣播台編輯了的一個記實專題廣播,裡面包括對許多卓越的量子物理學家的採訪.這本書就是以那些採訪的原始記錄為基礎編輯而成的.書中還就量子埋論,其疑難與佯謬,以及為弄懂其奇妙的哲學涵義所作的種種嘗試,給出了一個清晰而簡明的介紹. 雖然本書處理的是科學研究前沿中的一個議題,卻寫得通俗易懂,面向職業物理學家,哲學家,以及一般的相關讀者. 前 言

尼 玻爾曾經指出:誰不為量子理論所震驚,誰就不理解量子理論.在20年代,當量子理論的蘊涵開始充分顯露時,肯定有一股強烈的震驚與迷惑之感,在它的同代人當中迴響.量子理論不僅與19世紀經典物理學相衝突,而且它根本性地改變了科學家們關於人與物質世界關係的觀點.因為按照玻爾對量子理論的解釋,"外在"世界的存在不是自身獨立的,而是無法擺脫地與我們對它的感知糾纏在一起的. 毫不奇怪,有些物理學家發現上述觀念是難於接受的.帶有諷刺意味的是,在量子理論發展的早期曾起重要作用的愛因斯坦卻成了抨擊它的急先鋒.他直到1955年去世,仍然確信:在量子理論的表述形式中少了一種實質性的成分;沒有他所堅持的這一成分,我們關於原子範圍內物質的描述,就會不可避免地保持其固有的不確定性,因而是不完全的.在與玻爾的長期友好交往過程中,愛因斯坦反覆試圖證明量子理論的不完全性.他提出過許多有極高天賦的論據,有些曾引起科學家們的極大關注.但是,每一次,玻爾都很快地設法找到了一個雅緻而有說服力的反駁.漸漸地,人們越來越感覺到:愛因斯坦的驅除原子中幽靈的探索是徒勞的. 但是今天,量子論戰遠未消失.近幾年有人做了一系列檢驗性實驗,阿萊因 阿斯派克特及其法國同事們所做的實驗是其頂峰.這促使人們以新的眼光來看待玻爾—愛因斯坦之爭. 對於量子理論解釋興趣的復甦,激發我(J.布朗)考慮就這一主題搞個專題廣播節目.我與泡爾 戴維斯教授討論了這一想法,他同意為英國廣播公司第3台提供一個專題節目.我們採訪了對量子力學概念基礎有特殊興趣的幾位領頭物理學家,了解他們從阿斯派克特的實驗結果和量子理論其它近期進展中提出什麼啟示. 在一個專題廣播節目內可資使用的時間,自然十分有限,所以,只有採訪中的若干簡短片斷才能編到最後的節目里.儘管如此,廣播3台關於《原子中的幽靈》的廣播節目,仍激起了聽眾的極大興趣,因此,我們感覺到:以較完全與更永久的形式把這些採訪內容編書出版,將是十分值得的. 除了第一章之外,本書內容都是以廣播部的原始採訪錄音為基礎的.在校訂中,為使對話更符合出版要求,我們不得不作些修改.但是,我們力圖盡量保持其對話特徵.這本書是特為一般讀者寫的,所以,我們寫了第一章,對於採訪中所討論的概念作個介紹.如果你已經熟悉其中許多內容,你可以直接跳到第二章,並查閱書後的索引與術語彙編,它們說明了書中的技術術語與論據. 一個最後的念頭與一個提醒注意的評註:當我們委派採訪任務時,有些參與者(不公布其姓名)表達了這樣的觀點:對於量子理論應作何解釋,現在不存在實際的疑慮.至少,我們希望此書將表明:這種自我滿足是沒有理由的. 我們深深感激所有參加了此項工作的人們,特別要感謝魯多爾夫 佩爾斯爵士,他評論性地閱讀了第一章.我們還要感謝承擔轉抄原始錄音帶內容這一繁重任務的曼蒂 尤斯特雷斯. J.布朗 P.C.W.戴維斯 1986年元月 總序

科學,特別是自然科學,最重要的目標之一,就是追尋科學本身的原動力,或曰追尋其第一推動.同時,科學的這種追求精神本身,又成為社會發展和人類進步的一種最基本的推動. 科學總是尋求發現和了解客觀世界的新現象,研究和掌握新規律,總是在不懈地追求真理.科學是認真的,嚴謹的,實事求是的,同時,科學又是創造的.科學的最基本態度之一就是疑問,科學的最基本精神之一就是批判. 的確,科學活動,特別是自然科學活動,比較起其他的人類活動來,其最基本特徵就是不斷進步.哪怕在其他方面倒退的時候,科學卻總是進步著,即使是緩慢而艱難的進步.這表明,自然科學活動中包含著人類的最進步因素. 正是在這個意義上,科學堪稱為人類進步的"第一推動". 科學教育,特別是自然科學的教育,是提高人們素質的重要因素,是現代教育的一個核心.科學教育不僅使人獲得生活和工作所需的知識和技能,更重要的是使人獲得科學思想,科學精神,科學態度以及科學方法的熏陶和培養,使人獲得非生物本能的智慧,獲得非與生俱來的靈魂.可以這樣說,沒有科學的"教育",只是培養信仰,而不是教育.沒有受過科學教育的人,只能稱為受過訓練,而非受過教育. 正是在這個意義上,科學堪稱為使人進化為現代人的"第一推動". 近百年來,無數仁人智士意識到,強國富民再造中國離不開科學技術,他們為擺脫愚昧與無知作了艱苦卓絕的奮鬥,中國的科學先賢們代代相傳,不遺餘力地為中國的進步獻身於科學啟蒙運動,以圖完成國人的強國夢.然而應該說,這個日標遠未達到.今日的中國需要新的科學啟蒙,需要現代科學教育.只有全社會的人具備較高的科學素質,以科學的精神和思想,科學的態度和方法作為探討和解決各類問題的共同基礎和出發點,社會才能更好地向前發展和進步.因此,中國的進步離不開科學,是毋庸置疑的. 正是在這個意義上,似乎可以說,科學已被公認是中國進步所必不可少的推動. 然而,這並不意味著,科學的精神也同樣地被公認和接受.雖然,科學已滲透到社會的各個領域和層面,科學的價值和地位也更高了.但是,毋庸諱言,在一定的範圍內,或某些特定時候,人們只是承認"科學是有用的",只停留在對科學所帶來的後果的接受和承認,而不是對科學的原動力,科學的精神的接受和承認.此種現象的存在也是不能忽視的. 科學的精神之一,是它自身就是自身的"第一推動".也就是說,科學活動在原則上是不隸屬於服務於神學的,不隸屬於服務於儒學的,科學活動在原則上也不隸屬於服務於任何哲學的.科學是超越宗教差別的,超越民族差別的,超越黨派差別的,超越文化的地域差別的,科學是普適的,獨立的,它自身就是自身的主宰. 湖南科學技術出版社精選了一批關於科學思想和科學精神的世界名著,請有關學者譯成中文出版,其目的就是為了傳播科學的精神,科學的思想,特別是自然科學的精神和思想,從而起到倡導科學精神,推動科技發展,對全民進行新的科學啟蒙和科學教育的作用,為中國的進步作一點推動.叢書定名為《第一推動》,當然並非說其中每一冊都是第一推動,但是可以肯定,蘊含在每一冊中的科學的內容,觀點,思想和精神,都會使你或多或少地更接近第一推動,或多或少地發現,自身如何成為自身的主宰. 《第一推動》叢書編委會 第一章 奇妙的量子世界

什麼是量子理論 "量子"一詞意指"一個量"或"一個離散的量".在日常生活範圍里,我們已經習慣於這樣的概念,即:一個物體的性質,如它的大小,重量,顏色,溫度,表面積以及運動,全都可以從一物體到另一物體以連續的方式變化著.例如,在各種形狀,大小與顏色的蘋果之間並無顯著的等級. 然而,在原子範圍內,事情是極不相同的.原子粒子的性質,如它們的運動,能量和自旋,並不總是顯示出類似的連續變化,而是可以相差一些離散的量.經典牛頓力學的一個假設是:物質的性質是可以連續變化的.當物理學家們發現這個觀念在原子範圍內失效時,他們不得不設計一種全新的力學體系——量子力學,以說明標誌物質的原子特徵的團粒性.這樣,量子理論就是導出量子力學的基礎理論. 考慮到經典力學在描述所有物體(從彈子撞球到恆星與行星)的動力學方面的成就,它在原子範圍內被新的力學體系所取代,被視為一種革命性轉變,是不足為奇的.不過沒多久,通過對只有用量子理論才能理解的廣泛現象的論證,物理學家們證實了這個理論的價值.這類現象如此之多,以至今天量子理論常常被譽為一種前所未有的最有成效的科學理論. 起源 由於德國物理學家普朗克(Max Plank)發表的一篇論文,量子理論在1900年蹣跚地起步了.當時普朗克正從事於研究19世紀物理學懸而未決的一個問題,即關於熱物體的輻射熱能在各波長上的分布問題.在某些理想條件下,此能量是按某種特徵方式分布的.普朗克證明:只有假設物體以離散包或離散方式發射電磁輻射,才能對這些特徵方式作出說明.他稱這種離散包或離散束為量子.當時不知道為何有這種不連續性,只是特設地被迫接受而已. 1905年,量子假說受到愛因斯坦的支持,他成功地說明了所謂光電效應.在這種效應中,他觀察從金屬表面置換出電子的光能量.為了說明這種具體方式,愛因斯坦被迫將光束看成是後來稱為光子的離散的粒子流.光的這種描述似乎完全跟傳統的觀點相衝突.按照傳統的觀點,光(與所有的電磁波一樣)由連續的電磁波組成,它們依據著名的麥克斯韋電磁理論傳播,而這個理論在半個世紀以前就牢固建立起來了.光的波動性早在1801年就被托馬斯 楊(Tomas Young)用其著名的"雙縫"裝置從實驗上予以證實. 然而,波——粒二象性並不局限於光.當時,物理學家們也關注原子的結構.尤其是,他們為電子圍繞一個核運動卻又不發射輻射所困惑.因為從麥克斯韋電磁理論知道,沿彎曲路徑運動的粒子定會輻射電磁能的,如果此輻射是連續的,那麼原子的軌道電子就會迅速損失能量而螺旋式地落進核內(見圖1). 1913年尼 玻爾(Niels Bohr)提出:原子的電子也是"量子化"的,即量子化的電子可以處於某些固定的能級上而不損失能量.當電子在能級間跳躍時,電磁能以分離的量被釋放或吸收.事實上,這些能量包就是光子. 可是,電子以這種不連續方式行動的原因,當時並沒有揭示出來,直到後來發現了物質的波動性質才知道其所以然. 柯林頓 戴維孫及其他人的實驗工作以及路易斯 德布洛衣的理論工作導致這樣一種概念,即:電子與光子一樣既可按波行事,又可按粒子行事,究竟如何則取決於具體的環境.按照波動模式,玻爾提出的原子能級對應於圍繞著核的駐波模式,極其相似於一個腔,這個腔可以使它對不同的分離樂曲產生共鳴,電子波也可以按一些確定能量的模式振動著.僅當此模式變更時(這對應於從一個能級向另一能級的一次躍遷),才有一個電磁擾動隨其發生,即伴隨著輻射的發射或吸收. 不久,人們就明白了:不僅電子,而且所有的亞原子粒子都具有類似的似波性,顯然,由牛頓表述的傳統力學定律,以及麥克斯韋電磁定律,在原子及亞原子粒子的微觀世界中完全失效了.為了說明這種波——粒二象性,到20年代中期,一個新的力學體系——量子力學——由埃爾溫 薛定諤和維爾納 海森伯獨立地發展起來了. 新理論成效壯觀,它很快地幫助科學家們說明了原子結構,放射性,化學鍵以及原子光譜的細節(包括種種電磁效應).這個理論經過泡爾 狄拉克,恩里科 費米,馬克思 玻恩,以及其他一些人的精細加工,最終導致對於核結構與核反應,固體的電性質與熱學性質,超導性,物質的基本粒子的產生與湮滅,反物質存在的預言,某些坍縮恆星的穩定性,以及更多的未列舉事例,作出了令人滿意的說明.量子力學也促成了包括電子顯微鏡,激光器和晶體管在內的實際硬體儘可能大的發展.極端靈敏的原子實驗已經以令人驚訝的精確度證實了存在著微妙的量子效應.50年來,未發現任何實驗否定量子力學的預言. 這一系列巨大成就,使量子力學被遴選為一個真正值得注意的理論——以科學上史無前例的精細程度正確地描述著世界的理論.當今大多數職業物理學家,如果不是幾乎不加思索地,就是完全信賴地應用著量子力學.然而,這個富麗堂皇的理論大廈卻是建立在一種深刻的與不穩定的佯謬之上的,這個佯謬使得一些物理學家斷言:這個理論最終是無意義的. 這個問題在20年代末和30年代初就已經很快地為眾人所知了.問題與理論的技術方面無關,而是涉及到理論解釋. 波或粒子 量子的奇異性能夠容易地從這樣一種方式顯示出來,即:象一個光子這樣的物體,既可以顯示出似波性又可以展示出似粒子性,使光子產生衍射和干涉圖象,這是光的似波本性的一個可靠檢驗.但是,在光電效應中,光子卻效法著投擲椰子果核,把電子從金屬中敲出來,在這個效應中,光的粒子模型似乎更合適些. 波動性與粒子性的共存,很快就導致了關於自然界的一些令人吃驚的結論.讓我們考慮一個熟知的例子,假設一束偏振光射向一片偏振材料(見圖2).標準電磁理論預言:如果光的偏振面平行於該材料的偏振面,光就完全透過,但是,如果二者成直角, 則無光透過.在某居中角度時,則有部分光透過.例如,成45°時,透射的光強準確地為原光強之半,實驗證實了這一點. 現在,如果減弱入射光束的強度,以致一次僅一個光子穿過此偏振片,這時,我們就遇到難題了,因為一個光子不可能分割,任一給定的光子必定是或者通過了,或者被擋住了.當角度為45°時,平均起來,必定是一半光子穿過去了,而另一半則被擋住了.但是,哪種光子穿過了,哪種光子沒穿過 由於具有相同能量的所有光子被假定是相同的,從而是不可分辨的,這迫使我們得出這樣的結論:光子的穿越純粹是一個隨機過程.雖然,任何一個給定光子穿越的機會是50對50(幾率為1/2),可要預先預言哪些具體的光子會穿過去,是不可能的.只能給出打睹的幾率.當角度改變時,此幾率可以在從0到1之間跟著改變. 這個結論是引人入勝的,也令人不安.量子物理學發現之前,世界被看成是完全可預言的,至少在原則上是如此.尤其是,如果做相同的實驗,人們就期望得到同樣的結果.但是在光子與偏振片的情況中,人們可以非常清楚地發現:兩個相同的實驗產生著不同的結果,正如一個光子穿過了偏振片,而另一個相同的光子卻被擋住了.顯然,這個世界根本不是可完全預言的.一般地說來,在未做出一次觀察之前,我們不可能知道一個給定光子的命運會是怎樣 這些概念暗示:在光子,電子和其他粒子的微觀世界中,存在一種不確定性要素.1927年,海森伯以其著名的不確定性原理量化了這種不確定性.這原理的一種表述與試圖同時測量一個量子物體的位置和運動有關.具體地說,如果想要非常精確指定電子的位置,我們就不得不棄絕有關它的動量信息;反過來,我們可以精確地測量電子的動量,但這樣一來,它的位置就變得不確定了.恰恰就是試圖將一個電子釘在具體地點的作用,對其運動引進了一個不可控與不確定的擾動;反之亦然.再者,對我們關於電子運動和位置的知識的這種不可避免的約束,並不只是實驗製作粗陋的結果;它是自然界所固有的.顯然,電子並非簡單地同時具有位置與動量. 由此得出,在微觀世界中存在一種內在的模糊性,只要我們企圖測量兩個不相容的可觀察量(如位置和動量),這種模糊性就會顯示出來.這種模糊性的後果之一就是擯棄了電子(或光子,或任何其他東西)在空間沿特定路徑或軌道運動的直觀概念.對於遵循一確定軌道的一個粒子來說,每一時刻它必定具有一個位置(路徑上的一點)和一個速度(路徑的切矢量),但是一個量子粒子不可能同時具有二者. 在日常生活里,我們確信:嚴格的因果定律指引著彈丸打到其靶上或者引導著軌道上的行星沿著空間一條精確確定的路徑運行.我們不懷疑彈丸到達靶時,其著靶點表示一連續曲線的終點,曲線起點在槍管處.對於電子來說,情況就不是這樣了,我們能夠識別出發點和到達點,但並非總能推斷出有一條連結它們的確定路線. 幾乎沒有什麼比著名的托馬斯 楊雙縫實驗更能顯示量子的模糊性了.在這個實驗里,來自一個很小的光源的光子(或電子)束向著刻有兩個窄孔的屏運動,在第二個屏上產生雙孔的像,它由不同於原孔的明暗干涉圖樣組成,就像穿過一個孔的波遇到從另一孔來的波一樣.波同步到達的地方,則加強;反相到達的地方,則減弱.這樣,光子或電子的似波性便明顯地獲得證實. 但是,射線束也可以看成由微粒組成.假設強度再次衰減非常之甚,以致僅在某一時刻僅一個光子或電子向此裝置運動.自然地,每一個都到達像屏上一確定點,它是可以作為一個微粒被記錄下來的.別的粒子到達別的地方,留下它們各自的斑痕.乍看起來,此效應似乎是隨機的,但隨著斑點的增多,一個斑點圖案遂自形成.每一個粒子不是強制地而是按"平均規律"落向像屏上一具體地點.當大量粒子穿過此系統時,就產生一個有條理的圖案,這就是干涉圖.因此,任何給定的光子或電子都不能做出一個圖案,它僅能造就一個單一的斑點.雖然每一個電子或光子顯然可以自由地去到任意地點,但它們還是以幾率的方式合作地建立起干涉圖案. 現在,如果兩孔之一被擋住,那麼電子或光子的平均行為就戲劇性地改變了,實際上,干涉圖消失了.這個干涉圖是不可能從兩個只有單縫存在所記錄的圖像的迭加中得到的.僅當兩孔同時開著時,才有干涉.因此,每個光子或電子必定以某種方式,獨個地計及到開著雙孔還是單孔 但是,如果它們是不可分割的粒子,它們怎能做到這一點呢 從粒子來看,每個粒子僅能從一個縫穿過,它卻能"知道"另一個縫的開啟情況,究竟是怎麼"知道"的 回答這個問題的一個方法是回想起量子粒子在空間不具有確定的路線.將粒子看成這樣一種東西,有時是方便的,即它通過無限多條路徑,其中每一條都對它的行為起作用,這些路徑或路線穿過屏上的兩個孔,並就每一條編個信息碼,這就是粒子能夠在擴展的空間區域內維持徑跡的行為方式.粒子行為的模糊性,使它能"覺察出"許多不同的路線. 假設一個持懷疑態度的物理學家,要在兩孔的前方各放一個探測器,以便預先肯定一個具體的電子向哪一個孔運動,這樣一來,那位物理學家在不讓電子"知道"從而不改變其運動的情況下,不能突然把另一孔關閉嗎 如果我們考慮到海森伯不確定性原理,那麼,我們就能看到:大自然智勝了這個狡猾的物理學家.為要使各個電子的位置測量精確到足以識別它所正接近的孔的程度,電子的運動受到如此之大的擾動,致使干涉圖倔強地消失了!正是考察電子將向何處去的作用確保雙孔合作失敗.只要我們決定不去跟蹤電子的路線,它對兩種路線的"知識"就會顯示出來. 約翰 惠勒曾指出上述二象性的一個更引人興趣的推論,即究竟是做實驗去確定電子的路徑,還是放棄這種信息與實驗,而用干涉圖取而代之 此項決定可以推遲作出,直到任意給定的電子已經通過該裝置時為止!在這個所謂"延遲選擇"實驗中,實驗人員現在所作的決定在某種意義上似乎影響著過去的量子粒子將會怎樣行動,儘管必須強調所有量子過程的固有不可預示性,禁止將這種安排用於逆時發送信號或以任何方式"改變"過去. 為實現有關延遲實驗所設計的一個理想安排(將用光子而不用電子)如圖4所示,這個安排是近來卡羅爾 阿勒及其同事們在馬里蘭大學所做一個實際實驗的基礎.入射到半鍍銀鏡A上的激光分成兩束,它們與楊氏實驗中穿過狹縫的兩條路徑相類似,在M鏡進一步反射,使光束改變方向後相交並分別進入光探測器1和2.按這樣安排,由1或者2探測到一個光子,就足以確定該光子是從這兩條路線中哪一條過來的. 現在,如果第二塊半鍍銀鏡B插在交匯點(見圖4),兩束光 將重新組合,它們沿圖示路線部分進入1,部分進入2.這會引起波的干涉效應,於是,進入1和2的光束強度分別與兩束光在組合點處的相對位相有關.這些位相能通過調整光程長度而改變,因此,實質上可掃描出干涉圖.特別地,可能這樣安排位相,使得互毀干涉導致進入1的光強為零,100%的光進入2.採用這種安排,此系統類似於原始的楊氏實驗,在楊氏實驗中,不可能指明任意給定的光子取道兩條路線中的哪一條(不嚴格地說,每個光子取道兩條路徑). 現在,關鍵點是第二塊半鍍銀鏡B插入還是不插入,這個決定可以推遲作出,直到一個給定的光子幾乎達到了交匯點.換句話說,光子將經由一條線路還是經由兩條路線穿過該光學系統,是僅在穿越發生之後才予確定的. 所有這一切,意味著什麼 電子,光子和其它量子物體的行為,有時似波和有時似粒子這一事實,常常引起這樣的問題:它們實際上是什麼 玻爾的晚期工作奠定了這類問題的傳統見解.他相信:他業已發現量子力學的一致解釋.通常這叫做哥本哈根解釋.這是根據丹麥的玻爾物理研究所命名的.他在1920年建立了這個研究所. 按照玻爾的觀點,詢問一個電子"實際"是什麼的問題,是沒有意義的.或者至少,當您提這個問題時,物理學家不可能給予回答.他宣稱:物理學不告訴我們世界是什麼,而是告訴我們關於世界我們能夠談論什麼,特別是,如果一個物理學家就一個量子系統作一次實驗,只要實驗裝置的全部細節為已知,那麼,物理學家便可以就他可能觀察的東西做出一個有意義的預言,從而便能以明白的語言轉告他的夥伴們. 例如,在楊氏實驗中我們有一個明確的選擇:或者我們聽任電子或光子自由自在,並觀察干涉圖;或者,我們可以窺探粒子的徑跡並洗去這個干涉圖.這兩種情況並不矛盾而是互補的. 同理,存在位置與動量的互補性.我們既可以選擇測量一個粒子的位置,這時,它的動量是不確定的;我們也可以測量動量,而把其位置信息出賣掉.每一個性質——位置與動量——構成量子物體的一個互補方面. 玻爾把這些思想上升為互補原理.例如,在波——粒二象性中,量子物體的波動性和粒子性構成其行為的互補方面.他堅持:我們決不會遇到這兩種不同行為在其中相互衝突的實驗. 玻爾思想的一個淵深的推斷就是:關於宏觀和微觀,整體和部分之間關係的傳統觀念,被根本地改變了.他宣稱:在你弄懂一個電子正在幹什麼之前,你必須指明全部實驗條件.比方說,你要測量什麼 你的儀器是怎樣組裝的 所以,微觀世界的量子實在無法擺脫地跟宏觀世界的組織纏繞在一起.換句話說,離開了同整體的關係,部分是沒有意義的.量子物理學這種整體性特徵,在東方神秘主義信徒中找到了極大的支持.神秘主義哲學包含在印度教,佛教,道教等東方宗教之中.實際上,在量子理論的早期,許多物理學家(包括薛定諤)很快就發現:部分和整體的量子概念跟東方關於自然界的統一與和諧的傳統概念,十分相似. 玻爾哲學的核心是這樣假設的,即不確定性和模糊性是量子世界所固有的,而不僅是我們對於它的不完全感知的結果.這是十分難以捉摸的問題.我們知道許多不可預言的系統:氣候變化,股票市場與賭盤輪的千變萬化,是一些極其熟悉的例子.然而,這些仍然沒有迫使我們對物理學定律做出根本性的重新估價,其原因是在日常生活中大多數事物的不可預示性,可以追蹤至這樣的事實,即:在精確預言所需細節的水平上,我們不具有足夠的信息以計算出它們的行為.比方說,在賭盤輪情形中,我們求助統計描述.同樣,在經典熱力學裡,大量分子的集體行為可以用統計力學以平均方法成功地給予描述.然而,圍繞計算平均值的漲落,在那裡不是固有不確定的,因為原則上對每一個參與分子都能給出完全的力學描述(忽略了這例子中的量子效應!). 當涉及某些動力學變數的信息被擯棄時,模糊性和不確定性這個要素就被引進到我們對系統的描述之中.然而,我們知道,這種模糊性實際上就是那些我們選定擯棄的所有變數的活動性的結果.我們可以稱它們為"隱變數",它們總是存在的,只是我們的觀察可能太粗糙,以致不能將它們揭示出來.例如,氣體壓強的量度太粗糙,以致不能揭示單個分子的運動. 為什麼我們不能將量子模糊性歸因於更深層級的隱變數呢 隱變數理論使我們能夠將量子粒子的渾沌的,表觀不確定的不羈行為描繪成是由下層級上完全決定論的力所驅動的.於是,我們似乎不能同時確定一個電子的位置和動量這一事實,可以歸因於我們儀器的粗糙本性,因為它還不能對這個更為精細的基礎層級作出探測. 愛因斯坦深信,事情必定如上所述.他相信:一個具有熟悉因果關係的經典世界,最終將處在量子瘋人院之底下.他力圖構建種種思想實驗,以檢驗這種想法,其中最精細的一個是他在1935年與B 波多爾斯基及N 羅孫合寫的一篇論文中提出的. 愛因斯坦—波多爾斯基—羅孫(EPR)實驗 這個思想實驗的目的是為了揭示對於擴展於一個大的空間域上的物理系統進行量子描述所具有的種種深刻的奇異性.此實驗要我們考慮通過同時窺視一個粒子的位置和動量,以矇騙海森伯不確定性原理.採用的計謀是使用一個同謀粒子,以實行一次取代所感興趣粒子的測量. 假設,一個單一的穩定粒子炸裂成兩個相等的碎片A與B(見圖5).海森伯不確定性原理顯然不准我們同時知道A或B的位置與動量.然而,由於作用與反作用定律(即動量守恆),對B動量的一次測量可以用來導出A的動量.同理,根據對稱性,A離開爆炸點運動的距離等於B運動的距離,所以,B的位置測量揭示了A的位置. 在B處的觀察者是自由的,他可能突然想要觀察B的動量,也可能突然想觀察它的位置,因此,按照他的選擇,他將可能知道A的動量,或者A的位置.這樣,對於A的動量或者A的位置的一次相繼觀察會給出所預言的結果. 愛因斯坦堅持:"如果不以任何方式干擾一個系統,我們可以確定地預言……一個物理量的值,那末,就存在一個物理實在要素對應於這個物理量."因此,他得出結論:在所描述的情況中,按照B處的觀察者的選擇,粒子A必定具有一個真實的動量或真實的位置. 現在,關鍵點是,如果A和B已經分開飛過非常長的路程,那麼,人們就不願假設對B實行的一次測量能夠影響A.至少,A不可能即時地直接受到影響,因為按照狹義相對論理論,物理信號或影響不可能運動得比光還快:至少在光穿過A與B之間的時間之內,A不可能知道對B實行了一次測量,原則上,這可能是10億萬年! 玻爾反覆重申他的哥本哈根哲學,以拒絕愛因斯坦的推理.這種哲學認為:量子粒子的種種微觀性質必須視為是針對著全體宏觀條件的.在EPR實驗中,一個相距很遠但關聯著的同謀粒子(它將受到測量),構成量子系統的一個不可分割的部分.雖然沒有直接信號在A與B之間穿過,按照玻爾的看法,這並不意味著當你討論A的環境時,可以忽略對B實行的測量.所以,雖然沒有實際的物理力在A與B之間傳送,它們仍儼如同謀一般在其行動中進行合作. 愛因斯坦發現,對遠離粒子中的每一個粒子作表觀獨立的測量,所給出的結果竟同謀合作得如此充分,真叫人無法接受這種關於同謀粒子的想法.他將它嘲諷為"幽靈式的超距作用".他要求客觀實在定域在每一個粒子上,就是這種定域性最終將他的思想帶進與量子力學相衝突之中.當時所需要的是一個實際的實驗檢驗,通過揭露粒子行動中的合作或幽靈式的超距作用,來對愛因斯坦和玻爾的觀點作出鑒別,但是,半個世紀之後,才有這一進展. 貝爾定理 1965年約翰 貝爾研究了二粒子量子系統,並證明了一個強有力的數學定理.這個定理對於建立一個實際的實驗檢驗,被證明是有決定性意義的.這個理論實質上跟粒子性質或作用力的細節無關,而是集中注意於支配全部測量過程的邏輯規則上.現給出後者的簡單例子:英國的一次人口調查也許不可能發現,黑人人數大於男黑人人數加上所有種族的婦女人數. 貝爾考察了對兩分離粒子同時實行測量的種種結果之間可能存在的種種關聯.這些測量可以是關於粒子的位置,動量,自旋,偏振,或其他動力學性質.許多研究人員採用了偏振作為研究EPR關聯的一種方便手段.假設角動量為零的母粒子衰變成兩個光子A和B,根據守恆定律,一個光子必具有與另一個光子相同的偏振態,這可以用垂直於粒子路徑的靜止的測量裝置,並在某共同方向(比方說向上)測量其偏振態來加以證實.事實上已發現:當粒子A通過其偏振片時,B也總是通過的,即:發現了100%的關聯.反之,如果偏振片相互垂直安配,那麼,每當A通過則B被擋阻,這時有100%的反關聯.關於這一點沒有什麼不可思議的,在通常的經典力學中,這也是正確的. 當偏振測量裝置相互傾斜放置時(見圖6),決定性的檢驗就到來了.現在我們發現會期待某種介於完全關聯和完全反關聯之間的結果,這依賴於所選用的角度,後者既可沿平行,也可垂直於粒子飛行路線方向改變,它們還可以從一次測量到另一次測量作無規的改變. 貝爾的目標是力圖找到這類測量結果能夠關聯的程度在理論上有何限制.例如,假設愛因斯坦基本上正確,量子行為真的是底層的渾沌經典作用力的產物;又按照相對論規則,假設超光速信號是禁止的.那就可以說:第一個假設通常就指的"實在性",因為它斷言量子物體在任何時候以及在確定的意義上確實具有所有動力學屬性;第二個假設稱為"定域性"假設,或有時稱為"可分性"假設.因為當物體在空間分離(即不在同一地方)時,它禁止它們之間有即時的物理影響相互作用. 在"定域實在性"的雙重假設下,進一步假定邏輯推理的常規規則不是建立在量子不確定性基石上的,貝爾對於二粒子同時被測量時其結果的可能關聯程度建立了一個嚴格限制.按照玻爾的觀點,量子力學預言:在某些環境中,合作的程度會超過貝爾的極限,即:量子力學的常規觀點要求在分離系統之間合作(或共謀)的程度超過任何"定域實在性"理論中的邏輯許可程度.這樣,貝爾定理開闢了對量子力學的基礎作出直接檢驗的通途,可在愛因斯坦的關於定域實在世界的思想與玻爾的關於充滿亞原子共謀性的某種幽靈式世界的概念之間作出判決. 阿斯派克特實驗 為了檢驗貝爾不等式,許多實驗付諸了實施,其中最有成效的是阿斯派克特,達利巴德與羅哲等人在1982年12月《物理評論快報》(Physicol Review Letters,vol.39,P.1804)上報導的. 他們的實驗是對於由鈣原子單次躍遷中同時發射的反向運動的光子對進行偏振測量.實驗布局如圖7所示. 在此圖中,用一對激光器將鈣原子束激發(即雙光子激發)至某態(S態),以充當光源.它只能通過雙光子"級聯輻射"再次衰變至原態.在光源兩邊約6米遠處各置有一個聲光開關裝置,其原理是利用水的折射率略隨壓強而變這一事實. 在此開關中,利用反向感測器建立起約25MHz的超聲駐波.安排光子以接近全內反射的臨界角碰到開關上,致使每半個聲波周期(即頻率為50MHz)可以有一次由透射條件向反射條件的轉換. 然後,無論是沿入射路徑(透射之後)出射的光子還是偏轉(通過反射)的光子,都遇到偏振片,它們會以確定的幾率透過或擋住光子,這些偏振片以不同的角度相對於光子偏振取向.於是,光子的命運由固定在這些偏振片背後的光電倍增探測器所監視,光源兩邊的裝置是一樣的. 此實驗是通過電子監視每對光子命運並評估關聯的級別而實施的.這個實驗唯一而本質的特徵是:在光子飛行途中,可以任意地更改光子的繼後路徑(即改變它們將要指向哪一個偏振片).這等價於光源每一邊的偏振片如此快地重新取向,以致信號即使以光速也沒有足夠的時間從一邊傳遞到另一邊. 開關每轉換一次大約要10納秒,這可以與光子發射壽命(5納秒)和光子的運行時間(40納秒)相比較. 實際上,開關轉換並不是嚴格無規的,在不同頻率下的駐波是獨立地產生的,除非採用最為機敏的隱變數"同謀"理論,這跟真正無規轉換之間的差別是無關緊要的. 阿斯派克特等人報導:在他們的實驗中,一次典型的實驗持續12000秒,這段時間等分為三個階段:其中之一的實驗安排如上所述;另一個是將上述實驗中的所有偏振片拆除;第三個是在S的兩旁每邊只拆除一個偏振片,這樣就可以糾正實驗結果中的系統誤差. 實在的本性 述檢驗中爭論的問題,遠不只是微觀世界的各競爭理論之間作出澄清的技術問題.這個辯論跟我們對於宇宙以及實在本性的看法有關. 量子力學問世之前,大多數西方科學家認為我們周圍的世界是獨立存在的.就是說,它是由物體(如桌子,椅子,行星,原子)組成的.這些物體就"在那裡存在著",不管我們觀察它們與否.按照這種哲學,宇宙是這種獨立存在的物體的集合,它們合在一起就構成了事物的整體.當然必須承認,我們對事物所做的任何觀察,都涉及到某種跟它的相互作用,這意味著它不可避免地會受到一種干擾.然而,這種干擾被看成只不過是對於已是一種具體的和非常確定的存在的事物進行的一種偶然微擾.實際上,對於測量某事物所產生的干擾,原則上可以被弄得任意小,而且,在任何情況中都能計及其完全細節,以致測量之後,我們可以準確地推導出被觀察的物體所發生的一切.如果這是事物真實狀態,我們就應毫不猶豫地說,在我們對物體的觀察之前和以後,物體實際具有一組完全的動力學屬性(如位置,動量,自旋和能量),於是原子和電子只不過是一些"小東西".它們與"大東西"的差別僅在於尺度的不同,在別的方面,其實在性地位沒有本質上的不同. 這個關於世界的圖象是令人信服的,因為它是一種最容易符合我們對於自然常識的理解的圖象.愛因斯坦稱它為"客觀實在",因為外部事物的實在性地位並不依賴於一個有意識的個體的觀察(試將此與我們夢中的事物作一對照,夢中事物是主觀實在性的一部分).但是,恰恰就是這個關於實在的常識觀念,玻爾運用哥本哈根解釋的哲學向它提出了挑戰. 如前所述,玻爾認為:在對某個量子物體實行一次測量之前,就把一組完全的屬性委歸於它,那是沒有意義的.因此,比方說,在光子偏振實驗中,在測量之前我們不可能確定光子具有什麼偏振態.但在測量之後,我們確實可以給該光子賦予一確定的偏振態.類似地,如果我們遇到要選擇測量粒子的位置或是動量,則不可能在測量之前就說該粒子具有這些量的特定值.如果我們決定測量位置,其結局是某粒子在某處.反之,如果我們測量動量,我們就可得到一個運動著的粒子.在前一情況里,測量完成之後,粒子就不具有動量;在後一情形中,粒子並無定域. 我們能藉助於一個簡單例子很好地說明這些思想(見圖8).考慮一個裝有單個電子的盒子.沒有觀察時,電子以相等的可能性位於盒中任何地方.因此,對應該電子的量子力學波均勻擴展於整個盒子.現假設有一塊穿不過的屏被插進此盒之中,將它分成兩個空腔室,顯然,電子僅能處在一個腔室中.然而,除非我們窺視並知道電子在哪一腔室,這個波將仍然存在於兩腔室之中.觀察將會揭示出電子位於一個具體腔室內,就在那一時刻(按量子力學規則),波突然地從空的腔室中消失了.即使那個腔室一直是封閉得嚴嚴實實的.這好像是:在觀察之前,有兩個模糊不清的電子"幽靈",分別棲居於一個腔室內,它們等待著一次這樣的觀察,這個觀察將其中一個變為"實的"電子,而同時使另一個完全消失. 上 這個例子也很好地說明了量子力學的非定域性.假設兩個腔室A和B被分離開,而且移開一個很長的距離(比方說1光年).然後,由一個觀察者檢查A,發現A包含該粒子,則即使B距離有1光年遠,B中的量子波也即時消失了,(然而必須重申:由於每次觀察的不可預言性,這種安排不可用於超光速信號傳送). 一般說來,一個量子系統將處於一個由許多(可能為無限個)迭加量子態所構成的態之中.這種迭加的一個簡單例子,如上述所給出,它涉及兩個不相連結的波圖象,每個腔室中有一個.更典型的例子為楊氏雙縫實驗,在此實驗中由兩個縫來的波實地重迭並相干. 在偏振光穿過傾斜取向偏振片的討論中,我們曾遇到這種迭加.如果入射光波跟偏振片成45°,可以將它視為互成直角偏振的兩個等強度波相干組合而成,如圖2所示.與偏振片平行的波會透過去,而另一個則被阻擋住.我們可以將包含一個與偏振片成45°偏振的光子的量子態視為兩個"幽靈"或兩個"潛光子"的迭加:平行偏振的一個得以通過偏振片;垂直偏振的另一個則不能通過.當測量最後完成時,這兩個"幽靈"中之一被提升為"實"光子,另一個則消失.假設測量表明:光子穿過偏振片,則測量前平行於偏振片的"幽"光子變成了"實"光子.但我們不能說這個光子在測量之先"實際存在".所能說的只是該系統處於兩量子態迭加之中,沒有哪一個光子具有優惠的地位. 物理學家J 惠勒喜歡打一個令人愉快的比喻,它很恰當地說明測量前量子粒子的奇特地位,這故事是20個問題遊戲的一種翻版. 然後輪到我了,第4個從房子里被打發出去,以便讓洛查 諾德巴姆的其他15個客人午餐後可以秘密協商,就一個難詞取得一致意見.我被關在門外難以置信地長.當我最後被允許進去時,我發現每個人都面帶笑容,一種逗趣或謀算的徵兆.我仍著手努力探尋那個詞:"它是動物嗎 ""不是,""它是礦物嗎 ""是的.""它是綠色的嗎 ""不是.""是白色的嗎 ""是的."這些回答來得很快.接著,答問開始變長了.真奇怪,雖然我要求朋友們答覆的只是一些"是"或"不是"的簡單問話,答疑者在回答之前還是想了又想.在"是"與"不是"之間猶豫不決.最後,我感到我正在逼近謎底了.那個詞可能就是"雲".我知道在最後的詞上我只有一次機會了.我豁出去了:"是雲嗎 "回答說:"是的."每個人都暴發出大笑.他們向我解釋說,原先並未約定一個詞,他們一致同意不統一約定一個詞,每一個人能盡其所愛回答問題——但帶有一個要求,即:他心中必須有一個可與他自己的回答,以及所有已經作出的回答相適合的詞;否則,如果我提出質問,他就輸了.因此,20個問題遊戲的這種出乎意料的變體,對於我的夥伴,如同對我一樣,是件難玩的遊戲. 這個故事的象徵是什麼呢 我們曾經相信:世界是獨立於任何觀察作用而"外在地"存在的;我們曾認為原子中的電子在每時每刻都具有確定的位置和確定的動量.當我進屋時,我認為屋內有一個確定的詞,實際上這個詞是通過我所提的問題一步一步演化出來的.就像關於電子的信息是被觀察者選中要做的實驗,即通過他放進的各種記錄設備而被帶進存在之中一樣.如果我提出過不同的問題,或依不同的次序提同樣的問題,就會以不同詞告終,正如實驗者關於電子行為會有不同描述而告終一樣.然而,我把特定詞"雲"帶進存在之中所具有的能力僅是部分的,選擇的主要部分存在於房內同伴們的"是"與"不是"的回答之中.類似地,實驗者通過選擇他要做的實驗(即他向自然將要提的問題)對電子將發生的行為具有某種實質的影響.但他知道;關於任一次給定的測量將會揭露什麼結果,關於自然會給出什麼回答,以及關於上帝擲骰子時會發生什麼,等等,存在著一種不可預示性.量子觀察的世界跟上述翻版的20個問題遊戲之間的類比是風馬牛不相及的,但它們卻有一個共同點:在遊戲中無字便是字,除非通過選擇一系列的問與答,將該字變為現實.在實際的量子世界裡,任何一種基本量子現象只有在其被記錄下來之後,才是一種現象. 因此,哥本哈根關於實在的觀點,肯定是奇特的.它意味著,一個原子,電子,或無論什麼東西,都不能說是以其名詞的完全與常規的意義而"存在"的. 這自然激發起這樣的問題:"什麼是電子 "如果它不是以其自身的資格"外在"的某種東西,為何我們能如此自信地談論電子 玻爾的哲學似乎將電子和其他量子實體降到相當抽象的境地.但是,如果我們單純地往前走,並單純地利用量子力學的規則,儼如電子是實在的一樣;那麼,我們似乎仍然得到一些正確的結果;對於一切提得正確的物理問題,(如一個原子的電子具有多少能量 )我們可以計算出答案來,並且取得與實驗相一致的結果. 涉及電子的一個典型量子計算,是計算一個原子激發態的壽命.如果我們知道原子在t1時刻被激發,那麼,量子力學能使我們計算其在以後某時刻t2不再處於激發態的幾率.因此,量子力學向我們提供了關聯兩次觀察(一次在t1時刻,另一次在t2時刻)的演算法.這裡,所謂"原子"是作為一種模型呈現出來的,它能使這個計算方法預示一個具體的結果.人們絕無可能直接在衰變過程中實地觀察到原子,關於它,我們所知道的一切都包含在對其t1和t2時刻的能量的觀察之中.顯然,除了必需為我們的實際觀察預言獲得令人滿意的結果之外,我們沒有必要就原子而假設更多的東西.由於"原子"的概念從來就是只在對它實行觀察的實踐中才會碰到,所以,人們可以堅持認為:物理學家所必須關注的只是一致地關聯各種觀察結果.為了達到這種一致性,不必把原子視為"實際存在著的"一種獨立的東西.換句話說,"原子"只不過是談論一組關聯不同觀察的數學關係的一種方便的方法而已. 世界的實在性紮根於觀察之中,這種哲學類似於所謂的邏輯實證主義.或許,它似乎不中我們的意,因為在大多數情況下,世界仍然好像它具有獨立存在性那樣行動.實際上,僅當我們目睹量子現象時,這種印象才顯得站不住腳.即使在那種情形中,許多物理學家在其實際工作中仍繼續以常規意識方式思考著微觀世界. 其原因是所使用的許多純抽象數學概念變得為人們所廣為熟悉,以致他們憑著自身的觀念來假設一種虛假的"實在"氣氛.在經典物理學中,情況也是如此.以能量概念為例,能量是一個純抽象的量,它作為一個有用的模型引進物理學中,採用這種模型我們可以縮短複雜的計算.你不可能看見或摸到能量,可是現在,能量這個詞在日常談話中竟是非常之多,以致人們認為能量是有其自身存在性的確切實體.實際上,能量只是以簡單的方式將力學過程中各種觀察聯繫在一起的一組數學關係中的一部分.玻爾的哲學啟示人們:像電子,光子或原子這些詞,應該按同樣的方式來看待——即它們是一些在我們想像中將實際上只是一組關聯各種觀察的數學關係固定起來的模型. 測量佯謬 儘管其含意奇特,玻爾的所謂量子力學哥本哈根解釋,實際上是職業物理學家們"正式的"觀點.在量子力學的實際應用中,物理學家很少需要面對任何認識論問題.只要系統地應用量子法則,理論就可辦理一切可以期待它辦理的事情!換言之,它正確地預示著實際測量的結果.歸根結蒂,這是物理學家的事業.然而,有些物理學家不滿意理論就此止步,因為似乎有一個毀滅性佯謬存在於哥本哈根解釋的深處. 玻爾觀點的核心是:一般地只在作了一次特定測量(或觀察)之後,我們才能有意義地談論單個量子系統的物理屬性.顯然,這賦予測量作用以一種嚴正而特殊的物理地位.如我們曾見到的,指明測量的內容需要具體陳述儀器的類型和定位.這意味著我們大家可以就附屬於諸如"一個蓋革計數器放置在離源2米的地方"之類的短語的意義取得一致的看法.當我們問到量子系統和宏觀儀器之間的分界線劃在何處時,麻煩就出現了.歸根結蒂,蓋革計數器本身是由原子構成的,並受量子行為支配. 按照量子力學規則,一個量子系統可按兩種十分不同的方式在時間中演化.只要該系統能夠看成是孤立的,其時間演化可以用數學家稱之為幺正算符的東西來描述.在更為物理化的術語中,幺正演化對應於這樣一種東西,假設系統的狀態由幾個相迭加的不同的波圖所組成(見圖3),則不同的分波會連續地相互干涉,產生一個複雜的變化著圖象,這類似於池塘表面的漣漪.事實上,這種量子演化的描述跟任何其他似波系統的描述是極其相似的. 對照起來,現在假設實施某種測量,效果就是戲劇性的了.突然間除了僅留下與"答案"相對應的單一波圖之外,所有其餘構成波全都消失,干涉效應停止,繼後波圖全然改變了(前面給出了一個例子).波的這種似測量演化是不可逆的,我們不可能取消它,並恢復原來複雜的波圖.數學上,這種躍遷是"非幺正的". 我們怎樣理解量子系統中的這兩種完全不同的行為模式呢 顯然,在一次測量時所出現的驟然變化,與量子系統耦合一個與之相互作用的儀器有關,它不再是孤立的了.數學家馮 諾意曼證明了:對於一個模型系統來說,這種耦合確實具有前述效應.然而,我在這裡再一次遇到測量的基本佯謬.測量儀器本身由原子構成,所以受量子行為規則的支配.實際上,我們並沒有覺察到宏觀裝置中任何量子效應,因為這種效應非常之小.儘管如此,如果量子力學是一個一致性理論,則無論儀器可能怎樣巨大,量子效應必定存在.於是,我們可以選擇將被測物體與測量儀器的耦合安排看成是一個單一的大量子系統.但是,假設這個組合系統可視為是從更大的系統中隔離出來的,則同樣的一些量子力學規則,包括幺正演化規則在內,現在就應該應用於更大的系統之中了. 為什麼這是一個問題呢 假設原來的量子系統為兩個態的迭加,例如,與偏振片成45°的偏振光的情形.在這種情形里,入射態為兩個可能的光子態的迭加,一個平行於偏振片,另一個垂直於偏振片,測量的目的是看光子是否穿過偏振片或被它擋住.測量儀器將有兩種宏觀狀態,每一個都關聯著光子的兩種偏振態.麻煩的是,根據應用於該組合系統的量子力學定律,現在此儀器變成了態的一種迭加了!誠然,如果儀器設計得正常,由這兩態重迭(即干涉)所引起的任何干涉效應會是微不足道的.但原則上,這種效應仍然存在.我們由此不得不得出結論:現在儀器本身處於不確定的邊緣狀態之中,對於電子,光子等,我們已經認可這種狀態了. 馮 諾意曼作出結論:測量裝置,僅當它本身也受到一次測量,從而激起"下定它的決心"(技術上叫做波函數縮編到某一具體的本徵態上)時,才可能被認為實際上完成了一次不可逆的測量作用.但我們現在墮入了無限的回歸,因為這第二個測量裝置本身又要求另一裝置將它"縮編"成為一個具體實在的狀態.如此等等,就有如儀器對一個系統的耦合能使量子態的幽靈似迭加入侵至實驗室中一樣!我們可以將宏觀物體置入量子迭加之中,我們能夠這樣戲劇性地展示量子理論的奇性. 薛定諤貓佯謬及更糟的情況 量子力學的奠基人之一埃爾溫 薛定諤在1935年就已經覺察到量子迭加的哲學問題怎樣可以在宏觀級上出現.他以戲劇性的手法,藉助於一個現在馳名的貓思想實驗,說明了這一問題(圖9). "一隻貓關在一鋼盒內,盒中有下述極殘忍的裝置(必須保證此裝置不受貓的直接干擾):在蓋革計數器中有一小塊輻射物質,它非常小,或許在1小時內只有一個原子衰變.在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變.如果發生衰變,計數管便放電並通過繼電器釋放一錘,擊碎一個小的氫氰酸瓶.如果人們使這整個系統自在1個小時,那麼人們會說,如果在此期間沒有原子衰變,這貓就是活的.第一次原子衰變必定會毒殺了貓". 我們自己心裡十分清楚,那隻貓是非死即活的,兩者必居其一.可是,按照量子力學規則,盒內整個系統處於兩種態的迭加之中,一態中有活貓,另一態中有死貓.但是,一個又活又死的貓,是什麼意思呢 據推測,貓自己知道它是活還是死.然而,按照馮 諾意曼的回歸推理,我們不得不作出結論:不幸的動物繼續處於一種懸而未決的死活狀態之中,直到某人窺視盒內看個究竟為止.此時,它要麼變得生氣勃勃,要麼變為即刻死亡. 如果把貓換成一個人,那麼佯謬變得更尖銳了,因為這樣一來,監禁在盒內的那位朋友會自始至終意識到他是健康與否.如果實驗員打開盒子,發現他仍是活的,那時他可以問他的朋友,在此觀察(顯然是至關重要的)之前他感覺如何.顯然,這位朋友會回答,在所有時間過程中,他絕對活著.可這跟量子力學是相矛盾的,因為量子力學堅持在盒內東西被觀察之前,那位朋友仍處在活一死迭加狀態之中. 貓佯謬摧毀了我們本可以有的如下希望,即:量子幽靈以某種方式局限於原子的陰影似的微觀世界之中;在原子領域中實在的佯謬性質與日常生活和經驗是不相關的.如果量子力學作為所有物質的一種正確描述被接受,這種希望顯然是會落空的.如果遵循量子理論的邏輯到達其最終結論,則大部分的物理宇宙,似乎要消失於陰影似的幻想之中. 愛因斯坦跟其他一些人一樣決不可能接受這種邏輯結論.他確實曾經問過,沒有人注視時,月亮是否存在 科學是一項不帶個人色彩的客觀的事業,將觀察者作為物理實在的一個關鍵要素的思想,看來與整個科學精神相矛盾.如果沒有一個"外在的"具體世界供我們實驗與揣測,全部科學不就退化為只是追逐想像的一種遊戲嗎 這麼說,測量佯謬的解答是什麼 正是為了回答這個問題,我們的採訪對象,實際上就是由於(我們將會看到)持有十分不同觀點而同大家見面了.讓我們首先考察某些一般見解. 實用主義觀點 大多數物理學家並不對量子理論的邏輯作刨根問底的追究.他們心照不宣地假設,在原子與蓋革計數器之間的某一層次上,量子物理學以某種方式"轉化成"經典物理學.在經典物理中,桌子,椅子,月亮的獨立實在性是勿庸置疑的.玻爾說過,這種變狀要求量子擾動的"一個放大的不可逆作用",這一作用導致一個宏觀可探測的結果.但是,他沒有說清楚這種作用的準確後果是什麼. 精神支配物質 觀察在量子物理學中所起的關鍵作用,必然導致有關精神與意識的本性,以及它們與物質的關係等問題.事實上,一旦對量子系統作出觀察,它的態(波函數)一般會驟然改變,這一事實聽起來就像是"精神支配物質"的思想.似乎當實驗人員剛覺察到測量結果時,改變了的心理狀態會以某種方式反饋給實驗室儀器,從而反饋給量子系統,使其也改變它的態.簡言之,物理態作用改變心理狀態,而心理狀態又反作用於物理態. 前面曾提到馮 諾意曼怎樣設計無止境的測量裝置鏈.每一個裝置都觀察著這系列中的"前一個"成員,但是沒有一個測量裝置帶來波函數的"縮編".於是,僅當牽涉到一個有意識的個體時,此鏈才會終結.只有測量結果進入某人的意識之中,量子"邊緣"態的混合體才會塌縮成具體的實在. 尤金 魏格納是一位強烈倡導這種說法的物理學家.按照魏格納的主張,在給量子態帶來驟然的不可逆變化中,精神起著基本的作用,這種變化是一次測量的特徵.僅只用自動記錄裝置,電視攝像機之類的東西來裝備實驗室是不夠的,除非有某人實際看見指針在表頭上的位置(或實際看到電視記錄),量子態仍將處於邊緣地帶之中. 在上一節里,我們看到薛定諤怎樣在他的思想實驗中僱用一隻貓的.貓是足夠複雜的宏觀系統,要把二者擇一的兩個態(活與死)戲劇性地區別開來,是不難辦到的.然而,一隻貓是否複雜到足以被視為一個觀察者,從而不可逆地改變著量子態(即"縮編波函數") 如果能如此,老鼠怎樣呢 或者蟑螂怎樣呢 變形蟲怎樣呢 意識是在什麼地方首先進入地球上複雜的生命系列之中的 前面的種種考慮是與哲學中令人惱火的精神—實體問題緊密相聯繫的.許多人曾一度信奉哲學家賴爾稱之為精神和實體(大腦)之間關係的"正統觀點",這個觀點至少可以追朔到笛卡爾.按照這個觀點,精神(或靈魂)是一種物質,是一類短暫,不可觸知的特殊物質,它不同於但耦合於構成我們身驅的可觸知物質.因此,精神是一種可能具有狀態(心理狀態)的東西,它可以由於與腦耦合(通過接受感知信息)而改變.但這不是問題的全部.腦與心靈的耦合鏈環是雙向工作的,它可以使我們將意志強加於腦,甚至強加於身體. 然而,今天許多科學家已經不歡迎這種二元論思想了,他們寧願把大腦看成是一種高度複雜,卻不神秘的電化學機器,像任何其他機器一樣,遵循著相同的物理學定律.因此,腦內部狀態應該由它的過去狀態以及任何外來感知事實的影響所決定.類似地,腦發出的信號控制著人們稱之為"行為"的東西,則完全由該時腦的內部狀態所決定. 腦的這種唯物主義描述的困難在於:它似乎把人歸結為只不過是自動機,不允許為獨立精神或自由意志留有餘地.如果每個神經脈衝都得遵循物理學定律,那麼精神怎樣侵擾它的操作呢 但是,如果精神沒有侵擾,我們怎麼會很自然地按照個人意志控制我們的身驅呢 隨著量子力學的發現,許多人(最突出的是阿瑟 愛丁頓)相信他們已經擺脫了僵局,因為量子系統是固有不確定的,一切物理系統(包括腦在內)的機械圖象被認為是虛假的.海森伯不確定性原理通常允許任意給定的物理態有許多可能的結局,不難揣測,意識或精神在決定何種可利用的結局會實際實現中有一種選擇權. 進而,想像某個腦細胞中有一個電子被調整至臨界引髮狀態,量子力學允許此電子在許多徑跡上漫遊,或許需要精神對量子骰子加一點負荷,從而促使該電子偏愛某一方向,以便引發該腦細胞,開創一串相關的電激活性連鎖反應,比方說,以舉起手臂而達高潮. 不管其誘惑力如何,藉助於量子不確定性原理,精神在世界上找到了其表達形式,這種思想實際上並沒有被認真地對待,這不只是因為腦的電激活性看來比電子更有活力.歸根結蒂,如果腦細胞是在量子水平運轉,那麼,由於極大數量電子中的任何一個都會引起各行其是的,無規則的量子漲落,因而整個腦的網路是十分脆弱的. 精神是一種能跟物質相互作用的實體的整個概念,已被賴爾批判為範疇錯誤.他把關於精神的正統觀點嘲弄為"機器中的幽靈".賴爾認為,當我們談到腦時,我們便使用著適合於某一確定描述層次的一些概念.另一方面,關於精神的討論則涉及一個完全不同的,更抽象的描述層次.它頗像英國政府與英國憲法之間的區別:前者是個體的一個具體集合;後者則是一個抽象的思想集合.賴爾爭辯說,談論精神與腦之間的交流,就像談論政府與憲法之間的交流一樣,是沒有意義的. 或許,可以在計算機的硬體和軟體概念中找到一個更適合於現代世紀的較好類比.計算機硬體起腦作用,而軟體類似於精神.我們可以無憂無慮的接受:一部計算機的輸出完全由電路定律以及輸入信息唯一地確定.我們很少問:"程序怎樣使得所有這些小電路按正確順序激發的 "然而,我們仍然運用像輸入,輸出,計算,數據,答案等概念,用軟體語言給出一個等價描述. 對計算機操作採用硬體描述和軟體描述,這對孿生描述是相互補充而不是相矛盾的.因此,這種情況極類似於具有玻爾互補原理的量子力學.當我們考慮波一粒二象性時,這種類似確實是密切的,正如我們曾經看到的,量子波實際上是我們對系統的知識的一種描述(即軟體概念),而粒子則是一塊硬體.量子力學的佯謬是:硬體描述層次與軟體描述層次以某種方式變為無法解脫地纏繞在一起.除非我們理解了機器中的幽靈,我們似乎是不會理解原子中的幽靈的. 多宇宙解釋 只要是處理有限系統,就有可能忽略跟量子測量過程相聯繫的概念問題.人們總能寄希望於同更大環境的相互作用以縮編波函數.可是,當我們考慮量子宇宙學問題時,這種推理方式就完全失效了.如果我們把量子力學運用於整個宇宙,那麼,外界測量儀器的概念就沒有意義了.除非以某種方式把精神牽連進來,那些想使量子宇宙學有意義的物理學家們,似乎不得不從量子態自身去尋找測量作用的意義,因為不再可能有外界測量裝置帶來不可逆的波函數縮編. 60年代,人們對量子宇宙學越來越感興趣,發現了許多有關時空奇異性的定理.這些奇異性很可能就是時空的邊界,在那裡,所有已知的物理學都失效了.奇異性由強引力場形成,並預料它們存在於黑洞內.人們還相信:宇宙始於一個奇異點.因為奇異性代表著物理學的完全失效.所以,有一些物理學家把它們看成是令人厭惡的病態.據猜測,奇異性或許是我們關於引力知識不完備的產物,這種知識目前不能令人滿意地把量子效應併入進來.有人爭辯,如果量子效應能夠包括進來,那麼,奇異性就可以消除.為了剔除大爆炸奇異性,我們必須使量子宇宙學具有意義. 1957年,H 埃沃雷特提出了量子力學的一個根本不同的解釋,這種解釋拆除了量子宇宙學的概念障礙.測量問題的本質,仍是理解一個處於一態或多態迭加之中的量子系統,作為一次測量結果,是怎樣驟然跳到一個具有確定的觀察量的具體態的(見圖10).前面討論的薛定諤貓實驗就是一個好例子.在那裡,量子系統可以演化為兩個非常不同的態:活貓態和死貓態.因此,量子力學概念解釋不了貓的活一死迭加態怎樣轉換成貓的非死即活態的. 按照埃沃雷特的觀點,躍遷的出現是因為宇宙分裂成了兩個拷貝,一個包含著活貓,另一個包含著死貓.兩個宇宙還包含有實驗人員的拷貝,其中每個人都認為他是唯一的.一般說來,如果一個量子系統為n個量子態迭加,則由於測量,該宇宙會分裂成n個拷貝.在大多數情況下,n為無限大.因此,我們必須承認,在任何時刻都存在著跟我們見到的這個世界並存的無限多個"平行世界".而且有無限多個多少與我們每個人一樣的個體,居住在這些世界中,這是一種怪異的思想. 在這個理論的原始說法中,假設了每發生一次測量,宇宙就分裂一次.雖然,對於什麼是一次準確測量,總是交待不清的.有時用到"似測量的相互作用"一詞,似乎甚至從普通的未被觀察的原子的躍變中也會產生分裂.布賴斯 德韋特是這樣表述的: 在每一個恆星,每一個星系中,以及在宇宙的每一個遙遠的角落裡,所發生的每一種量子躍遷,都在把地球上我們這個定域世界分裂成無數個自身的拷貝……這裡是報復性的精神分裂症. 更近期,大衛 多奇(見第六章)已將此理論略加修改,以使宇宙的數目保持固定,不存在分裂.代之以大多數宇宙起始時是完全同一的,測量發生時,才出現差別.因此,在薛定諤貓實驗中,兩個原來相同的宇宙變異了,致使在一個宇宙中貓是活的,而在另一個宇宙中貓是死的.這種新圖象的一個優點是它避免了一種錯誤印象,即:某些機械的東西在活動著,好象宇宙真的處於會分裂的情形中似的. 多宇宙論一直受到兩個主要批評. 第一個批評是,多宇宙論將十分荒誕的"超形而上學的東西"引進我們關於物理世界的描述之中.我們從來都只體驗著一個宇宙,所以僅為了解釋一個在我們這個宇宙中難以捉摸的技術特徵(波函數的縮編),而引入無限個別的宇宙,似乎是與奧卡姆剃刀原理*相違背的. 多宇宙論的支持者在其答辯中爭辯:與表述一個理論所必須假定的基本假設的數目相比,理論的"硬體"在該理論中,是比較無關緊要的.為了使乍看起來無意義的理論具有意義,量子力學的其他解釋全部都引入了一些認識論假設.然而,多宇宙論不需要作這種假設.據稱,這種解釋是從量子力學的形式規則中自動湧現出來的,無需就該理論的意義作出任何假設.沒有必要引進波函數在測量中縮編這樣一個分立的假設,根據定義,每一個供選擇的宇宙各自包含著一個可能的縮編波函數. 對多宇宙論的第二個異議是,稱它是不可能檢驗的.如果我們的意識在某一時刻被局限於一個宇宙,我們怎樣才能證實或否定所有其他宇宙的存在呢 我們將會看到:如果人們準備承認智能計算機的可能性,那麼,最後將有可能對此理論引人矚目地作出實際的檢驗. 支持只存在一個宇宙系綜的最後一個論據是:對於物理學,生物學和宇宙學中發現的許多難以對付的神秘的"巧合性","偶然事件",可以提供一種容易的說明.例如已經證明,在大尺度上,宇宙是明顯地有序化的,物質和能量以令人難以置信的方式分布著.很難解釋這種偶然的安排怎麼恰好來自於大爆炸的無規混沌之中.然而,如果多宇宙論是正確的,那麼,宇宙的這種表現上設計的組織就不神秘了.我們可以安全無恙地假設,物質和能量的一切可能的安排會在無限的宇宙系綜中的某處得到體現.僅在宇宙系統的很少很少的一些宇宙中,事物才安排得如此精密,以出現了生物,觀察者等等.因此,曾經觀察到的僅只是那個極非典型部分.簡短地說,我們的宇宙是引人注目的,因為我們靠自身的存在選擇了它. 統計解釋 在這種審視事物的方式中,物理學家放棄了一切試圖找出在單個量子測量事件中實際上所發生的事物的努力,代之以返回到完整測量集合的陳述上.量子力學正確地預示了各種測量結果的幾率,它只需注意局限於整體統計學,不存在要回答關於測量問題的情況. 可能的非議是:統計(或系綜)解釋並不解決測量問題,它只迴避了這個問題.付出的代價是不再有任何希望討論這樣的問題:在一次具體的測量發生時,實際上會發生什麼 量子勢 在試圖構建量子力學的一個隱變數的努力中,演化出來了另一種完全不同的方法,如前面所討論的,量子力學預言貝爾不等式不成立.如果這是正確的話,則要求放棄兩個物理假設中的一個.在證明貝爾不等式時,曾用過這兩個假設,其中一個是"實在性".如我們所知,玻爾的哥本哈根解釋採取了放棄這個假設的立場.另一個是"定域性"假設.粗略地說,它是指不存在以超光速傳播的物理效應. 如果擯棄定域性,那麼對於微觀世界就可能產生一種極類似於日常世界的那樣一種描述,即物體以確定的狀態,且具有完全的物理屬性,具體地獨立存在著,現在就無需模糊性了. 所要付出的代價當然是非定域效應給其自己帶來的一大堆困難了;尤其是,信號有能力返回到過去.這會給形形色色的因果佯謬開闢通途. 儘管有這些困難,有些研究人員,最突出的是大衛 玻姆與巴席爾 海利(見第八章與第九章),他們一直從事於非定域隱變數理論的研究,發明了他們稱之為"量子勢"的東西.這與諸如引力場,電磁場等力場相關聯的較為人熟悉的勢相類似,差別在於量子勢的激活性依賴於系統的整體結構.這就是說,它將測量儀器,遠處觀察者等等翻譯成信息.因此,某大範圍空間(原則上,整個宇宙)的全部物理情勢都包含在這個量子勢之中. 儘管都是全力闡述量子物理學的意義,但在關於所採用的方法上,物理學家們仍未取得一致的意見.實際上,上面給出的簡要概述,根本沒有窮盡近年來討論過的不同解釋.一個理論在半個世紀以前其基本細節多少就已經完備了,而且它已證明在實際應用中有著輝煌的成就,但它卻還沒有最終完成,這肯定是不尋常的.事情的這種狀態極大地歸因於這樣的事實,即關於量子理論基礎的討論多屬理論性的,充其量,它們只涉及"思想實驗".它所關心的範圍是如此難以試探,以致運用實際的實驗來檢驗這個理論的基礎是件極稀罕的事.由於這個原因,人們以極大的科學興趣接受了阿斯派克特的關於貝爾不等式的實驗檢驗. 第二章 阿萊恩 阿斯派克特

阿萊恩 阿斯派克特(AlainAspect)是法國奧賽的理論與應用光學研究所的一位實驗物理學家.幾年來,他和他的同事們改進了對貝爾不等式實行直接實驗檢驗的技術,1982年在物理評論快報(Phys.Rev.Lett.Vol.49,91&1804)上報導的實驗,迄今為止被認為是對量子力學基礎作出的最有決定性意義的實驗檢驗之一,而受到廣泛的稱讚,並在理論界激起了極大興趣. 你能簡單地描繪一下你是怎樣實現你的實驗的嗎 要描繪它,那是十分困難的.不過,我可以粗淺地說一說.首先我們有一個發射相關光子對的源,然後必須對這些光子中的每一個做某種困難的測量.我們實驗的主要特徵之一就是改進這個(光子)源的效能.以往研究EPR關聯的各種努力之所以導致相當不確定的結果,主要是因為所使用的源僅能產生弱信號. 你使用的是什麼源 理想的源應該是一個鈣原子:我們以一種具體方式激發這個鈣原子,然後觀察當該原子釋放能量落回到其正常未激發態時所發射的光(一對光子).其實,並非那麼簡單,因為我們不可能非常精確地捕促住一個單個的鈣原子並控制它.所以,我們運用的是原子束——在真空中運行的一串原子.然後,我們用兩束激光焦聚到原子束上,以非常精確的方式使原子激發. 這種技術在早期實驗中未曾用過嗎 沒有.但有一個例外,那就是1976年弗賴與湯姆普孫在得克薩斯做過的實驗,不過他們的實驗存在一些別的問題,而且他們的信號不太強. 但這只是一個新特點,你還引進了什麼別的特徵來改進早期的努力 依我看,這就是主要的改進了.因為一旦採用了較強的信號,我們就有可能做出更精確的測量,並且對實驗結果更自信了.我們進行過許多補充檢驗,以證實一切事情都跟量子力學所預言的相一致,然後轉向做一種新的實驗.此時我們做過相當多的精確的偏振測量.就這種意義講,我們所做的第二種實驗更接近於原始的EPR思想實驗.在這些實驗里,你必須測量光子的偏振態,其結果是"有"或"無",正1或負1.在早期實驗中以及我們的第一組實驗中,人們僅能獲得正1的結果,負1的實驗結果被丟失了.所以,為了推斷出可能的負結果,必須使用某種相當間接的推理. 所以,這裡有兩個改進:一個是能較好控制的較好源;另一個是能測量更多東西的能力 是的. 這樣一來,你也就能以一種急速的方式對光子對做實驗,以致於光子之間不能以光速或不能低於光速對話.你是怎樣做到這一點的 你這是講的第三個實驗.在這個實驗里,我們力圖確保該系統的兩個不同部分是真正相互獨立的.這是因為量子力學預言:即使兩套測量儀器相距甚遠(在我們的實驗中為15米),它對於光子對測量的結果之間還是有著非常強的關聯.在樸素的實在論圖象中,這種關聯的一種可能的理解方法,是承認這兩套測量儀器之間有某種神秘的相互作用.為了排除這種解釋,有些人堅持,如果迅速改變某些因素(如一個測量儀器的取向),那麼,由於信號不可能超光速傳播,另一個儀器便不可能對這種變化做出響應.所以,我們就做了這個實驗. 實驗的這種分割成因果不相關的兩部分區域就是所謂"愛因斯坦可分隔性"嗎 是的,有些人稱之為愛因斯坦可分隔性. 這樣一來,做完這個實驗後,從其結果你得出什麼結論呢 首先,我必須說,這第三個實驗在技術上比前一個實驗更困難.所以,這第三個實驗的結果不是那麼精確的.但只要它們真正正確,我們就可以說,其結果違反貝爾不等式.這意味著,我們不能維持保留有愛因斯坦可分隔性概念的簡單世界圖象.這是實驗結果的第一個特徵. 所以,你相信在分離區域之間可能有某種超光速的信號發生嗎 不,如果你的所謂"信號"意指存在某種真實的信息傳遞,那麼,我不認為存在一種信號.這些實驗一方面表明它們違背貝爾不等式,另一方面,它們卻又與量子力學預言很好地吻合.所以,我們認為量子力學仍然是一個非常好的理論.即使在這類實驗里,要超光速地發送任何消息或有用信息是不可能的.所以我肯定不會得出存在著超光速信號的結論.然而,如果你的意思是,在世界的某個你想要建立的圖象中,可以包含某種超光速的數學實體,那麼或許是可能的.但是你不可能用這種數學結構實際傳送超光速的信號. 這麼說,你是說我們必須根本改變大多數人所持有的樸素的實在論觀點,以說明這種不可分隔性 是的,或許如此吧.但是,我們早就了解量子力學象是一個好理論,而且量子力學與實在的樸素想像是協調的.然而,在這裡,我們業已證明:在這種極不尋常的情況里,量子力學工作得非常好,所以這必定使我們確信,我們必須真正地改變古舊的世界圖象了. 但是,有些人當然不喜歡這種思想.例如,所謂隱變數理論的整個傳統,是一種抓住樸素的實在論不放的企圖.你認為你的實驗徹底推翻了那些隱變數理論嗎 是的,雖然不只是這些實驗(還有幾個實驗導致類似的結論).然而,它們所推翻的只是以愛因斯坦的可分隔性之類的思想為基礎的隱變數理論.有些隱變數理論仍有可能保留的,例如D 玻姆的隱變數理論.但要注意,這些理論不是可分隔的;它們是非定域的.我的意思是,在這些理論中(如玻姆的),存在某種超光速的相互作用,所以,這些理論不可能被我們的實驗結果排除在外,我們不應該為此感到奇怪. 但是,你的實驗肯定排除了定域性隱變數理論 是的,肯定如此.當然,只要將來更複雜的實驗的結果保持不變. 的確.你正計劃或你知道其他小組正計劃改進你們的實驗嗎 不,我沒有這種改進的計劃,因為現在僅可能做些極小的技術改進.事實上,我們需要一個作出真正重大改進的新思想.所以,我認為對我來說,現在我的實驗足夠說明問題了. 你認為要是愛因斯坦還活著的話,他會從你的實驗結果得出什麼結論 啊,當然,我不能回答這個問題.但是我確信他肯定會就它說些十分靈活的話的. 他通常如此,真的! 第三章 約翰 貝爾

約翰 貝爾(JohnBell)是日內瓦歐洲核子研究中心(CERN)的一位理論物理學家.他在1964年提出的關鍵性定理,乃是阿斯派克特和其他一些人近來對量子力學概念基礎作出實驗檢驗的基礎.伯克利粒子物理學家亨里 斯塔普把貝爾定理說成是"意義最深遠的科學發現". 你的著名結果,即眾所周知的"貝爾不等式",顯然僅能用數學作出恰當的討論.但是,你能用通俗的語言,簡單地解釋一下嗎 它是分析這樣一種思想的推論的產物,即:在愛因斯坦,波多爾斯基與羅孫1935年集中注意的那些條件下,不應存在超距作用.這些條件導致由量子力學所預示的某種非常奇特的關聯. 所謂無超距作用,是指沒有超光速的信號傳遞嗎 是的.嚴格地說,沒有超光速傳遞的信號.不太嚴格地說,無超距作用只是意味著事物之間不存在隱聯繫. 諾貝爾獎獲得者,物理學家布賴恩 約瑟夫森,曾經把貝爾不等式說成是物理學中最重要的新進展,你對此有何看法 唷!我會說,這或許有點誇張.但是如果你主要關心的是物理學的哲學,那麼,我就可以理解他的觀點. 在不久前,已實際上有可能相當好地檢驗這個不等式了.最好的一個實驗是由巴黎的A.阿斯派克特做出的.你對其實驗結果有何看法 你認為關於物理世界的本性,這些實驗結果告訴了我們什麼 依我看,首先,人們必定說,這些結果是所預料到的.因為它們與量子力學預示相一致.量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支,很難相信它可能是錯的.儘管如此,人們還是認為,我也認為值得做這種非常具體的實驗.這種實驗把量子力學最奇特的一個特徵分離了出來.原先,我們只是信賴於旁證.量子力學從沒有錯過.但現在我們知道了,即使在這些非常苛刻的條件下,它也不會錯的. 當然,對此不太相信的是愛因斯坦.他有一句名言"上帝肯定不跟宇宙玩骰子",在這個實驗以及你的工作之後,你會說,你已相信上帝確實跟宇宙玩骰子嗎 不,不,決不!但我也願意對"上帝不玩骰子"這個問題做一番考證.人們常引用的愛因斯坦的這句話,是他在其早期生涯中說的.但是,與非決定論相比,愛因斯坦後來更關心量子力學其他方面的問題.實際上,阿斯派克特的具體實驗,正是檢驗著這些其他方面,特別是關於無超距作用的問題. 你認為這個實驗沒有告訴我們關於決定論,或非決定論或物理世界的任何事情嗎 要說它沒有告訴你什麼東西,那會扯得太遠了.我認為,很難說清哪一個實驗會告訴你任何一個孤立的概念.被實驗所檢驗的是一個完整的世界觀.如果該實驗不能證實該世界觀,而要識別正是哪一部分應該受到懷疑並必須加以修正,並非是一件容易的事情.肯定地說,這個實驗表明愛因斯坦的世界觀是站不住腳的. 是的.我要問一問:從實驗經驗的觀點,一個決定論宇宙的觀念,是否仍可能維持下去. 你知道,理解這個問題的一種方式是說世界是超決定論的.這不僅指無生命自然界是決定論的,而且,那些設想我們能選做這個實驗而不做另一實驗的實驗人員,也是決定論的.如果這樣,由這個實驗結果所產生的困難就消失了. 自由意志是一種幻覺——它使我們擺脫了危機,是嗎 是的.在分析中,自由意志被認為是名副其實的.而且,作為其結果,人們發現,實驗人員在某處的干預,必然會對遙遠的某處產生後果,這種影響不受有限光速的限制.如果實驗人員不是自由的做這種干預,如果這種干預也是預先確定的,那麼,困難就消失了. 讓我們回到實驗人員這個問題上來.它不可避免地會產生關於精神,選擇,自由意志等等問題.你真的相信精神在物理學中有著基本的作用嗎 我既不相信,也不否認.我認為:對我們來說,精神肯定是宇宙中一種非常重要的現象.把它引進現階段物理學之中是否絕對必要,我沒有把握.我認為,人們通常提到的表明必須把觀察者帶進量子理論之中的實驗事實,並未強迫我們接受那種結論.阿斯派克特實驗比其他實驗更微妙.有人說,它沿著證明精神是基本的這一方向上前進了一步,我可以理解這些人的邏輯.它肯定是我們可以探索的一種假說,但我不認為它是唯一值得探索的. 在測量與觀察者的作用問題上,你認為仍然存在佯謬嗎 是的.我相信肯定存在一些佯謬.測量與觀察者問題,就是測量在何處開始與何處終結,觀察者在何處開始與何處終結的問題.例如,考慮我的眼鏡:如果我現在把它取掉,必須把它們放在多遠,它才是物體的一部分,而不是觀察者的一部分 從視網膜通過視神經至腦的整個通道上,存在許許多多與之類似的問題.我認為:當你分析物理學家所採用的語言時(在這種語言中,物理學說的就是關於觀察的種種結果),你就會發現,物理學由於分解而升華了,它並沒有說出什麼清楚的東西. 所以,這些問題並沒有完全解決,至少不會使你滿意 絕對沒有使我滿意.阿斯派克特的實驗和愛因斯坦—波多爾斯基—羅孫的種種相關性,無助於解決這個問題,而是使它更為困難.因為,愛因斯坦的關於量子世界背後存在一個熟悉的經典世界的觀點,所依賴的是解決這種測量問題的一種方法(現在人們已不信賴)——這是一種把觀察降為物理世界中次要角色的方法. 如我所理解的,貝爾不等式以兩個假設為根基.第一個我們可以稱為客觀實在性,即外部世界的實在性,這與我們的觀察無關.第二個是定域性或不可分隔性,或沒有超光速傳遞的信號.現在,阿斯派克特實驗似乎指出:必須擯棄這兩個假設中的一個,你想保持哪一個呢 唷,你看,我實在不知道.對我來說,那不是我有什麼法寶可兜售之處,而是一個進退維谷的境地.我覺得這是一個深維谷.找出一條出路不是一件平凡的事情,這要求我們對於審視事物的方法作實質性的改變.但是,我要說,最廉價的解決辦法是返回到愛因斯坦之前的相對論之中去.那時,象洛倫茲和彭加勒那樣的人,認為存在一種"以太"(即一種優惠的參照系),但由於我們的測量儀器受到因運動而導致的畸變,以致不可能檢驗出儀器在以太中的運動來.現在,按這種方式,你可以想像存在一個優惠的參照系,在這個參照系內事物比光快,但是這樣一來,在別的一些參照系裡,它們看來不僅比光快,而且沿逆時方向進行,這只是一種光學幻覺. 唷,那看來是一種非常革命的方法! 革命的還是反動的,由你說好了.但是,它肯定是最廉價的解答.在現象的明顯洛倫茲協變性背後,存在一個更深的級,它不是洛倫茲協變的. 當然,相對論有大量實驗支持.要我們能實際返回到愛因斯坦前的立場,而又不同這些實驗中的某些結果相衝突,那是很難想像的.你認為那實際上可能嗎 唷,依我看,教科書中強調得不夠充分的就是:洛倫茲與彭加勒,拉莫爾與斐茲傑惹等人的愛因斯坦前立場是完全首尾一貫的;而且,並非與相對性理論不一致.這種存在以太並發生斐茲傑惹之長度收縮與拉莫爾時間延遲,以及作為其結果,儀器檢驗不出它相對以太的運動等觀念是完全首尾一致的觀點. 它的被拋棄,是以雅緻性為理由吧 嗯,以哲學為理由,即所謂不可觀察的東西是不存在的;也即以簡明性為理由,因為愛因斯坦發現,當我們排除掉以太概念之後,理論既更雅緻又更簡明.我認為應該把以太概念作為一種教學手段教給學生,因為我發現有許多問題,通過設想存在以太,可以更容易地獲得解決.但是,那是另一個問題了.這裡,我想回到以太概念,因為在這些EPR實驗中有這種啟示,即景象背後有某種東西比光進行得更快.如果所有的洛倫茲參照系都是等價的,這也就意味著事物在時間上可以反演. 是的,這是一個大問題. 它帶來了許多問題,如因果性佯謬等等.所以,正是為了避免那些問題,我想說:存在一個實際的因果序列,它是在以太中定義的.如洛倫茲和彭加勒所遇到的一樣,神秘性在於:這種以太在觀察水平上不會顯示出來.好象存在某種密謀:在幕後發生的事情,不允許在前台出現.這是令人極不舒服的,我同意這一評價. 我確信,愛因斯坦在九泉之下也會不安的. 絕對如此!而且那是非常具有諷刺意味的,因為給量子理論的這種解釋(這種解釋是符合愛因斯坦的反量子力學常規觀點的精神的)造成重重困難的,正是他自己的相對論. 這麼說來,概括地講,你寧願保持客觀實在性觀念,而拋棄相對論中的一條原則,即:信號不可能超光速的那一條,對嗎 是的,人們希望能夠採用世界的實在論觀點,是為了談論世界,好象它真實地存在那兒一樣,即使它沒有被觀察時也存在.我確信,在我之前世界就在這裡,在我死後,它仍在這裡,而且我相信你也是它的一部分!我相信,大多數物理學家在被哲學家推進一個角落時,都持這種觀點. 但是,我一直認為,物理學家的實踐只是創造出種種模型,用來描述我們對世界所能做的種種觀察,並把這些觀察聯繫在一起.模型的優劣,取決於它們的成功程度.我認為:我們的理論多少對於"真實地存在著的"世界,這種實在是"正確的"或"錯誤的"或"近似的"理論,等等觀念,不是非常有益的.你對此有何看法 這個問題嘛,我倒是發現這樣的觀念是有益的.這個觀念就是:實在的世界在那裡;我們的事業就是企圖發現它,做這種事的技術確實是作出模型,並看看運用這些模型能說明這個實在的世界至何種程度. 你相信可能有一個極終的理論,它是關於宇宙的"正確理論",可以準確地描述每一件事物嗎 不知道.但是,我相信將來有些理論比我們現有的更好,好就好在它們描述了宇宙的更多方面,並把宇宙的更多方面關聯在一起. 所以,你相信量子理論的現存形式,雖然在過去的50年內有如此巨大的成就,仍然是一種嘗試性的,在將來的某一階段是會被更好的理論替代的,對嗎 我完全確信:量子理論僅是一個暫時的權宜之計. 有什麼證據表明,在說明我們應該說明的每一件事物中,量子理論以何種方式說來是不成功的呢 嗯,它沒有真正地說明事物,實際上量子力學的奠基人在放棄說明的想法上是相當自傲的.他們以僅處理現象而自豪:他們拒絕考察現象背後,把這視為是人們為了與自然達成協議所不得不付出的代價.歷史的事實是:對微觀物理級上的實在世界持不可知態度的人們是非常成功的.當時那樣做是一件好事,但我不相信將來還會如此.當然,我不能提供證明這種效應的定理.如果你追溯到,比方說大衛 休謨那裡(他對人們信仰事物的推理作過仔細的分析),你就會發現:沒有好的理由使你相信太陽會明天升起,或使你相信這個節目將會永遠廣播.我們有一種習慣,即相信事物會如同它們過去頻繁出現那樣繼續重複下去.雖然,這似乎是一個好習慣,卻成了一個事實!我不能把它變成一條定理,因為我認為休謨的分析是有道理的.但我仍然相信尋找說明是一種好習慣. 所以,如果我們提前設想50年以後的情況,那時,或許有一個替代量子力學的理論.考慮到我們所談論的說明問題中不斷地出現憂慮,你能預見這種替代嗎 或許,你是否認為存在某種探索微—微觀世界的實驗(例如,在CERN能夠做的某些實驗,諸如甚高能粒子碰撞實驗),也許可以揭露出一個量子力學將會在其中失效的領域 嗯,現在你要我去猜想,對我來說,那似乎是可能的,即關於量子力學的意義的持續憂慮,會導致愈來愈複雜的實驗,這些實驗最終將發現某種有傷感情的難點.在那裡,量子力學實際上是錯誤的. 所以,阿斯派克特實驗不是檢驗這些思想所能做的最終實驗. 我認為不是,它是一個非常重要的實驗,或許它標示出人們應停下來並思考一下的點,但我肯定希望它不是終點.我認為對於量子力學意義的探究必須繼續下去,事實上,不管我們是否同意,這種探究都會繼續下去,因為許多人已為這種將會繼續下去的狀況深深迷住,不得安寧了. 我們能夠設想出別的類型實驗去作進一步的檢驗嗎 人們能夠指出現存實驗(包括阿斯派克特實驗)中的各種缺陷.嚴格地說,這些實驗並不展示種種不順心的相關性.你可發現:所使用的計數器效率太低,幾何學是低效率的,理想裝置尚未實現,以及需要從實際能做的實驗作巨大的外推才能得到結果. 所以,你能夠想像出對於現存基本裝置作種種精細化的改進,它們將會更有說服力. 你可以想像,但我不想去慫恿實驗人員僅僅繼續進行那種使計數器更為有效之類的令人難以忍受的工作.因為我本人傾向於相信計算器的效率是不重要的東西. 你對於企圖用超導和低溫去揭露宏觀標度上的某些怪誕量子效應是如何看待的 依我看,它們是沒有前途的.我想到,有一個有趣的安索尼 勒吉特分析,其結論是:在超導中所見到的各種宏觀事物與使世界的實在論觀點煩惱的那一類宏觀事物頗無關聯——實際上,它們是不相關的.人們傾向於說:"啊!超導表明宏觀量子力學",就我們在EPR關聯性中所關心的意義上講,並非如此. 你想像不出可以暴露量子力學中這些缺陷的一種更複雜的安排嗎 我不能,但願那僅僅是因為我的局限性.我認為,對於我們問題的解答很可能從後門進來;某個他本人不談論我們所關心的這些困難的人,可能會看見曙光.我喜歡的一個類比是,門開著的時候卻對著窗戶嗡嗡叫的蒼蠅.從你的問題後撤,並且作一番斟酌,那是極有益的.我們這些對於這些問題多少有點固執的人,很可能不是那些看清通道的人. 這就是科學發現中極常見的方法,是嗎 絕對如此.當然,這是一種純研究性爭論,這種爭論常常是漫無目標的. 我希望政治家們正聽著!你把量子力學的困難視為純哲學的還是解釋性的,或許你認為存在某些實際的實驗問題吧 我認為有職業性問題.就是說,我是一位職業理論物理學家,我想要做出一個明晰的理論.當我查看量子力學時,我見到它是一個髒的理論.你在書本中發現的量子力學表述形式涉及到把世界分割成一個觀察者和一個被觀察者,卻沒有告知你在什麼地方分界——例如,這個界線在我的眼鏡的哪一邊,或者,在我的視神經的哪一端分界.沒有告訴你關於觀察者和被觀察者之間的這種分界.在學生課程中你所學的東西是:為了實用的目的,在哪裡分界是無關緊要的;在精度上,這種意義不明遠遠超出了人類的檢驗能力.所以,你有一個基本意義不明確的理論.但是,這種暖昧性所涉及的小數點的位置,位於遠離人類檢驗能力所及之外. 當然,尤金 魏格納已經提出,他能在觀察者與被觀察者之間插入一個非常明確的分界線,因為他祈求精神作為多少與世界相耦合的完全分開的實體.而且他說,這就是進入解決我們所討論的種種佯謬的觀察者的精神的大門,所以,他在引進非物質性精神的概念,讓其在物理世界中佔據突出地位.對這種觀點你有同感嗎 嗯,它是一種值得探究的思想.但是,依我看,人們低估了它所具有的困難.這隻需指出:誰也沒有發展出一個超出言談水平的理論來.一旦你試圖把這種理論置於數學方程中,一旦你試圖使它們成為洛倫茲協變式,你就陷入了極大的困難之中.例如,精神與世界的其餘部分之間的相互作用怎樣出現 這種相互作用在某一時刻出現在有限空間範圍內嗎 顯然不,因為那不是洛倫茲協變概念. 你所指稱的"洛倫茲協變式"是指,對於依賴於其運動狀況的一切觀察者來說,這理論不會有首尾一貫的描述嗎 對!如果你假設精神在時間上接近於單個點,那麼,要得到這種協調一致的描述的唯一方法,就是還要假設它在空間上接近唯一的一個點. 這是一個總與精神相聯繫的很大的困難:一方面,它不可能定域在空間任何地方;另一方面,人們還要推測它在時間上是定域的. 對極了!魏格納仍然要求把精神或多或少地耦合進物理方程.迄今為止就是沒有做成,現在那只是空談罷了. 當然,量子表述形式有許許多多其他解釋,對於這些解釋又有很多爭論,其中一個是多宇宙解釋.對於它,你有何強烈的感觸嗎 贊成還是反對 是的.我強烈地反對它.但我不得不採取緩和些的說法,因為多宇宙解釋在這種具體的EPR情形中具有某種優越性,它不藉助於超光速信號就能處理遙遠處事件何以能即時地發生.就某種意義而言,如果每件事均發生,如果一切選擇(在所有平行宇宙中某處)均實現,如果直到最後,在實現的一切可能結果之間沒有作出選擇(這是一種多宇宙假說方案中所暗含的),那麼,我們就繞過了困難. 但是,它確實象一個極端古怪地繞過困難的方法. 它是極端古怪.對我來說,這足以使我厭惡它了.所有那些我們不可能看見的別的宇宙的概念,是難以叫人接受的.但是,也還有一些與其相關的技術問題.當人們研究多宇宙解釋時,常常粉飾,甚至沒有意識到這些問題.多宇宙解釋假設分岔出現的實際點就在做出測量的點.但是,做出測量的點是完全模糊的.例如,在歐洲核子研究中心,成年累月地做實驗,何日何秒做出測量並出現分岔是完全模糊的.所以,我認為,多宇宙解釋是一種啟發式簡化理論.人們對它做了許多表面功夫,並沒真正把它想透.當你試圖想透它時,它就不相干了. 嗯,這是非常有趣而坦率的看法.我們在這裡一直談論著物理學中某些相當奇怪的領域;你是怎樣對量子理論的基礎開始發生興趣的 特別是,你怎樣發現你的不等式的 當我是一個大學生的時候,就自覺意識到這樣一些問題:量子力學的明顯主體性,以及這種似乎迫使你把觀察者帶進來,但是實際上卻沒有的談話方式.從很早期階段,我就非常相信:肯定可以以某種更專業化的方式表述物理學.由於我看到比我更精明的人在這個問題上進展甚微,所以,若干年來我實際上迴避了這些問題,而從事別的一些更具體的工作.但是到了1963年,當我在日內瓦忙於其他事情的時候,在大學裡遇到了約克教授,當時他正全神貫注於這些問題.與他的討論使我決心做點事.我特別想要做的事情之一是,看一看對很久以前德布洛衣和玻姆提出的"對所有量子現象可以給出完全實在論的說明"的想法是否存在任何實際的反駁.德布洛衣在1927年就提出了他的理論,當時,以我現在看來是丟臉的一種方式,被物理學界一笑置之,因為他的論據沒有被駁倒,只是被簡單地踐踏了.1952年玻姆復甦了那個理論,但極不受重視.我認為:玻姆和德布洛衣的理論就實驗的目的而言,在所有方面都與量子力學等價,但它卻是實在論和非模稜兩可的.但是,它確實具有超距作用的明顯特徵.在該理論的方程中,你可以看到,當某一事物在某一點發生時,就立刻對整個空間產生不受光速限制的種種結果來. 在那樣的早期階段,因為不可避免地帶來種種佯謬,你就為此而煩惱嗎 德布洛衣—玻姆理論是僅為非相對論量子力學而發展的.效應的這種即時傳播,使得你試圖將其推廣到相對論情形中去所會遇到的困難明朗化了. 你很快得到了你的結果嗎 那是一個非常有功效的包羅萬象的結果,證明又是極其雅緻的.或者,你的結果是這樣的,先用它做出些試探性的步驟,再看一看通向答案的道路,然後反過來做出修飾性表述. 這有點象問我做一次測量要花多少時間的問題!做一次發現要多長時間 或許那個方程進入我的頭腦並把它寫在紙上,大約是在一個周末內所發生的事,但在以前的幾周里,我圍繞著這些方程一直在緊張地思索著,而且,在以前的歲月里,它持續地在我的腦海內.所以,實際上不能說產生這個結果花了多少時間. 第四章 約翰 惠勒

約翰 惠勒(JohnWheeler)原是普林斯頓大學的約瑟夫 亨利席座教授,現在是奧斯汀的德克薩斯州大學理論物理中心的主任.他的研究涉及核物理(曾與尼 玻爾合作),引力,同位素物理,宇宙學以及量子物理各個研究領域.近年來,對於觀察者在量子力學中的核心作用,他提出了許多挑釁性而透徹的論據. 你怎樣評價玻爾在把量子理論同我們的關於世界的普通觀念協調起來的工作中所作出的貢獻 尼 玻爾是試圖了解量子理論含義的導師.由於他的幫助,海森伯才發現了不確定性原理.就是他,在1927年底提出了互補性思想,即對於實驗情況一個方面(如一個電子的位置)的研究,自動地排除對實驗情況另一方面(如電子的動量或速度)考查的可能性. 但是,雖然玻爾的互補性思想澄清了很多對量子理論概念基礎上的爭論,但許多人在掌握其充分意義上一直有著困難.事實上,在他的意外逝世之前幾個小時,玻爾會見記者的最後錄音帶里,他還提到了一些哲學家,並對他們提出了批評.他說:"……他們不具有學習事物所至關重要的,為學習有重大意義事物所必須隨時準備好的本領,…….他們不知道它(指量子理論的互補性描述)是一種客觀描述,而且是唯一可能的客觀描述."這段話表達了他關於量子理論思想的核心. 但是,愛因斯坦肯定也想要有一個量子理論的客觀觀點,對嗎 嗯,我認為玻爾的"客觀"一詞指的是這樣一種意思,即:與正在你面前的東西打交道時經驗到的感覺,以及你正在做的測量;而不是愛因斯坦的關於在"外部"存在著的與觀察者無關的宇宙. 我明白了.或許玻爾所指稱的"客觀的"意指合理性的.按照他的觀點,量子理論的互補性描述是唯一合理性選擇,是嗎 是的,我認為是這樣的. 你對玻爾觀點的反思是什麼 我想說,他的觀點是人們可以稱得上是經過戰鬥考驗的觀點.玻爾與每一個有見解的人爭辨和討論過,因此最後我會說:關於量子理論的本性以及意義,沒有一個人比玻爾有更好的圖象了. 但是,當埃沃雷特提出他的關於量子理論的多宇宙解釋時,你立刻就改變了思想,那是為什麼 是的,埃沃雷特的量子理論解釋的思想是,把原先常用於一個電子,一個原子或一個晶體的的所謂幾率幅的波函數,換成了整個宇宙的幾率幅波函數,因為這種波函數包含觀察者自身,這就有了有趣的結果,即它沒有為改變波函數的所謂測量作用留下地位.例如,埃沃雷特的解釋意味著,當一個電子有等量的機會向左或向右運動時,波函數就分裂成宇宙的兩個分支,其中一支指示電子向左,而且觀察者還看見它向左去;而另一支則表明電子向右,且觀察者看見它向右去. 是什麼將你吸引到這個引人矚目的思想上來的 開始時,我支持這種思想,是因為它似乎代表量子理論表述形式的邏輯繼續.今天我已經改變我對於它的觀點,因為它帶來的形而上學累贅太多了.我的意思是指:每一次當你看到這事或那事在發生時,你必須設想許許多多別的宇宙,在其中將會看到別的事在發生.這使科學墮入某種神秘主義.但是,我還有一個更深的反駁,埃沃雷特解釋將現有形式的量子理論當作貨幣看待.每件事情都必須用它來說明或理解,而讓觀察者的作用成為一種次級現象.以我看來,需要找出一種不同的觀點,按照這種觀點,原始概念是從觀察中獲得意義的,再從原始概念導出量子理論的表述形式來. 所以,你認為多宇宙方法仍然可以有用 是的,我認為人們應該在軌道的兩邊工作. 但是,在此期間你是與玻爾站在一邊的. 是的,就知識的真實基本基礎而言,我不能相信:大自然象是被一個瑞士鐘錶匠兵團"組裝好了"所有的機制,方程或數學表述形式,它把時間上分離的物理事件關聯起來;我寧願相信這些事件以雜亂無章的形式交織在一起,而那些似乎是精確的方程全部出自於大數量物理學,並以統計方式表現出來(具體地說,量子理論似乎就是這樣工作的). 但是,你認為量子理論可能只是一種近似理論,可能還有更好的理論嗎 首先,讓我說:在日常經驗範圍內,量子理論是不可動搖,經得起挑戰與不可擊敗的——它是經過戰鬥考驗的.在這種意義上,它象告訴我們熱從熱物體流向冷物體的熱力學第二定律一樣.這條定律也是經過戰鬥考驗的——不可動搖,經得起挑戰與戰無不勝的.我們還知道,熱力學第二定律並不用於在時間之初寫下的任何方程,不進入任何"組裝"的機制之中——不與任何瑞士鐘錶匠兵團發生關係——而是歸結為大量事件的組合. 就是在這種意義上,我感到將來有一天量子理論也會顯示出依賴於極大數目的數學.甚至愛因斯坦(他在很多方面反對量子理論)也表示過,量子理論將會變成象熱力學那樣的觀點. 你和玻爾兩人都把量子測量看成經過某種不可逆的放大過程,從原子激活性向知識或者意義的躍遷.我們能不斷希望找到一種這躍遷怎樣準確發生的描述嗎 要找出從測量到構造知識的正確描述,依我看,是一件困難但極端重要的事業.我認為這過程應分為兩步. 第一步是玻爾如此強烈強調的基本量子現象.我試圖把他的觀點作如下表述:"任何一種基本量子現象只有在其被一檢測器放大的不可逆作用(如蓋革計數器的一響,或照相底片顆粒變黑)終止之後才是一種現象."如玻爾所說,這就是一個人對另一個人能夠以清楚的語言表述的某種東西.它把我們帶到這個問題的第二個方面,那就是把對量子現象的觀察付諸使用.α粒子在鋅硫化物屏上的一擊,會產生人眼可見的閃光.然而,如果這種閃光發生在月亮表面上,周圍沒有人使用它,所以,它在知識的構造中是沒有用的.整個問題的最神秘部分仍是:當我們把某種東西付諸使用是何時發生的 儘管哲學或許太重要了,以致不能將哲學只讓給哲學家們,但我猜想,到頭來,我們將不得不依賴於哲學界的朋友們的工作!在過去幾十年中,意義的構造——意義是什麼——一直是哲學家們研究的中心課題.在這些研究中,沒有哪一個比挪威哲學家弗勒斯達爾(多納爾德 戴維遜教授的學生,現在斯坦福大學工作)的說法,更能概括我的核心觀點了.他說,意義是對通話者有效的所有證據的聯合產物. 通話是個實質性思想.如果我看見某種東西,但我沒有確認它是夢還是真實,幾乎沒有比核對是否有別的人覺察到它並證實我的觀察能作出更好的檢驗了.這(指通話)在區別真實與夢之間是帶實質性的.但是,我們怎樣把這變成經驗的東西,則完全是另一種問題了.我認為,在這個問題上,我們可以學習偉大的遺傳學家和統計學家R.A.菲謝的論著.這要追溯到1922年,那是不確定性原理以及關於量子理論的現代觀點問世前5年,那時的知識背景是跟量子理論完全不同的.當時他正在研究人種構成——灰眼睛人口的幾率,藍眼睛人口的幾率和綜色眼睛人口的幾率.菲謝放棄了把幾率作為區分一人種與另一人種的方法,代之採用幾率的平方根,或我們稱之為幾率幅的東西.換句話說,他發現了幾率幅測量著可分辨性. 同樣,物理學家威廉 伍特斯認識到,在量子理論中存在幾率幅和在所謂希爾伯特空間(一種幾率幅圖)中兩點間的夾角表明了兩種原子分布之差別.這樣,幾率幅就為原子分布的可分辨性提供了一種量度.可分辨性肯定是建立我們稱之為知識或意義的那種東西的核心. 你說過觀察是兩步過程,請把這個問題說清楚些.你能指明觀察者是什麼意思嗎 例如,照相機算作一個觀察者嗎 這裡,我們再一次來到兩者之間的本質區分上:一方面是基本量子現象(例如底片上感光乳膠顆粒變黑);另一方面是把那種觀察(即基本量子現象)付諸使用.如果拍攝之後,甚至我看見了圖象之後,照相機毀壞了,然後隕星相繼地毀滅了我,圖片和照相機,那麼,由圖象建立意義的任務一點也沒有實現,雖然,基本量子現象本身肯定地實際上發生過一次. 不可逆放大過程的準確意思是什麼 這個過程必須有你說的兩個階段(即基本量子現象及意義的建立)嗎 我說照相機中照相乳膠顆粒變黑是不可逆的放大作用.作出撞擊的畢竟是單個光子,而顆粒則包含大量原子,所以放大因子是很大的.它肯定是不可逆的,因為顆粒不會由黑返回去變白! 很好.但是如果我們返回到測量過程的第二階段(即知識的建立),我不禁感到這頗象是量子理論的維格納解釋:從量子現象到知識或意義的躍遷依賴於有意識的觀察者的存在,對嗎 維格納說,除非進入觀察者的意識,基本的量子現象並非實在發生的.我寧可說,現象可以發生過,但沒有派上用場.只有一個觀察者把它派上用場是不夠的,你還需要一個社團. 雖然如此,你仍然把有意識的觀察者的存在作為第二階段的關鍵. 對的,雖然在這裡,"有意識的"一詞有點微妙,因為人們可以想到動物的腦是如此原始,以致它們不可能象你和我那樣完全地清醒.當某種閃光——某種基本量子現象——出現時,動物能以某種方式對它作出響應,這時,意義就產生了,那怕只涉及極低水平的意識.所以我不喜歡強調意識,即使在這個問題中它是一個重要的元素. 按照弗勒斯達爾的說法,意義是對於通話的人們可用的所有證據的聯合產物,所以重要的是通話的概念.由於動物要通話,所以建立意義並不要求使用英語! 所以,這裡有一個分界線,它是跟區分生物和非生物密不可分的,是嗎 是的,這條分界線劃在何處,是最大的難題. 確實如此.回到一個有關的主題上來.我們聽說過EPR實驗中固有的表現佯謬,量子理論佯謬本性的另一個表現似乎是在所謂延遲選擇實驗中提出的,你對這個實驗作何解釋 其核心思想可以在分束實驗中更簡明地看出.光由光源發出並射到半鍍銀鏡上,一半透過,一半被反射.這兩束光被再次帶到一起,並使其成直角相互交叉而無相互作用.沿著路線繼續下去.有兩台計數器:一台記錄沿所謂高路運行的光子"咔嚓"聲.另一台記錄沿低路運行的光子"咔嚓"聲.所以,我們似乎把光分成十分清楚地沿一路或另一路.在任何給定時刻,何台計數器"咔嚓"作響,完全是無規的.但是,我們可以在兩束光交叉的地方放置第二塊半鍍銀鏡,把兩束光帶回重合以產生干涉效應.這第二塊半鍍銀鏡能這樣放置,以至我們能使100%的入射光達到某個計數器(互助干涉),無光到達另一計數器(互毀干涉).這些干涉效應僅可用光同時沿兩條路運行而加以說明(見圖4及相關的討論). 愛因斯坦針對這種量子分裂實驗提出過異議,他說,你怎麼能說光子沿裝置的兩條路線運行呢 在沒有第二塊半鍍銀鏡的情況中,確實可以說(以蹩腳的語言)光子或沿上方路徑或沿下方路徑運行.然而,在插有第二塊半鍍銀鏡的實驗中,人們竟然還可以說(以同樣蹩腳的語言)光量子已經沿著兩條路徑運行了!關於這一點的說明,我不知道有什麼比查理斯 阿丹姆斯關於滑雪員的著名比喻更恰當了.這個滑雪員穿著一雙雪橇向一顆樹滑來,他滑過樹之後才被人看見,樹的左邊一條滑道,樹的右邊是另一條滑道,但你並沒有看見滑雪員怎樣完成這個奇蹟般的動作的! 當然,玻爾的回答是,當光同時走兩條路線時,你是在跟光的波動性打交道.這就是說,當第二塊半鍍銀鏡放入時,我們使用波動圖象;去掉第二塊半鍍銀鏡時,我們使用粒子圖象.這是互補性原理的一個例子.這裡沒有矛盾,因為自然是這樣建立的,以致我們能研究自然的一個側面,或另一個側面,而不可能同時研究兩個側面. 但是,關於這個實驗經延遲選擇改造後具有這樣的新特徵:我們可以一直等到光或光子(將去激發計數器)幾乎全部完成它的行程時,才實際選擇光子同時走兩條路線還是僅走其中一條路線.我們能夠等到最後時刻(實際上為1秒的1小部分)才決定是否放進半鍍銀鏡,因此,看來好象是由於最後瞬刻的決定,我們自己對於已經完成了其大部分工作光子的未來行為作出了影響!這似乎是違背正常的因果性原理的. 然而,實際上,我們沒有矛盾.正如玻爾所說,我們沒有權利談論光子從入射點(離開半鍍銀鏡)至記錄點的整個運行期間在幹什麼.歸根到底,任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象.我們所想像的東西如此之確定,事實上就象一條巨大的火龍.龍的尾巴是尖而清晰的(那是光子在第一塊半鍍銀鏡進入設備的地方);火龍的嘴也是十分清晰的(那是光子到達這個或那個計數器的地方).但是,在這兩處之間,我們沒有權利談論什麼. 玻爾的量子現象對於我們理解存在有何相干呢 如果我們不斷去找尋自然的一個要素以說明空間和時間,我們確實必須找到比空間和時間更深的某種東西——它本身不存在於空間和時間之中.基本量子現象(巨大的火龍)的奇異特徵,恰恰就在於此.它確實是某種帶純知識與理論特徵的東西,一種在入射點和記錄點之間沒有空間定位的一項最小信息,這就是延遲選擇實驗的意義. 此實驗實際上能實施嗎 我高興地說,在馬里蘭德大學裡的卡羅爾 阿勒及其同事們正在做這種實驗.玻爾本人以一句話談及這個事實:我們是在光子起程之前還是在它已經上路時做出決定,這在量子實驗里是無區別的.然而,實際上,實實在在地看清這一點有助於證明什麼是基本的量子現象.馬里蘭德實驗的初步結果,已經報告過,它表明,玻爾的預言真正實現了. 我想起你曾提過這個實驗的一個假設性宇宙學方案,你能告訴我們這個方案嗎 行.我們剛才談論的實驗是實驗室規模的.然而,如果我們使用象類星體那樣的光源,原則上沒有什麼可妨礙我們有5兆年的實驗範圍.幸運地,有一顆類星體偶然地以這樣一種方式位於空間之中:它的光以兩條不同的路線射向我們,這兩條路線處在一個中間星系的不同側邊,而此星系碰巧就在天空中我們觀察該類星體的同一視線上.這中間星系的引力場使兩光束彎曲,以致它們收斂於在這個地球上的一個觀察者眼睛上.這個所謂引力透鏡效應,原則上為我們提供了在宇宙學水平上做延遲實驗的一種手段,儘管在技術上做出這一實驗超出了我們的能力. 到達我們的光子是在5兆年以前——即地球上有人之前——出發的,在地球上等待在這裡,今天我們能擲骰子並在最後瞬刻決定是觀察一個干涉光子(如我們開玩笑描述的,那是沿兩條路來的光子),還是改變記錄方法,以便發現光子是由那條路來的.然而,在我們做出這一決定之時刻,光子已經完成它的部分旅程.所以,這是一個徹頭徹尾的延遲選擇. 但是,讓我插入一個起訴中止的申請.我們所不得不採用的那些詞都是錯誤的.說光子由一條路徑或另一條路徑,或兩條路徑通過,是說錯了.雖然它們圖象逼真,但這種說法僅是啟示性的,基本量子現象(巨大的火龍)僅被我們望遠鏡里計數器中不可逆的放大作用所完成.那火龍在遙遠的類星體處有其心背,就它構成我們稱之為實在的一部分而言,我們必須承認,我們自己對於形成我們總是稱之為過去的事情中是一個不可忽視的部分.過去不是實在的過去,除非它已被記錄下來.換句話說,除非它存在於現在的一個記錄之中,過去是沒有意義的或不存在的. 那意味著,作為有意識的觀察者的我們,對於宇宙的具體實在性負有責任,對嗎 這或許是不太嚴格的說法.我寧願轉向意義是通話的人們之間所交換的全部信息的聯合產物這個概念上來,這種信息又回到一群基本量子現象之中.當然,大多數基本量子現象單個地說來是能標太低以至不能被覺察到.但我們知道,許多次是或非的機會加起來就構成多少的定義.我們知道一隻手對另一隻手的壓力歸結為一隻手的原子對另一隻手原子的撞擊力.在最後分解中,每一原子的撞擊相似於一種是或非過程.所以,量子和關於意義的知識之間的路途是漫長的,胡貝爾和韋塞爾關於腦視覺系統的工作足以證明這一點. 如果我們了解人類甚至動物腦的工作,那會有助於解決量子理論和意義之間關係的問題嗎 腦的性質肯定是複雜的和具有挑戰性的主題,而且極為重要.但是,我不相信,在那裡會找到實現描述物理世界的物理要素.意義嘛,是的,意義可能依賴於我們揭開腦的細節機制. 但是,如果我們意識到腦也許不如我們習慣認為的那樣特別,那是有趣的.關於眼的演變的研究表明:與人眼相比,在別的物種中眼已獨立演變了40倍以上的歷史.就眼是思維的窗口而言,我們可以相信思維的演變也不是象我們可以想到的那樣特別. 你能預見任何更進一步的實驗以檢驗量子理論的基礎嗎 我太愚蠢,看不到任何直接的實驗或檢驗.我寧可希望我們將能夠找到從中導出量子理論的更深的概念基礎來,這個基礎一方面基於可分辨性,另一方面基於互補性.互補性限制我們發問的自由,而分辨性則澄清回答這些問題的結果.但是,具體說出這類推導的細節仍然超出我們的能力,所以,我認為進展的最大希望在概念方面(即推導方面),而不是實驗方面. 第五章 魯多爾夫 佩爾斯

魯多爾夫 佩爾斯(RudolfPeierls)於1974年退休前是牛津大學外克漢姆席座物理教授.他在量子力學方面的興趣,要追溯到他早期在索末菲爾德,海森伯,泡里指導下所從事的研究工作以及他對哥本哈根玻爾研究所的頻繁訪問.因此,半個世紀以來,他一直熟悉哥本哈根解釋,並仍然認為它是令人滿意的. 當初你是怎樣對量子力學的概念基礎發生興趣的 量子力學創立時,我是一名大學畢業生.當然那是一個令人興奮的時代:我們不僅力圖去了解怎樣使用量子力學(顯然,這是我們大家想要做的),我們還必須了解它的意義. 你受過愛因斯坦——玻爾之爭的影響嗎 現在我們把這一爭論作為一個偉大的歷史事件來研究,這中間有某些東西影響過你嗎 沒有.因為我只是在後來才知道,而不是在他們發生爭論的時候就知道的.不過,我當然確信在那場爭論中,玻爾是對的,愛因斯坦則錯了. 嗯,關於這一點我想問一問你.因為就教科書而言,它使我相信玻爾的哥本哈根解釋肯定是正統觀點.可是奇怪的是,今天似乎很難找到打算為玻爾觀點粉飾的人.你認為哥本哈根解釋仍然是正統觀點嗎 嗯,我首先反對用哥本哈根解釋這個詞. 為什麼 因為,這聽起來好像量子力學有幾種解釋.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.有許多人不喜歡這個方法,試圖去找別的什麼東西,但沒有誰找到了任何別的,卻又首尾一貫的東西.所以,當談及力學的哥本哈根解釋時,實際上就是指量子力學.因此,大多數物理學家並不使用此術語,它多為哲學家所使用. 所以,依你看,玻爾解釋是目前我們實際所能認真看待的唯一解釋,儘管有種種努力試圖尋找其他可能性.或許你能告訴我們,你所理解的哥本哈根解釋是什麼 恕我冒昧仍這樣稱呼它. 首先,我應該說,要習慣於它是有一點困難的.因為它在許多方面似乎跟我們的直覺相矛盾.例如,直覺告訴我們,如果有一個電子或某種其他粒子,總會在某處找到它具有某一特定速度.然而量子力學告訴你,必須謹慎地應用這些概念(位置和速度),因為在一個實驗情態範圍內,它們可能不一定有意義.當然我們的直覺是從這些量子效應(即這些複雜性)在日常生活中並不重要的經驗中發展起來的.這些經驗處於並非原子的尺度上.在日常生活中,有時碰到這樣的情況:似乎直觀上明顯的概念也喪失其意義.最簡單的是"上"和"下"的概念.乍看起來,這個概念有明顯的直觀意義,但當問你澳大利亞在我們的下面還是上面時,你就啞口無言了,那時,你就認識到剛才的問題是沒有答案的. 現在,量子力學時刻碰到類似的情況.因此,我們應該意識到,必須僅祈求於那些具有意義的概念,所謂有意義是指它們能與某種實際的或至少可能的實驗相關聯.這使許多想要看到實在的人煩惱.比方說,他們要說:"嗯,或許我不能觀察到電子在何處,但實際上它應該在某個地方."在這裡"實際"一詞是一個沒有明確定義的概念.依我看,關於量子理論的一切擔憂都歸因於人們使用著未定義的術語.當然,日常生活中的"實在"是十分明確的;我們座位旁的這張桌子是實在的,因為我能看見它,我能觸摸它,如果我敲打它,我會感到痛;但顯然,當你談到一個電子的實在性時,你的意思就不是這樣的了. 請讓我插一句話,請問:你是否相信,如果我們或許因為在另一間房內,沒有看見這張桌子,它是否仍然真實地在這裡呢 啊,存在呀!因為桌子的存在有多種途徑被感知.在經典物理學的日常生活尺度上,一次觀察不會明顯地干預被觀察的物體,所以,你能輕鬆地談論所有這些概念而不會遇到麻煩.但在量子力學中就不同了,因為任何觀察過程都必定涉及對於你所觀察的對象的一種干涉.因此,在談論該對象正在幹什麼時,我們必須特別指出我們觀察什麼,或者說,我們可自由地觀察什麼. 如我所理解的,玻爾對這個問題是這樣表述的:如果我們談論實在,它總是在具體實驗安排範圍之內;你必須精確地先說明你打算測什麼,以及怎樣進行測量,然後才能說到什麼東西在進行著. 對啦. 這麼說來,我們不能把一個電子看作是縮小尺度的撞球,就是說,我們不能說它具有位置或處於運動,除非實際上測量過它 對話的人在英國,英國與澳大利亞正好處於地球的對拱面——譯者注的位置或運動,對嗎 不作一次測量,我們就不能說它具有這兩個量中的任何一個,是嗎 是的,我完全同意這種說法. 當然,這使外部世界顯得相當鬼魂化,因為它似乎在外部世界展示出確定的屬性之前就要求存在有觀察者.許多人做出這樣的結論:因此精神必定在物理學中起某種基本作用,因為僅當我們談論觀察時,才能實際地談論實在.你認為精神在物理學中起著這樣的作用嗎 或者,我們能否用某種非動物裝置替代觀察者呢 不行,我們不能.你提的是一個非常有趣的問題.在量子力學中,我們總是用稱之為波函數或系統態函數來討論問題的.它是一個數學對象,表徵著我們對於系統的認識(例如,關於一個電子的知識).現在,當我們做出一次觀察時,我們必須用計及對於系統新認識的新波函數描述去替代原先的那個波函數描述,這有時稱作"波包的縮編".關於波包縮編所涉及的問題,一直存在著許多揣測. "波包的縮編"是指當作出一次觀察時,波函數所發生的突變嗎 對.現在讓我們設想實行一個實驗(即一次觀察)的方式.假設有一個裝置,由表頭指針的位置告訴你一個放射性原子是否衰變了.你可以用常規物理學描述這個裝置,但是,在你看裝置之前,有兩個可能性對應於兩種可能結果,量子力學將給出指針在一個位置或另一個位置的幾率.然後,你說,對了,應該看一看錶頭,所以用光照亮指針,但還是僅知道光從一個方向或另一個方向被反射的幾率,所以實驗繼續進行下去,直到這樣一個時刻,即當你最後意識到實驗已經給出了一個結果.這時,你可以拋棄掉一個可能性,而只保留另一個可能性. 所以,你認為意識在實在的本性中起著關鍵作用 我不知道什麼是實在. 嗯,讓我以這種方式陳述吧:設想不用人做實驗,而使用高級計算系統或像照相機那樣更質樸的某種東西.照相機在其底片上記錄指針位置的動作,能夠看成是把該放射性原子置於一種具體條件之中的波函數縮編嗎 不,不行.理由是:你當然可以用物理定律來描述照相機或計算機的動作,然而,你會發現,照相機何時曝光或者計算機何時輸入信息,仍有兩種可能性.所以,不存在波包的縮編. 這樣一來,微觀世界的幽靈放大並變成為照相機或計算機的幽靈了,是嗎 嗯,我不會稱它為幽靈. 稱它為優柔寡斷 是的,這與知識有關.你知道,量子力學是用知識描述的,而知識要求某個懂得知識的人. 但是,一台計算機能懂嗎 我說,它不懂. 所以,這似乎啟示:人類有一種稱為精神的屬性,它把我們同環境中其他東西區分開來,它對於使基本物理學有意義是絕對關鍵的,對嗎 我認為是這樣.事實上,它有一個有趣的推論,因為有人說:"好吧,假設你把觀察者包含在量子力學的或波函數的描述之中,你就可以寫下描述觀察者腦內每個細胞中每個電子運動的方程."你實際上不可能做到這一點,但原則上這些方程應該存在.在建立了波函數之後,問題便會是:這究竟表示誰的知識呢 對此,沒有簡易的答案. 沒有,我確信沒有! 我認為,擺脫困境的方法就在於:你在推理中所假定的邏輯前提,即能用物理學來描述人(或任何其他生物)的全部功能(包括他的知識及其意識)是站不住腳的.一定還有某些東西漏掉了. 就算這樣吧,你所說的觀點肯定有這樣一個棘手的問題,即:在人類以前以及推測地有任何一種觀察者之前,顯然存在一段時間.就某種意義而言,在周圍有任何一種驅除著量子理論的幽靈世界的人類之前,宇宙被認為是不實在的或不確定的,我們可以這樣看嗎 不能,因為我們現在有一些有關世界之起源的信息,從宇宙中我們的周圍可以看到以前發生過的事物的許多印跡,我們雖不能清楚地理解這一切,但這種信息在那裡.因此,我們可以利用可弄到手的信息建立起對於宇宙的一種描述. 這是一種非常有趣的思想,你在說:就某種意義而言,我們作為觀察者此時此地存在,在大爆炸之後的150億年,對那次大爆炸的實在性竟承擔責任,因為我們正在向後,考查並看到它的痕迹. 我再一次反對你所說的實在性.我不知道那是什麼.關鍵點是我沒說我們關於宇宙的思考創造著如此的宇宙;我只說,這種思考創造了一種描述.如果物理學由關於我們之所見,或可能見以及將會見的一種描述所組成,如果沒有人能有效地觀察這個系統,那麼,就不可能有描述. 這似乎有理.但是,當然,我相信愛因斯坦會強烈地反對你所說的意思,因為他相信實在就是通過我們的觀察所揭示的某種東西.關於這一點,你認為愛因斯坦完全錯了嗎 我認為如此.儘管我們大家都極其敬仰愛因斯坦,因為他在物理學中發現了許多東西.然而,我們不得不承認,他不願意使自己適應於量子力學的種種涵義.你知道,我們沒有什麼明晰的方法來定義實在性這個概念.確實,有許多有效的概念是我們無法明晰定義的,因此,實在性可以是有意義的.但是如果我們試圖維持愛因斯坦的關於作為實在的這般東西必定存在的理想,那麼,我們就將量子力學置於許許多多的邏輯麻煩之中.人們已經花費了60年左右的時間,力圖找到排除這些麻煩的方法,但他們沒有找到.對我來說,這種方法很可能是不存在的. 對於具體實在的信仰,或者對愛因斯坦所持有的客觀實在的信仰,似乎存在一股強烈的,甚至帶激情的祈求.這就是說,多少有點要把我們自己畫在畫面之外.科學家們應要求把精神或觀察者從事物中心排開,對此,我本人總覺得是難以理解的,因為對我來說,似乎要求我們處於這個中心位置上.你認為為什麼有許多物理學家在無休止地探索,以發現愛因斯坦所想像的不依賴於精神的客觀實在的某些印跡 他們這樣做,就是由於剛才講的理由,但我不認為有那麼多的物理學家耽心這個.我認為那只是一個很小的部分. 或許他們是一些喜愛發表見解的人. 他們是喜愛發表見解的.事實上,曾有人問過我,為什麼如此少的人樂于堅持和捍衛玻爾的觀點.當時我並沒有回答這個問題,但是,答案當然是有的,那就是:如果某人發表一篇文證明2+2=5,那是不會有許多數學家寫文章捍衛常規觀點的. 當然,愛因斯坦干過這樣一件事,即他想出了一個激起人們從一個新的角度看待這個問題的思想實驗.近來,由於阿斯派克特實驗及其他類似實驗的結果,我已經看到:這些概念能夠被檢驗.你認為這些實驗結果適合於所預料的圖像嗎 或者,你認為阿斯派克特實驗告訴了我們關於量子力學什麼新東西嗎 不,它們沒有!當然,有一個用實驗證明的理論預言總是好事.因為在過去,我們曾多次驚訝過.但是,這些實驗給出了與量子力學所預言的相一致的結果,這一事實沒有改變物理學.如果實驗結果與預言不一致,那麼,我們就會有實際的麻煩了,因為那時我們不得不至少放棄現存方案的某些部分.實際上,要想像出一種理論,它既能夠重新產生出量子力學的已經非常精確地驗證了的所有結果,又藉助於這麼幾個深謀的實驗,引入某種新的東西,那是十分困難的.但幸運地,那種情況沒有發生,因為實驗與量子力學一致. 曾經有人提出過各種隱變數理論的可能性,在這些理論中,人們可以把量子粒子的非決定性,看成是由於我們不能感知的一組複雜的,雜亂無章的力引起的亂蹦亂跳,非常像熱力學中由於分子轟擊所致的種種複雜力導致粒子的亂蹦亂跳.你是否認為阿斯派克特實驗已為這個理論判了死刑 或者,是否還有別的方法可以拯救這個理論 如果人們固執地反對公認的觀點,他們就能想出許多新的可能性來.但是,不與這些實驗相矛盾而又有意義的隱變數是不存在的.這已為約翰 貝爾所證明.他在確證這個問題上有著偉大的功績.在此之前,數學家馮 諾意曼曾經給出一個證明,但他作了一條實際上不必要的假設.所以,我認為答案是:這些實驗至少擺脫了所有現存的隱變數理論,但或許有人還可能提出一個與這些實驗相一致的隱變數理論來. 一種可能性是放棄定域性概念,即允許考慮某種超光速信號的可能性,以至遠離事件由於某種集體密謀可以同時地發生.我想愛因斯坦曾把這叫做"幽靈的超距作用".如果人們準備接受這種即時聯絡的可能性,那麼,我猜想,既保持實在的客觀性觀點,又保持與阿斯派克特實驗結果相一致,會是可能的. 如果你那樣做,它就變成了一個非常好笑的實在論觀點了.首先,如果真的有超光速傳送信號的可能性,那麼,當然我們的相對論就會有很大的麻煩了. 那樣一來,就有可能逆時傳遞信號,或許可能以現時會發生的所有相伴的佯謬影響著我們自己的過去. 的確如此.但是,當然,如果你想想這些新型實驗的種種推論,它們沒有為超光速地傳送信號開綠燈. 但是,如果分離的事件之間有關聯,似乎它們必須以某種方式密謀,並使對方知道什麼東西正在進行著.你能想出一個簡便的方法來說明為什麼不這樣嗎 我們所談及的原始的思想實驗,涉及具有自旋的兩個粒子.當你沿任一特定方向測定自旋時,你就得到一個確定結果——正或負.令人驚訝的是:如果測量一個粒子沿比方說豎直方向的自旋,那麼,你就可預言另一邊粒子的自旋是等值地沿豎直方向;如果你測量的是其水平分量,那麼,你就可預言另一邊粒子的水平分量.這使人認為:利用選擇是測量豎直分量還是水平分量,人們正在以某種方式改變著另一個粒子的情況.但是,事實上並非如此.當然,如果你知道一個粒子的答案,那麼,你也就知道另一個粒子以何為真了.但是,如果你作了一次關於豎直自旋或水平自旋的測量,但沒有公開答案,那麼,另一個粒子則什麼也沒有改變.因此,這不能用於傳遞信號. 你沒有控制你的具體測量的結果,所以你就不能控制另一次測量結果;你所知道的一切就是:在你作過了一次測量之後,另一個相應測量的結果就固定了. 是的.但是,你是沿這方向作測量,還是沿另一方向作測量,並不改變另一方事物的狀態.所以,沒有辦法用這個實驗來快速傳遞信號.如果你想到你的隱變數,那麼,你就得發明永遠測不到的某些變數,原則上,你永遠不可能知道這些變數的答案,它們在一長距離上聯絡著而同時卻不影響物理情態.對我來說,那似乎是一個如此無吸引力的觀點,即使你能使它與阿斯貝克特實驗相一致,我還是喜歡現在的解釋. 你持這樣一種見解,似乎是深思熟慮的.我可以把話題轉到宇宙學方面來嗎 因為現在有一股熱潮,要把量子理論應用於整個宇宙.在這裡,我們遇到了一個嚴重的解釋問題.因為如果整個宇宙是由包括觀察者在內的每一事物所組成,我們就有一個怎樣對整個宇宙的量子態作出測量的困難.你對此有何看法 我認為很清楚,這種測量是決不可能的.一個困難是:量子力學中的大多數舉例與大多數練習,都是這樣做的,即想像一個系統,並且說:"好啦!現在我們已經完全地測量了系統的態,這就是我們的出發點."技術上,那就是我們稱之為純態的東西.然而,在任何實際情況里,我們決不會碰到它.總有那麼多原則上可測量但沒有時間和精力去測定的量遺漏掉了.這類似於經典物理學中的情況,在那兒,人們很少聲稱測量了每一件可能的事物.或者,這類似於統計力學中所遇到的情況,在那兒,我們聽任許多單個分子行為的不確定性,而代之以僅考慮它們的平均行為.在宇宙中,我們也有這個問題,只是更突出罷了. 在經典物理學範圍內,有可能說,整個宇宙在幹什麼是有意義的.原理上,我們可以想像(正如拉普拉斯所做的那樣)我們具有全部粒子及其軌跡的信息,而且,就某種意義而言,預言著未來的行為.如果你試圖在量子力學中做這番事業,你就會碰到觀察者包含在其中的障礙. 嗯,你決不可能預言所有的未來行為.這是量子力學的本性所在,量子力學是非決定論的.但是,原則上,你可以寫出整個宇宙的量子力學方程,一個波動方程. 是的,人們可以這樣做.但問題是,它意味著什麼呢 僅當你能斷言初始條件,並且知道某特定時刻在微觀細節上宇宙的態是什麼,這個方程就會意味著某種東西. 但是,雖然人們不可能實際得到那種信息,人們運用宇宙波函數那怕是想一想,有意義嗎 你可以想. 但,它有意義嗎 我認為有,因為你仍然可以從它的行為導出某些與某人可能做出的原始觀察無關的結果來.這些結果將會有用.所以我認為揣測這種波函數是合理的,但是在實際中我們不能實實在在地使之實現,因為我們決不可能做出全部觀察.你說過,當你指明宇宙的波函數時,它就包羅了所有的觀察者,在那裡,我們再一次碰到生物學是否是物理學的一部分的問題.現在我們已知化學最終是物理學的一部分,生物學是否亦如此,這個尚未證明的問題,許多人傾向於假設它,但它可能不真. 你的意思是,當結構變得充分複雜時,就可能冒出新質特徵來,是嗎 當結構變成有生命時,就出現了新質特徵. 生命本身不是某種可歸結為種種原子性質的東西嗎 我認為不是任何極其神秘的東西都可以在此加以預料的,這與19世紀中物理學所發生的情況頗為相似.那時的科學家們開始是相信任何說明都得涉及一種力學機制,而且相信力學就是整個物理學.當他們碰到電磁現象時,就企圖用某種力學機制來說明這些現象.麥克斯韋甚至試著這樣做過,但是接著他意識到,其他人也意識到,這沒有什麼意思.因為電和磁本身就是物理概念,它們不與力學相矛看,它們是對力學的補充與豐富.就這同一種意義而言,我認為,除非我們以某些新的概念豐富了物理學知識,我們是不會完成生物學的基礎的.我不想說這些新概念將會是什麼. 思考過整個宇宙波函數的一些人,感到非採用量子力學的所謂多宇宙解釋不可,在這種解釋中,人們設想,一切可能的量子狀態,在某種意義上是共存的.對於這種解釋,你有什麼看法 這使事情不必要地複雜化了.既然我們無法看見其他宇宙,也永遠無法與其他宇宙聯絡,為什麼要發明它們呢 有一種思維方式,我認為其思想路線是有意義,卻是不必要地眩耀學問的.量子力學僅能從給定的初始信息做出預言,當你在作出某種觀察時,你就知道了系統的某些東西.然後,量子力學能告訴你進一步的實驗給出另一組結果的種種機遇.所以,就某種意義而言,你可以說,量子力學是一部對應於所有可能初始條件的所有可能結果的詞典.現在如果簡單地用"多宇宙"這個術語替代"詞典"這個詞,那麼,我們就與埃沃雷特以及多宇宙概念的其他倡導者們相一致了.換句話說,肯定有許多量子力學所允許的可能性,而我們通過觀察找出我們實際看見的那種可能性.按照埃沃雷特解釋的更通俗的說法:你所說的就是,你必須作出觀察,以看清你處在哪一個宇宙之中.但是,我喜歡"可能性"或"可能性詞典"等字眼,而不喜歡"多宇宙"這個辭彙. 第六章 大衛 多奇

大衛 多奇(DavidDeutsch)是德克薩斯州大學(奧斯汀)和牛頓大學天文物理系研究員.他長期對一般物理學,尤其是量子力學的概念基礎有濃厚的興趣.他在這裡為多宇宙解釋辯護. 首先,我可以請你對多宇宙解釋作扼要介紹嗎 多宇宙解釋是這樣一個想法,即存在一些平行的完全的宇宙.它們包含所有星系,所有恆星以及所有的行星,全都在相同時間以及在某種確定意義上在同一空間中存在著.這些宇宙通常是相互無聯絡的.但是,如果一點也不聯絡的話,那麼,我們假設其他宇宙的存在就不會有任何意義了.我們必須假設它們的原因是,在量子理論微觀層級的實驗中,它們事實上確有某種相互影響. 在我們探討這個問題之前,你能對下述說法的正確性作出澄清嗎 這就是:就某種意義而言,"在外部存在"有許多別的宇宙,它們與存在於我們身邊的這個宇宙非常相同,但並非通過我們自己的時間和空間跟我們這個宇宙相聯繫. 這種說法是對的. 這麼說來,這些別的宇宙在哪兒呢 如我說過的,就某種意義而言,它們就在這裡與我們共享同樣的空間和同樣的時間.但是就另一種意義而言,它們是在"別的什麼地方",因為預言它們存在的同一理論,也預言著我們僅能間接地檢驗它.我們決不能以任何大標度方式到那裡去,或與它們聯絡. 既然如此,我們為什麼要相信這樣一種怪誕建議呢 我想,第一個原因是對多宇宙作出預言的理論是量子理論的一種最簡單的解釋,而我們相信量子理論,則是因為它的巨大實驗成功.實際上,量子理論是歷史上最成功的物理學理論. 你說它是量子理論的最簡單解釋,但對我來說,它似乎像一種非常複雜的解釋,或至少是一種涉及某些古怪概念的解釋.在什麼意義上說它是最簡單的 說它是最簡單不過的,理由就在於:除了那些正確預言實驗結果的東西之外,它所涉及的補充假設是最少的.物理學中所有的理論都預言某些可由直接實驗控制的東西,或某些不能直接由實驗控制的東西.例如,我們的恆星理論預言著人們可測量的東西,如它們閃耀多亮,以及它們什麼時候成為超星.但是,恆星理論也預言諸如恆星中心的溫度之類的東西,這些我們是無法直接測量的.我們相信這些理論,包括相信它們的那些不可能觀察的預言,因為它們是在一個首尾一貫的物理學理論框架內,說明我們所觀察到的事物的最簡單方法. 現在,量子理論的其他解釋也涉及到關於實在的相當不直觀的假設.在有些假設中,物理實在的本性有賴於意識(人類意識),除非被觀察,就無所謂存在.在我看來,這是比平行宇宙的概念奇特得多,實際上不可接受的理論推論. 所以,平行宇宙是廉價的假設,昂貴的宇宙*. 完全正確.在物理學中我們總是企圖做些假設上便宜的事情. 有多少個別的宇宙 準確的數目由我們尚未充分知曉的物理學理論的細節決定.我認為,穩妥地說,有非常大量的或許是無限多個這樣的宇宙.其中許多與我們的宇宙非常不同,但有些只有某種細節上的差別(就象書在桌上的位置不同一樣),而在其他各個方面則完全是一樣的. 關於這些宇宙的來歷你能說些什麼嗎 它們永遠存在,抑或數目上有增或有減 我最喜歡這樣看待這個問題:它們的數目很多而且這個數目為一常數,即總有同樣多個宇宙.在可能有多種結局的一種選擇或決定做出之前,所有的宇宙均相同,但當選擇做出時,它們就分成兩群.在一群中發生一種結局,在另一群中發生另一種結局.從那以後,這兩群宇宙之間通常就不相互影響了.但是,如我說過的,偶爾地,它們是會有影響的. 有時說,多宇宙解釋也是一種分支宇宙解釋,即是說,當世界面臨一種量子選擇時,它就分裂成它可能變通的一切不同的狀態.你的觀點是否略有不同 是的.1957年當H 埃沃雷特首先提出這種解釋時,他就是使用這種說法,他說的是分支宇宙.因為如果有一個全同宇宙集的話,他寧願把它說成是一個宇宙.他認為既然這些宇宙全同,而且保持全同,那麼,把它們說成是"許多",那是沒有什麼意思的——這些宇宙不過是描述唯一一個宇宙的不同方式而已.所以,當我說宇宙把自身分成兩群時,埃沃雷特就說,一個宇宙分裂成兩個宇 *意指:假設數目少,宇宙數目多——譯者注.宙.我談這個問題的方式是說,總有相同數目的宇宙,而且它們反覆分隔自身. 隨著時間的推移,這些宇宙越來越不相同;我們能設想它們多少是平行地存在的,數目不變但內容在變.對嗎 對的.它們的複雜性在變化著.這種複雜性的增加是熱力學第二定律在量子理論中的反映.熱力學第二定律說熵總是增加的,或者說,存在時間的"向前箭矢". 我不願爭論這個.但令我迷惑的是:量子力學的基礎結構是關於時間反演對稱的,我不明白為什麼我們正談著的種種變化應在時間的某個優惠方向發生.我們不可以發現等量的其他宇宙,在那裡,複雜性是隨時間減少的嗎 在量子理論的埃沃雷特表述中,確確實實允許宇宙的合併(用他的舊說法)或者再次變得全同(用我喜歡的說法).理論上沒有先驗的道理說它們不應該這樣,而應該向著未來分化.或者實際上它們為什麼不應該以無規的方式選擇這兩種發展方式的一種.在宇宙的分化為何應該有優惠的時間向前方向與在所有物理學分支中解釋為何有個時間箭矢屬於同一個問題. 在你的理論中,這個問題沒有解決吧 沒有.我相信,在量子理論中存在一些有希望導致解決這個問題的研究途徑.但記住,這是存在於物理學每個分支中的同一問題,它既未被埃沃雷特解釋所直接解決,也未被迄今為止的別的什麼解釋所解決.我應該補充說,各宇宙在小尺度上的彙集是確確實實發生的,而且在效果上觀察到了這種彙集,因為每有一次干涉實驗,就有一次彙集,這為兩群宇宙的合二而一提供了間接證據. 這聽起來似乎是令人吃驚的陳述.你能舉出一個你認為是觀察到了兩個宇宙融合在一起的精確例子嗎 可以.光學的經典楊氏雙縫實驗就是一例.人們所做的就是令非常弱的光束通過雙縫(今天,用其他粒子也可以做到),每次一個光子以這樣一種方式通過雙縫,即光子的某些性質會由於它分別只穿過其中一縫而受到破壞.就是說,如果光子穿過一條縫,那麼,儲存在光子中的某些信息就被毀掉了;如果光子穿過另一縫,這信息同樣也被毀掉了.按照量子理論,這個粒子的某個方面(即波函數)同時穿過雙縫,而且信息是不丟失的.這就使人們想起一個古老的爭論:光的本性是微粒的還是似波的 我們現在所談的實驗展示出"光子的似波性質",然而,如果人們靠近每條縫各放置一隻檢測器,那麼,人們總可以100%地檢測到不是從這個縫出來就是從另一個縫出來的光子.但是,正是檢測器的存在,妨礙了人們成功地操作那個本會檢驗出運動的似波性質的裝置.現在,埃沃雷特對這個問題是這樣解釋的:似波運動的觀察結果告訴我們,在早先的時刻有兩群宇宙(即在一群宇宙中光子穿過一縫,在另一群宇宙中,光子穿過另一縫),但後來,這些光子在同一位置出現,自那以後,所有的宇宙又是一樣的了. 讓我們正確地理解這一點.我們奉獻出一個粒子,它可以選擇穿過這一縫或那一縫,在埃沃雷特解釋中,這些表徵著兩個完全分離的世界.但是,如果我們允許這系統把兩路徑帶回來而相互重迭,那麼,這似乎是把兩個世界合二而一了. 對了!當人們後來觀察合併後的光子時,它具有這樣的一些性質,它們把光具有被指定穿過這一縫還是那一縫的可能性勾銷掉了. 所以,這樣一來,我們所談論的這些世界,雖不是我們的空間和時間的一部分,似乎仍然可以在原子層級上對話.不斷地去探索這些別的宇宙的設想是可能的嗎 我們能夠永遠地有關它們(即使在原子層級上)的信息嗎 我們能夠考查原子的種種性質從而發現那些別的宇宙的任何東西嗎 就有限範圍來說,我們可以辦到.我們能夠檢驗其他宇宙存在的唯一實驗就是間接實驗,這跟通過考查太陽表面5千度溫度來檢測太陽1千6百萬度的內部溫度很相似.換句話說,我們的方法是由我們的理論來檢測它. 至於探查這些別的世界,我們現有的理論指出,那是不可能的.我們不可能比直接走進過去或將來更能走進它們. 但是,這些其他宇宙仍然有看來非常像你和我一樣的居民,是嗎 這正如過去與未來的情況一樣.事實上,當 佩吉和威廉 伍特斯近來探索了過去和將來的"不同宇宙"以及與我們現在並存的不同宇宙之間的這種聯繫,並在一個統一的數學基礎上描述了這些宇宙.研究表明,過去和將來都恰好是埃沃雷特的其他宇宙的特殊情況. 但是,走進過去會涉及某類佯謬(即因果佯謬),在這些平行宇宙中,也許充滿了這類佯謬.人們可以設想進到別的一個宇宙中去,並跟好像是自身的另一拷貝相會.但它不會嚴格地成為自身,因為它會略有不同.而且,你可以改變這樣一種宇宙的未來事件,而當你返回到自己的宇宙中時,不會跟自己宇宙中你自己的未來相矛盾.實際上,它並不能使你逃脫某些著名的科學小說家喜歡的時間旅行佯謬,對嗎 如果量子理論略為不同,就會是這樣.量子理論以其現在的形式不允許這樣的原因在於,恰如在某種意義上過去引起現在發生什麼,現在又引起將來發生什麼一樣,不同的平行宇宙是被它們是一個公共的物理實體的一部分而關聯在一起的.物理實在就是糾纏在一起的所有宇宙的集合,就像一台機器中齒輪套住齒輪,你不可能動一個而不動其他.所以,平行宇宙就像過去宇宙和未來宇宙那樣無法解脫地關聯著的. 如果你到另一個宇宙中去,並攀上一個懸崖,那麼,在你自己的宇宙內就會有一個反響.對嗎 對的. 所以,它可能比我們在這些時間旅遊佯謬中所想像的更複雜,是嗎 是的.當然,人們可以揣測,對量子理論作點修改,就可以進入過去或現存的別的宇宙之中.但由於量子理論是我們完全相信這些宇宙的唯一理由,若只是為了宇宙以稍微不同的方式行事,或者甚至以比它們已有的更為奇妙的方法行事,就要去改變數子理論,這似乎是發瘋了. 你已經部分地說明了多宇宙解釋對你的誘惑力.但是依你之見,量子力學的標準哥本哈根解釋有什麼錯嗎 我已經說過,埃沃雷特解釋在形式意義上更為自然.但關於採用埃沃雷特解釋的最好物理理由在量子宇宙學之中.在那裡,人們企圖對作為整體的宇宙運用量子理論,即把宇宙看成由大爆炸開始的動力學實體,而後演化成星系等等,這樣一來,當人們試圖(例如,通過考察教科書)詢問量子理論中的符號是什麼意思時,人們怎樣用宇宙的波函數以及量子理論中的其他數學實體去描述實在呢 教科書中是這樣寫的:"這些數學實體的意義如下:首先考慮在所考查的量子系統之外的一個觀察者……."接著,人們不得不作短暫停留.假定在我們談論一個實驗室時,一個外部的觀察者是全部正常的,即我們可以想像,一個坐在實驗室裝置之外的觀察者正在考查它.但是,當實驗裝置——它是用量子理論加以描述的——是整個宇宙時,這跟想像一個坐在它之外的觀察者,在邏輯上不是首尾一貫的.因此,標準解釋失效了.它完全不能用來描述量子宇宙學.即使我們知道怎樣寫下量子宇宙學理論(順便說一句,這是十分困難的).在別的解釋中比埃沃雷特解釋更難於在字面上理解理論中符號的意義. 以我改變自己關於量子理論解釋的觀點的經驗,物理學家們最後確信除多宇宙解釋別無他途,往往是發生在他們開始考慮量子宇宙學之時. 如果我們處理量子宇宙學,常規解釋就陷入了麻煩,但採用多宇宙,我們就有一種解釋,它似乎是適合於正規量子宇宙學問題.並要千方百計地解決它的.至少在原則上它給予我們能夠談論整個宇宙量子行為的一種首尾一致方法.因此,它開闢了這樣的前景,即把量子力學正正經經地看作是宇宙的確實存在的一種解釋,就是說,把整個宇宙的出現說成是某種量子現象.你認為這對嗎 是的,雖然,我必須強調,與我已說過的其他大多數事物不一樣,這是推測(在我看來,我說過的別的事物不是推測).我認為正如運用埃沃雷特解釋的分岔結構,有一種很強的理解熱力學第二定律的可能性一樣,也有一個理解關於宇宙整體存在問題的某種東西的可能性. 這樣一來,在多宇宙解釋中,人們似乎緊緊抓住了關於客觀實在的某些印跡,雖然它是一種多重實在. 是的,這是它的主要優點之一. 然而,不必引入任何諸如意識,精神等主觀因素.關於一個觀察者實際上是什麼的問題,這個理論一點東西也沒有說嗎 沒有.埃沃雷特解釋的另一優點就是它不必在理論的框架內提出觀察者的工作模型.就是說沒有必要精細陳述什麼是觀察者與任何其他物理系統之間的區別.順便說一說,多宇宙解釋使人們弄明白了的一個問題是關於測量的涵義.測量理論中有許多用埃沃雷特解釋更易於處理的問題.但跟什麼是意識相比,那是一些直接了當的事情.我把它看成是埃沃雷特解釋的優點之一,對此沒有什麼可以說的了.即使在我們具有什麼是意識的全部準確知識之前,多宇宙解釋就有功效了.而量子力學的其他解釋則不然,如果我們不預先理解意識,它們是不會正當地發生功效的. 但是,當然!對於許多人來說,量子力學為人們所喜愛的優點之一,恰恰是它把觀察者放回到舞台中心.它以非凡的方式涉及到在宇宙運轉中的精神,他們喜歡這一點,是因為精神具有一定的神秘功效.你在把精神從宇宙中驅逐掉,或者,至少你使它不成為宇宙運轉所必不可少的東西. 是的.這是一種有趣的爭論.實際上,我想以另一種方式表達此事.我認為,是尋常解釋把精神從物理實在王國中驅逐掉了. 為什麼你這樣說 因為,在他們當中,精神被假設遵從不同於其餘實在的物理定律.其次,在所有我所知道的尋常解釋觀點中,精神這種新屬性——這種新的神秘性質——的準確本性是沒有詳細說明的.或許有一天,人們會找到一些新的描述精神的定律,它們恰好就是量子理論的尋常解釋在工作,這是一種希望而不是一種理論!在埃沃雷特解釋里,物理學的現存定律被假定合適地描述了精神.在沒有發現矛盾之前,我們完全有理由相信這一點.只有在埃沃雷特解釋里,觀察者才被看成是他所測量著的宇宙的一個固有部分. 但是,他在那裡似乎是受騙了,他對於決定實在不起作用. 在決定實在中,他不比任何其他物理系統起更特殊的作用. 所以,它無助於我們理解意識是什麼 我們只能說,腦比單原子更複雜,由於某些未知的原因,它們將意識賦予宇宙. 對!但是,如果跟埃沃雷特解釋相競爭的那些解釋,不提供那些知識,卻又要求這些知識,我確實不明白,這怎麼會是一個優點. 我認為,或許它僅優於神秘性.所以,你聽我說.當然人們可以簡單地說,在與世界(至少是物理世界)打交道中,我們之所有,就是觀察.我們能做實驗,做測量,並試圖把它們與一種模型聯繫起來.量子力學向我們提供了一種出色的關聯觀察結果的模型:我們可以把它看成一種演算法,一種把我們觀察的所有事物聯繫在一起的方法,而且它工作得非常好.所以,為什麼我們需要關於多宇宙的這些精心設計的思想呢 我們不能恰只取用量子理論的表面價值嗎 把理論純粹解釋成預言實驗結果的工具,而不把它看成客觀實在的真實描述的缺點在於:這種觀點會麻痹理論的未來進程.我可以從早期物理學中舉出一個類似的例子.當伽利略通過徹底調查被迫放棄他關於地球繞太陽運動以及由此引起光在天空中表觀運動的理論時,人們只要求他走一半路,誰也沒有要求他走完全程,說他的理論是偽理論.雖然他的理論對預言亮點在天空中位置是一個好演算法,他們要求他不應走得太遠,說這些亮斑是由如同空間中輻射物質實體一樣的實際客觀存在的東西引起的. 是嗎 我懷疑這兩種方法之間是否真有區別.在我看來,在現代物理學中,它們根本沒有什麼區別.例如,人們習慣性地談論虛光子——它們真的在那兒,抑或實際上不在那兒 我認為這個問題沒有任何意義.在我看來,我們的全部所有就是一種計算不同觀察結果的方法.談論虛粒子是否真的在那兒,是一件徒勞無益的事. 是的.這是關於"真的在那兒"這個辭彙的一個略不相同的含意.我們是否把虛光子描述為在普通時空中存在的粒子,波或其他東西,只不過是一件把物理知識翻譯為普通的日常語言的難事.但我認為,我們必須說有某種東西確實在那裡.讓我再回到伽利略例子上去:如果當時別的物理學家真的願意接受認為伽利略的理論只不過是一種預言天空中光斑位置的演算法的思想,那麼,從伽利略理論向著牛頓理論的進展就會停滯下來.因為雖然牛頓理論是超越伽利略實際理論的堅實而直觀的一步,但它與古老的天體理論是根本不可比的.如果牛頓滿足於停留在天球的舊本體論上,他決不可能表述自己的理論,即使是作為一種"工具"或"演算法"來表述也不成. 我有雙重理由把量子理論看成是對實在的描述,首先是因為它就是我們之所以需要該理論的目的;其次是它若不如此,就不可避免地會廢棄物理學的進程. 我沒有完全被說服.因為畢竟人們可以宣稱:電磁場只不過是一種發明,只不過是一個辭彙,它不真的就在那裡,然而,這卻沒有阻礙電磁學的進程. 我認為你又一次以兩種不同的意義使用著"真的在那裡"這個詞語.當我們說到電磁場(例如,無線電傳輸)時,我們習慣上用來描述這個問題的語言是關於這些波真的在那兒的語言,我們說它們從傳送器發出,在接收器被接收.事實上,不以這樣的方式而重新表述經典電磁理論是很困難的,儘管那是有可能的,即人們可以只談論電子在接收器和傳送器中的運動,而不談在它們之間什麼傳送著影響.但是,這是一種錯誤說法,因為如果在麥克斯韋時代我們強迫自己進入這種考查世界的道路,那麼,場論的後繼發展(例如,能密度歸因於場自身)以及後來的量子場論都將是不可能的. 但是,場仍然是一種抽象的結構,不是嗎 它肯定是一種抽象結構,但當一個物理理論說它與某種實在的東西相對應時,它就在物理學中獲得一席之地.至於它所對應的這種實際東西,貼上什麼標籤,則是一個次要的問題. 但無疑地,在我們能夠信賴的關於實在的任何模型中,最終都返回到我們的觀察上來,對嗎 無論人們可以發明什麼複雜抽象的機制去談論擾動的傳播以及關聯在一起的影響,人們與實在的接觸才是唯一可接受的終點(即觀察者).我的意思是,我們最終會回到我們的觀察,而且,那就是我們所得到的一切,不是嗎 為什麼我們還要求更多的東西呢 我不這樣看.要是觀察真的是我們"最終"的全部所有,我不相信我們甚至還有觀察.我們實際觀察事物的方法是經由理論與實驗之間的親密關係.我們需要這二者.歸根結蒂,我們的感覺器官就是確定的一些理論的物質性具體表現;我們眼睛是一定的光學理論,一定的顏色理論和三維空間的具體表現.說這些只不過是理論可以這樣表達,即說它們中某些是錯誤的(比方說,闡明眼功能的有些理論實際上是錯誤的理論).而當我們看物體時,並不僅僅依賴感官感覺;否則,我們決不會發現有兩類綠光,一是直接為綠,另一類是藍與黃的混合. 是的,但我們只能通過技術擴大我們的能力範圍,才能發現它們. 對極了.我們是通過理論與觀察的一種組合,去擴展我們關於世界的知識而找出它們的,決不是僅通過觀察,也決不是僅通過理論,就可發現它們. 嗯,雖然多宇宙理論或許有趣,它或許只是一種談論世界的方法吧 抑或,它能實際被檢驗嗎 你說過,我們不可能訪問別的宇宙,但我們能設計一種實驗以證明它們確實存在嗎 當埃沃雷特首次提出他的解釋時,他相信,它是一種純粹的技術性詞意中的解釋.換句話說,量子理論的物理預示在他的系統中與任何其他系統中是精確一致的.現在,我認為並非如此.近年來,我已做過一些工作,試圖精心做出埃沃雷特解釋與尋常解釋之間的準確實驗差別來.現在我不得不在"解釋"二字上加個引號,因為我相信實際上存在不同形式的量子理論結構. 所以,我們不是在談論對於同一理論的兩種不同考查方法,而是在談兩種完全不同的理論,是嗎 是的.當我意識到,在數學水平上,兩種表述形式事實上略不相同,因而原則上有希望建立起一個判據性實驗檢驗,於是我就試圖想出檢驗辦法來.這當中的最大困難是,常規解釋是如此鬆散而不精確,以致很難準確地確定什麼是它們的預言!然而,我最後達到了這樣的信念,即一切尋常解釋的共同核心就在於:它們都說,至少在測量結果進入觀察者的意識那一時刻,波函數會發生縮編(不論在尋常解釋的不同說法中,把這種不可逆的信息損失稱作什麼).另外,從實驗知道,只要信息仍然保留在一個仍能展示原子干涉的亞原子系統之中,這種縮編就仍未發生.所以,必定假定縮編是發生於原子層級和觀察者感覺到它的那一時刻之間的某一點,在哪兒 我們不知道.其所以不知道,是因為在這個問題上尋常解釋是曖昧模糊的.現在,在埃沃雷特圖象中,波函數的這種縮編被描述為除一個之外的所有宇宙的突然消失. 但是,當然!那並沒有發生 嗯,我們確信那事並不發生,但我們要有一個檢驗它發生與否的實驗.實驗的原理如下:我們先找到一種情態,在其中尋常解釋預言一切別的宇宙將突然消失,而埃沃雷特解釋則預言它們不消失,而是平行地存在著;然後,我們再在一種干涉實驗中找到它們繼後的相互作用的某些可觀察的結果.如果埃沃雷特解釋是正確的,我們就會觀察到另一種結果,就這麼簡單! 不幸地是,這個實驗要求觀察一個觀察者的兩種不同的記憶狀態之間的干涉效應.其所以它應是一個觀察者的,而不是任何一個舊物理系統的記憶,那不是埃沃雷特解釋的過錯,只是尋常解釋需要特別參考不同的觀察者.這些解釋與埃沃雷特解釋不同之處在於:它們說觀察者遵從不同的物理定律;而埃沃雷特說他們遵從相同的物理定律.所以,我們期望判決實驗會發生在觀察者腦內具有量子效應的地方. 我們正在談論量子記憶,是嗎 我們正談論著量子記憶,或許是談論電子人工智慧. 這是因為我們自己的腦實際上在經典水平,而不是在量子水平上工作,對嗎 對,迄今為止,就我們所知是如此.有一些理論認為腦不是這樣工作的.但是,不論是還是非,要在這種精細水平上控制人腦的功能,似乎是不可能的.相反,當涉及到電子元件時,那已經是使用它們的某些量子性質的共同地方了.每一塊微集成電路都按那些原理工作著,但是,對於干涉現象來說,即使現在的集成塊也太粗糙了,以致不能在它們中觀察到. 但我們可以設計製造出某種具有量子水平記憶的人工超腦,並要求它為我們實行這種實驗,告訴我們,它感覺到什麼. 對!它可以按我們喜歡的任何方式記錄這個實驗的種種結果,它可以把結果寫下來,也可以把結果告訴我們.量子理論與其競爭者之間的差別(頗象阿斯派克特實驗情形中那樣)不是一個小的百分比之差,而是全對或全錯之差.在我描述的實驗中,人們將觀察,確定原子的自旋,如果自旋指向一個方向,則埃沃雷特解釋為真;如果自旋指向另一方向,則尋常解釋為真. 現在,你已經解釋了人們怎樣可能構造這種超級腦,以起著具有量子記憶的觀察者的作用.但是,你能準確地告訴我們,它正在觀察的是什麼嗎 準確地說,他在做什麼實驗,如果我們能稱它為他的話 你可以把它稱作他.此實驗以觀察這個人造觀察者的精神內的干涉現象為己任,這個實驗既可由某個注視著他內部的他人去做,也可以更雅緻地由它本人工作時力圖記住各種事物,以便它能對自己的腦實行一個實驗. 他能觀察他自己嗎 是的,他能觀察他自己的一部分.他企圖觀察的東西,是他自己腦的不同狀態之間的一種干涉現象.換句話說,他企圖觀察在不同宇宙的相互作用中,他的腦的不同內部狀態的效應. 這些不同的內部狀態怎樣會建立起來 在最初一瞬間,它由特定的感官組織建立起來,這種感官組織本質上正是另一種量子記憶單位.這種感官組織被用於觀察一個原子系統——具有兩種可能態的系統,如一個原子的自旋——的狀態.現在,量子理論預言,在觀察了這個原子系統之後,觀察者的精神會把自己分化為兩個宇宙分支. 所以,我們有一個具有兩種可能態的原子系統,每一個態都會觸發這個人工觀察者的腦處於這一狀態或那一狀態.按照埃沃雷特解釋,你在說這兩種腦狀態多少是共存的——或者至少它們分別處於平行的宇宙之中,但我們並不讓這些宇宙相互脫離接觸.我們把它們置於重迭之中,彼此相干.於是,這個可憐的觀察者(與它以往那樣)是精神分裂症患者,立刻同時觀察到這兩種可能性. 對!從效果上講,他感覺到他自身分裂成了兩個拷貝. 他會再次感到他自身的合併嗎 是的.從效果上講是如此.當然,我們並無這類感官組織.所以很難說這是一種什麼感覺.但如果這種觀察者存在,我們就可以問一問他. 聽起來非常不舒服! 或許如此.但是,假定他是位物理學家,那麼,他就會樂意去做這個實驗! 他會做得多準確呢 在中間階段,他將就那個效應寫下一個保證書:"茲公布:我正觀察到兩個可能性中的一個,唯一的一個." 他寫下的東西在兩個不同的宇宙中將不同嗎 不,他寫下的東西在兩個不同宇宙中將是相同的.因為實際上他不願意說出他觀察到的是哪一種可能性.換句話說,他可以這樣寫:"所以,這個實驗可繼續下去,我實際上不願說出我正觀察到兩個中的哪一個,但我保證我僅觀察到一種可能性."這樣一來,他可以繼續作包含有不同腦狀態的兩個平行宇宙之間的干涉實驗,他應該得到一個僅與他過去的兩個腦狀態的存在相一致的結果.所以,如果幹涉出現,他就可以推斷這兩種可能性必定在過去平行地存在著,以支持埃沃雷特解釋.然而,如果尋常解釋是正確的,那麼,在他審議期間的某一時刻,所有的宇宙除一個外,都將會消失掉.雖然一直到識破干涉現象發生之時,干涉也不會發生,他寫下"我正觀察到唯一的一種可能性",仍為真.所以,他會證明埃沃雷特解釋不對. 由於根據他關於一個具體結果的這種確定的知識,他將完全修改系統的波動性質,從而改變系統繼後的量子演變,繼後的測量可以對此作出核實嗎 是的.他或者能證實,或者能證偽.如果他已以那種方式改變了系統的波動性質,那麼,尋常解釋就是正確的;如果他沒有改變它們,則埃沃雷特解釋就是正確的. 在埃沃雷特解釋中,這意味著觀察者有可能拿主意,但他有兩個主意. 是的. 他處於關於它的兩種精神狀態之中!當實驗完成時,將要求這個機器觀察者記住:什麼是他曾觀察到(即使他當時沒有把它寫下來)的 什麼是他將會記住的 他會記住二者嗎 不,事實上,他一個也記不住,那是他所做其他事情的必然結果,即他必須抹去關於他觀察到這兩種可能性中的哪一個的記憶. 但他仍然有這樣的記憶,即他只觀察到這兩個中的一個. 是的,我的實驗的關鍵特徵是:他關於知道一個且唯一的一個可能性的記憶可以維持下去,即使他被迫忘掉了究竟是哪一個. 你說他能推斷出他必定已被分裂,因為他知道此結局涉及兩種可能性之共存 對極了. 如果存在於我們周圍的所有其他宇宙確實在原子層級可以與我們的宇宙相耦合,為何我們沒有感覺到它們的存在呢 原則上我們能感覺到它們的存在,沒有根本理由不如此.因為我們的腦充分大才得以在實質上為經典的層級上運轉.如果我們有足夠精細的感官,那麼,它們就很像我的思想實驗中的機械觀察者.憑藉它們,我們就能檢測或感覺到(不管那意味著什麼)其他宇宙的存在. 你的意思是,如果我們能夠感覺到漂移在我們腦中的所有原子,那麼,我們就會實際地感覺到這些其他的宇宙,是嗎 對的,事實上,如我說過的,埃沃雷特常常將愛挑剔他的解釋的人比作伽俐略的反對者.伽利略說過,他的反對者們沒有感到地球在他們腳底下運動.正是伽利略理論本身預言人們並不感覺到地球的運動,除非人們使用足夠精細的儀器,正象用一個博科擺或用足夠精緻的天文學測量,人們能夠檢測(即人們實際上能夠感覺到)地球的運動.所以,利用充分精細的感官,我們會確實地感覺到其他宇宙的存在. 不管怎麼說,要做出你剛才描述過的檢驗,我們需要這種超計算機,以告訴我們埃沃雷特解釋正確與否. 可惜是如此.要構造這樣一種計算機,似乎要走一段相當長的路程才能超越現有技術.雖然我說路程很長,但我不是指幾百萬年,我的意思是數十年光景. 這麼短!在可見的未來,竟存在實際檢驗這些思想的可能前景,這真是動人心弦的.但是,為什麼埃沃雷特忽視了這種可能呢 這個嘛,我從來沒有想過!或許理由之一是他有另外的思想與量子理論相關聯,即量子理論的解釋應該直接來自於其表述形式.這就是說,如果你寫出量子理論的數學規則,那麼,他就認為只應當存在一種方法來解釋這些規則.這是作了一個極強的假設.要是這個假設正確的話,那麼,量子理論就是有史以來第一個具有這種強屬性的物理理論了.他希望這個假設是正確的,因此,我認為他集中於他的理論預言和對手們的預言之間的相似性上面,從而強化了這樣的事實,即:對手們的尋常解釋要求附加的形而上學假設,而他的解釋則不需要.所以,他說"我採取純粹的表述形式,沒有附加什麼東西,並得到了我的解釋;相反,他們(尋常解釋的支持者們)則必須加進所有這些關於意識之類的東西等等."現在,我認為埃沃雷特說得有點不對.我認為甚至在他的解釋中,為了得到他的解釋,人們需要一點額外的結構.但是不多——這比尋常解釋中少. 你能用幾個詞語概括出這點額外結構是什麼嗎 行.這點額外結構就是一點點數學,它把波函數(或態矢,它是描述宇宙的數學實體)與多平行宇宙概念關聯了起來,我認為沒有這種額外結構是不行的.但我同意埃沃雷特的這種說法,他的解釋對純工具式量子理論所附加的東西是最可能簡單的. 我不知是否確實正確地理解了這一點.你在說,為了告訴我們:任何單個宇宙怎樣適存於一個排列井然的巨大數目的可能宇宙之中,埃沃雷特的附加假設是必須的,對嗎 對的,是這樣. 你已經說明了多宇宙理論優越於常規哥本哈根解釋的各個方面,跟其他競爭的解釋相比,你認為它有什麼優點呢 細說起來,它們是相當不同的.我想你主要指的是隱變數解釋,是嗎 是的,或者指其現代變體,即所謂量子勢. 好的.對於量子勢的一種異議是:僅僅為了解釋目的,而要在量子表述形式上附加一個額外結構,而這結構被認為是與物理實在相對應的(這種附加結構遠比原先的物理理論複雜).我認為在物理學中這樣做是件非常危險的事情.這些結構的引入,僅僅是為了解決解釋問題,別無任何物理動因.作為一個物理學家,我寧願說,一個為了這種理由而表述的理論,其正確性機遇是極其遙遠的. 但你不正是為了解決解釋問題,引進了多宇宙嗎 這個嘛,首先應該明白,理論具有一個解釋的問題,這本身是一個不可避免的問題.如果有一個更簡單的解釋性假設,我會高高興興地放棄多宇宙.但是從基本的物理定律來看,多宇宙假設事實上是如此簡單,以至如我早期說過的,埃沃雷特,德韋特及其他人都曾誤認為在這種解釋中根本沒有附加結構.它實際上是目前為止所想到的量子表述形式最自然的解釋.相反,隱變數理論則是非常複雜的.其原因之一是,從貝爾定理和阿斯派克特實驗得知,隱變數理論的最簡單形式就是不能模擬量子理論效應. 取代這種最簡單形式隱變數理論,我們需要有某種非定域隱變數理論,這就是玻姆和海利正在從事的工作. 用通常的語言來說,一種非定域隱變數理論意指,在這種理論中,影響不必穿過中間的空間,而是超越空間和時間地傳播. 不穿過中間的空間 或者乾脆說影響是即時傳播的,或許那是同一碼事,對嗎 是的,在相對論範疇內說它們即時傳播,意味著它們不可能穿過中間的時空.因為如果它們能穿過中間的時空,那麼,對它們的描述就會與相對論相矛盾. 他們並不否認這一點,當然,他們說,這種描述是與相對論相矛盾的.但當實際地做出測量時,所有這些測量的結果都與相對論相一致.似乎跟相對論精神相矛盾的,只不過是這機制本身. 是的.這是僅當你自願完全退卻到說量子理論只不過是一種工具的困境時的一種防衛.而且如果量子理論只不過是一種工具,那麼,隱變數理論就失去了它們的主要優點.這個優點就是,正如埃沃雷特所做的那樣,他們堅持客觀實在性觀念. 但是注意,多宇宙解釋和這些非定域(或者說超光速)解釋所具有的共同特徵是它們都試圖保持關於客觀實在性的某些印跡.在這兩種情形中,按照貝爾不等式和阿斯派克特實驗,我仍不得不做一次選擇,要麼擁有超光速的信號,要麼扔掉客觀實在性.現在,依我看,不得不扔掉客觀實在性似乎並不恐怖得可怕.為什麼我們要如此強調外部宇宙獨立於我們的觀察呢 無疑,我們自身在實在中扮演一個角色是並不令人驚奇的,因為我們對於我們自己來說似乎是很重要的,不是嗎 根據我個人的經驗,我對於我們正扮演著實在的一個角色並不感到驚奇.所以,如果那意味引入像超光速信號或其他宇宙之類的複雜東西,人們為什麼還要死抱著令人絕望的堅持客觀實在的某些印跡的要求呢 阿斯派克特實驗迫使我們改變關於實在的觀點,這一點我是同意的.不論客觀實在本身這個概念顯得熟悉與否,我堅持這個觀念的理由是跟我過去說過的不願變到物理學理論的工具論觀點的理由一樣的.第一個理由是,如果我們能夠有一種理論,其中包含有客觀實在,那麼,這個理論便具有哲學上的優越性.因此,我們在丟棄實在性概念之前,至少應該試圖去找到這種理論.其次,從科學的觀點,尤其是從物理學觀點,我認為向一個理論的工具論解釋的轉變,就不可能獲得下一個理論.因為後繼的理論將是從我們現存理論的本體論向前邁出的一步.情況可能是這樣的:後繼理論的本體論甚至更難於駕馭,它將告訴我們宇宙甚至比埃沃雷特所說的更為奇特.如果我擯棄了實在的觀念,那麼,我們就剝奪了自己藉以構造宇宙的概念模型的機制.只有通過改變我們現在的概念模型,我們才會發現新的理論. 我沒有說應拋棄實在,但要拋棄獨立於我們的實在,這正好意味著未來的模型將不得不在基礎水平上把觀察者併入進去. 是的.原則上我不反對這一點,但我不相信量子理論能驅使我至這一地步.或許我能再強調一次:試圖給觀察者在形式實在中以特殊地位的量子理論尋常解釋,實際上還沒有做到這一點.他們只是宣稱:總有一天他們會辦到. 是的.當然,不求助於宇宙外的一個觀察者,他們就不可能應付量子宇宙學. 是的.如果精神不遵從量子理論,或許有一天,有人能準確地寫下它所遵從的物理學定律.或許,新的物理學理論(它不會是量子理論,而是一種新的物理學理論)可能對照著量子理論予以檢驗. 或許如此.但是現在還沒有人把它寫出來! 沒有.談到尋常解釋的假定的優點時(即它給予觀察者以基本地位觀點,這或許對你具有哲學上的吸引力),你忘記了這樣的事實,即尋常解釋還沒有做到這一點.這只不過是一個斷言,一個許諾,一個50多年尚未實現的斷言與許諾.但是,埃沃雷特解釋則是沒有疑問的,它沒有作出這些許諾而工作得很好. 第七章 約翰 泰勒

約翰 泰勒(JohnTaylor)是倫敦大學國王學院數學系教授,是許多專業著作和通俗讀物的作者.他的主要研究興趣是量子引力,但對大腦物理學也有興趣.在這次採訪中,他對量子力學的較古怪的概念,採取一種精明而講究實際的態度,並堅定地選擇統計解釋. 什麼是系綜(或統計)解釋 這是一個與其名稱相符的概念.當我們對系統中任一可觀察量進行測量時,按照系綜解釋,我們實際上所做的是:我們正對許多相同的已有的系統,或者說對這些系統的一個系綜進行測量.由此我們獲得測量的一個全集,其中每一個都是對系綜中具體實驗的一個全同裝置進行的.因此,我們的結果是關於該項測量的各種具體值的幾率分布形式. 所以,你只考查統計學,而不關心任何單個事件,對嗎 對的.那確實是令人驚奇的,如果我們現在能引用愛因斯坦的話,他最終實際上滿足於這種系綜解釋.在他所寫的對批評者的答覆中,他說"如果人們企圖堅持這樣的論點,即:統計量子理論原則上能對單個系統作出完全的描述,那麼,人們就到達非常難以置信的理論概念了.但是,如果人們把量子力學描述為對於系統系綜的描述,理論解釋中的這些困難就消失了."所以,我認為愛因斯坦事實上被大多數物理學家看成是量子力學測量的自然解釋的先驅.量子力學測量的自然解釋就是:我們對許許多多相同系統實地進行大量的測量,並取具體測量值的頻率作為這些值的幾率分布. 所以你根本沒有描述在單個系統中正在發生著什麼的意圖,是不是 不允許我們干這件事.只要考查一下各種佯謬,這就十分清楚了.如果我們考查EPR實驗,這個實驗實際上是阿斯派克特實驗的基礎,顯然會出現一個佯謬.因為我們假設(比方說)對一個具體粒子的自旋作一次測量,我們也就能夠測量出一個其性質按量子力學概念與該粒子相關聯的遠處粒子的自旋來.例如,我們可以發現附近的粒子有一個向上指向的自旋;由此,我們可以推斷另一個遠處粒子(如果它是一個關聯粒子的話)必定具有向下取向的自旋.如果你相信你確實在測量單個系統的話,那麼,這就是一個佯謬.因為似乎是你能實際地影響遠處的粒子,只要通過對附近粒子作一次測量,便以某種方式確定著遠處粒子的自旋. 然而,系綜解釋說,我們在考查著這種系統的整個系綜.這系綜中有50%的系統可以有(當我們測量它們時)向上自旋的附近粒子和自旋向下的遠處粒子;而另外的50%的系統則有相反的自旋.但在任何具體情況中,我們不能說遠處粒子的自旋是由附近的測量產生的.因為我們不知道該粒子的自旋,我們僅僅知道這類情態的種種系綜. 我能進一步追問你,在系綜解釋中,人們是否繼續堅持認為單個系統實際上具有確定性質 例如,在給定時刻一個電子實際上具有確定的位置和確定的動量,當然,儘管我們不能測量出它們是什麼 回答是否定的,電子不可能同時具有這兩種屬性.根據不確定性原理,我們從來測量的僅僅是一個系綜的位置測量以及速度或動量測量所得的兩種離散集的下界.我們決不能測量出一個具體的電子的這些量來.單個電子的這些量是不予考慮的.我認為從阿斯派克特實驗中我們必須接受這一點. 但是,如果在我們作一次測量之前,電子或原子實際上不具有這些性質,那麼,這似乎啟示:觀察者因而必以某種基本的方式被涉及到,因為我們作適當的測量之後,這些粒子肯定具有確定的性質;而且,當然,我們可以選擇作哪一種測量——位置或動量. 是的.但我們是通過建立系綜來進行測量的.系綜是我們所要測量的具體情況的全同拷貝集. 但我們可以不這樣做.我們可以選擇考查一個電子,比方說,測量它的位置,並找到一個位置,而且那是十分令人滿意的.但是,如果我們爭辯說,在我們測量它之前,它不具有確定的位置,那麼,測量本身就起著一個關鍵性的作用了. 人們必須非常細心地區別測量與準備,有些物理學家曾十分仔細地考慮過這一問題. 關於它們之間的區別,你能給我們作一個簡單的介紹嗎 行.如果你準備一個系綜態,那麼,你就知道它將來會具有與這種準備相同的性質.如果你作一次測量,那麼,你就能收集到恰如測量前一樣的東西,在這兩者之間有一個嚴格區別.我認為你應非常小心,不要落入測量過程總是等同於準備過程的陷井.一旦你已經準備好了一個系統,那麼,你就能開始考查你所準備的系綜態看起來像什麼.例如,你可以選擇測量一組電子的位置.另一方面,你可以希望測它們的動量.但是,這些測量的離散集總是由不確定原理關聯著.如果你準備的是處於給定位置的電子,那麼,你知道,通過其動量在系綜中的離散關係,電子的動量就不可能有任何確定的值了.這就是這個"四足獸"的本性. 所以,你並不相信:例如,如果我們已有了一個電子在一具體位置的一個量子態,它實際上有確定的動量,即使我們本身不能測出它來,是嗎 是的,我們必須承認:它由一切可能的動量域給定.換句話說,動量甚至不能被定義. 是的.但是,這把我帶回到這樣一種感覺,即如果它的動量不能確定,而當某人作了一次測量之後,它們卻具有一個確定的動量,那麼,看來,在把此系統從一種模糊的不確定態變到一種具體的實在中,測量行為本身是絕對地至關重要的. 啊,但是,如果你想在給定動量態中考查它,那麼你就重新準備了系統. 但是,如果你把電子置於具有給定位置的態中,然後決定測量動量,當然你會得到一個具體的值,雖然,這值不可能被預言. 唷,但是,你再一次使人聽起來好像你正在考查單個電子. 但實際上我們能那樣做;我們能決定對單個電子做一次測量. 是的,但是,那樣一來,你會知道,如果你試圖測量它的動量,就會有一個無限大的可能性域.當然,對於系綜中一個具體情況會有一個具體的值. 這看來似乎是觀察者正在闖入. 當然.但你非常清楚,當你把一個電子放在一個具體位置時,你所做的準備,給了你一個其動量完全不確定的系綜.如果現在你想考查一個測量動量的具體情況,你會得到一個具體的值,但那個值在量子力學中是根本沒有意義的.在效果上,你正在準備另一個系綜(如果你做許多次這種測量的話),如果你想從頭開始,說你要考查那些具有給定動量的所有電子,那麼這些電子就沒有確定的位置了. 所以在這個方案中,當你測量電子動量時,它的波函數並不縮編到一個具體的動量上. 不會的.你是在建立一個新的系綜.你不可能在一給定地方取一個具體的電子,說你正在測量該電子的動量.因為那沒有任何意義,那是不允許的. 如果你放棄了描述在單個系統上正在發生著什麼的任何企圖,那不是一個當"逃兵"的遁詞嗎 嗯,我認為你應當問一問,如果陷進去是否比逃之夭夭確實會惹出更多的麻煩.就所涉佯謬(即EPR佯謬)而論,你顯然處於極大的麻煩之中.如果你考查薛定諤貓佯謬,同樣如此.這個佯謬也與一個思想實驗有關. 按照任何一個企圖描述單個系統行為的量子力學解釋,包含貓的系統的波函數必定表明:大約一個輻射壽命之後,貓是死還是活,具有相等的幾率.這意味著量子力學態是由一半時間活著的貓和另一半時間死去的貓所組成.換句話說,貓不知道它是死還是活,這是絕對荒謬的!如果你採取系綜解釋,那麼,在50%情況中貓是活的,在50%情況中,它是死的.這種說法十分合理. 所以,如果我們取一個單個情況,問貓是活的還是死的,那麼答案(或你的答案)將是:沒有答案,是嗎 嗯,答案是這樣的:按照量子力學,在任何具體情況中,實際上無法說出它是活的,還是死的,這是一個沒有意義的問題.我們僅能說它50對50的死—活機會.我認為我們應該接受量子力學這一特點,尤其是,現在如果我們去考查阿斯派克特實驗的話,因為在實驗中我們看到了量子力學與該實驗結果相一致,而任何其他的解釋都不令人滿意.一個可能的例外是非定域型解釋(如玻姆與海利的解釋),但是,你應該非常仔細,因為出現了許多新的特徵. 如果你在尋找與阿斯派克特實驗結果相一致的量子理論的其它替代方案,那麼,這些替代方案必須處在超越量子力學到達所謂量子場論時所已經取得的成就的水平之上.量子場論是一個全新的技巧袋,它在說明我們在自然界中所看到的東西方面,取得了一系列的成功,其精確度至少達到了百萬分之一.用其他方式說明量子場論的一片片成功領域,幾乎是不可思議的. 例如,你會想到量子電動力學.1940年末與1950年初,它的一個偉大成就就是理解了為什麼氫原子中有非常微小的能級位移,這個位移是用普通量子力學的術語說明不了的.這些能級位移僅能用涉及虛光子,虛電子及虛正電子的虛過程來說明."虛"意指實際不存在於我們的現實世界之中,因為我們不能直接觀察到這些虛粒子.然而,量子場論卻非常精確地預言這些虛過程的效應,而且,其結果至少在百萬分之一的精度上,與觀察到的能級位移相一致.你怎樣用量子力學的替代方案去複製這一驚人的結果,我是恍惚得很. 沿著這個思路,讓我們轉到近來關於W和Z粒子(即中間矢玻色子)上.這些粒子是被一理論預示的,這個理論把電磁現象與輻射現象統一了起來,它是量子場論的直接產物.只有通過審視量子場論的內涵,我們才會導致這些粒子的存在,並預言它們的質量.所有這些,都已被歐洲核子研究中心的高能粒子實驗所證實.要說量子力學的任何替代方案本來就可以做到這一點,我看那是不可信的. 接下來,有一些我認為是甚至更為基本的問題;不是精確度問題,而是原則問題.例如,經典力學不能描述粒子的湮滅和產生,而我們在粒子加速器中時刻都觀察到它.到底怎樣用經典述語來描述它呢 再多的非定域量子勢或你所有的什麼東西,也說明不了物質怎麼能產生和湮滅. 所以,你是說,量子力學提煉為量子場論給人的印象十分深刻,它對於現代粒子物理學的廣大領域,給出了一個非常令人滿意的描述;如果我們不維持量子力學的傳統觀念,它就會崩潰,是嗎 是的,我願說用確定但不可控制的或隱蔽的量去替代不確定的量子力學觀察量的任何企圖都註定要失敗.我認識許多物理學家,他們在其學術生涯中一直企圖用經典方法去取代量子場論的這些令人驚奇的成就.幾個人突然提出這種想法,他們全都失敗了,當量子場論的成就越來越大時,他們的失敗變得越來越慘重.而與此同時,我們看到諾貝爾獎金授給我們的那些同行們,他們在量子場論方面取得了成就,特別是在統一自然力方面取得了成就.現在,對我來說,要看清別的研究道路是非常困難的.量子場論的研究途徑幾乎是無可匹敵的. 通過以上闡述,人們可以得出結論:阿斯派克特實驗不需實施,因為應用量子理論迄今為止所取得的成就事實上已經保證了對於這個理論的確證.如果你想要以量子場論為基礎的所謂色散關係去理解我們已獲得的定域性,那麼,也沒有必要做阿斯派克特實驗.高能散射實驗已經證明,在光子內部10-12厘米的距離上仍須保持定域性.想像定域性不成立,是絕對不可能的. 這麼說來,阿斯派克特的結果沒有使你驚奇! 可以說,沒有.當然,本來可以使人嚇一跳的.但是,我想起了愛因斯坦,他說過,上帝是隱蔽的,但無惡意. 我可以把你帶回到薛定諤貓佯謬中去,並且問問你:在系綜解釋中,當我們不可能知道的時候,貓究竟是活的還是死的 即使我們永遠找不到答案,人們應不應該考慮在實際情形中貓是處於活或死的狀態之中 這個嘛,我們總能把答案記錄下來.貓本身知道它是活還是死,我原想過,在這裡避開佯謬的唯一方法是說不允許我們在任何具體情況中找出答案.我認為這涉及意識的本性問題.在量子力學測量過程中意識重要嗎 我想許多物理學家一直斷言它是測量過程的一個至關重要的特點. 是的,你認為觀察者以一種基本方式被卷進到測量過程之中嗎 不,因為依我看,我們也能用機器,照相機,錄相帶以及在這裡為這個具體節目而運轉的錄音錄相設備等方法進行觀察!我根本看不到與意識有什麼相干. 我想這或許把我們帶到這樣的問題,即:為了說明超感官的感知,為了說明跟喻咖術,湯匙彎曲,傳心術,先知先覺等相關聯的現象,以及為了說明那些當然具有廣泛興趣的(例如,從人死後精神不滅觀點看,那是極引人入勝的)特異事件,量子力學是怎樣被誤用的 所有這些都與意識是否在基本物理現象中起作用的問題相關聯.如果意識重要,那麼或許可以用我們精神去控制微小的物理過程,從而說明氣功,湯匙彎曲和其他奇異現象何以可以出現.如果意識與此不相干,那麼這種可能的聯繫似乎就被割斷了. 阿瑟 科斯特勒在他的《巧合的基礎》(TheRootsofcoinci-dence,Hutchiuson,london,1972)一書中爭辯說,因為量子力學似乎具有跟EPR實驗及薛定諤貓佯謬相關聯的異乎尋常的特徵,因此,其他異乎尋常的現象也可能在世界上出現.我認為這是一種非常危險的似是而非的論點. 聯想罪 是的.但是,當然,雖然在我們已描述過的高能物理中我們已取得許多顯著的成就,幾乎沒有什麼證據來說明任何一個異乎尋常的現象.高能物理學是非常精密的,無懈可擊的工作領域;而且,我寧願說,根本沒有堅實證據去說明超感官感知. 現代量子理論精神表現得相當適合於古代東方神秘主義,許多人對此一直有著深刻的印象.所以,完全撇開特異功能現象,你認為神秘主義思想在現代物理學裡有何價值嗎 沒有.我認為根本沒有價值.事實上,我對這些發展深感震驚.在我看來,似乎有大量暖昧與含糊不清的思想包含在東方神秘主義之中.不管現代科學怎樣發展,神秘主義都可以說:"啊哈,我告訴過你如此這般!"這相當象在做聖經上同樣的練習,從中找出一些詞句來,並說"啊哈,這包含了詹姆斯 喬依斯的全部著作".這種說法是絕對荒謬可笑的.現代理論物理學的精細程度超越了東方神秘主義延伸下來的任何東西.但是,如果這些神秘主義思想被用作進入現代物理學的入場券,那麼,它們可能是有價值的.但僅當用作通向更大精度的真實事物的台階才有價值. 說得好.你曾說過,你並沒有見到意識與量子理論相干.但是,卻有許多量子力學的競爭解釋,在其中,意識以一種基本的方式被涉及到.魏格納解釋就是一例.此外,還有諸如多宇宙解釋等別的一些類型的解釋.現在阿斯派克特實驗實際上不排除這些替換解釋,因為它們純用作解釋,從而與量子理論的所有已知結果相一致.更有甚者,他們還企圖說明在單個情況中在發生著什麼.換句話說,他們似乎超越了系綜解釋所能做的範圍,提供了關於系統的更完全的信息,並制服了那些佯謬,對此你有何看法 嗯,如果他們真正令人滿意地制服了佯謬,那麼,我會是高興的.但我不相信他們辦成了.我非常懷疑意識解釋,主要是因為它在無限回歸中涉及意識.我也看不出為什麼意識如此特殊,因為它所需求的一切就是眾多神經細胞的一種聚合.其實,意識涉及到大量的細胞,以致很難看出量子效應還能有意義.這種效應涉及到相當微小物體中的種種不確定性. 就多宇宙解釋而論,我總覺得不滿意它們對各種佯謬(EPR佯謬,薛定諤貓佯謬)的迴避.至於實質上是處理隱變數或不可控制的變數的種種解釋,我寧願說它們甚至不可能達到現今的量子場論. 但是,在為多宇宙理論辯護中,我認為它們的支持者們會斷言:諸如薛定諤貓那樣的佯謬是容易解決的,因為在任何一個具體情況中,如你問貓是活的還是死的,答案有兩個.在一個宇宙中貓是活的,在另一個宇宙中貓是死的,這似乎是完全令人滿意的解釋.在系綜解釋中,答案是………,嗯,我不能回答. 對不起,我不認為那是令人滿意的.我真的必須承認我覺得多宇宙解釋是稀奇古怪的,它不是令人滿意的.我很抱歉,我是一位死板的物理學家,既然誰也沒有關於什麼在別的宇宙中進行著的概念,它們就不應該被帶進物理學之中. 多宇宙解釋當然確有另一個優點,那就是:它可以使整個宇宙的量子力學的觀念(即量子宇宙學)變得有意義.至於在系綜解釋中,那不會給你帶來困難嗎 由於我們僅有一個宇宙,我們怎能談論整個宇宙的量子力學呢 嗯,我想這是一個問題.但是,如果我們有一個無限廣延的宇宙(即它是空間無限的),那麼,這就是一個可以正視的問題.因為那樣一來,我們僅能想像做些定域的測量.在一個無限大廣延的宇宙中,我們永不能指望測量它的整體.我們在實驗室的有限範圍內作種種測量.指望我們可以有一個波函數去描述一個無限多宇宙的系綜,我認為那確實是奢望太多,超出了我們的理解力. 這麼說來,量子宇宙學實際上是個無啟動者 嗯,不,我不是說這個.因為我們可以有描述整個宇宙的波函數,但我們僅能測量其中一點兒,所以,系綜解釋仍可以起作用,條件是要有一個無限廣延的宇宙.如果宇宙大小有限,那麼,可能就有問題了.在這種情形中,人們可以設計一個復蓋整個宇宙的實驗室.所以,實際上,通過觀察遙遠星系的減速,如果我們發現宇宙事實上又在坍縮(因而大小是有限的),就量子力學解釋的系綜本性而言,我們就可能陷入麻煩之中了.可是,多宇宙解釋的困難在於帶進如此眾多我們決不會發現的附加物,你決不能在其他宇宙中工作. 當然.多宇宙解釋的支持者們會再一次爭辯,雖然宇宙的物理上不同類的集合體可以表現得具有一種相當龐雜和難以控制的結構.不過,理論的認識論是極其雅緻而苗條的,因為我們無需做許多假設. 但所做的假設是如此令人稀奇古怪,以致我會說它根本不苗條,我還會重複地說,除非你實際觀察到那些其他宇宙中的東西,否則它們就不應被引進來.你知道,在系綜解釋中,人們說我們僅能獲得有限的信息.但在多宇宙解釋中,人們說存在多得人們不能獲得的信息.那是因為大多數信息(其實是無限多的信息)存在於其他的宇宙之中. 所以,實際上你在說兩種解釋都丟棄了信息,在系綜解釋中,我們簡單地說不能回答單個系統的問題,在多宇宙解釋中,不能回答關於其他宇宙的問題. 對.是這麼回事.我寧願選擇少量信息,而不要那些永遠不能發現的信息.但是,如果那樣,我甚至不願稱它為信息,我會稱它為幻覺. 第八章 大衛 玻姆

退休之前,大衛 玻姆(DavidBohm)是倫敦柏克貝克學院理論物理教授.30年來,他一直是世界公認的量子力學權威,他以現代形式表述了EPR實驗.在其整個生涯中,他一直是隱變數思想學派的倡導者,並寫過許多文章企圖表述一個細緻的理論.最近,他與他的合作者巴席爾 海利一起,在"量子勢"思想的基礎上建立了量子力學的非定域理論.玻姆還以對現代物理學作哲學審議而馳名. 你能說明你的解釋與量子力學的玻爾哥本哈根解釋怎樣不同嗎 我想,我們可以把它稱為正統觀點吧 是的.不過,實際上沒有非常明確的正統觀點.我寧願說有幾種變體,但共同的思想是,量子力學不可能描述"實在"——就是說,所發生的東西是一種自參考過程.你知道,如果我說某種東西"實際發生"了,那麼,量子力學僅能描述在一個測量裝置中所能觀察到的東西. 難道我們能觀察或測量到的東西,不就是人們從一個理論中所需求的全部東西嗎 這個嘛,如果你預先假設那就是你所需要的全部東西,那麼,回答就是肯定的.但是這種觀點有一個困難.哥本哈根解釋僅給出描述在一套裝置中所能觀察到的東西的幾率公式,而這個裝置本身被假設是由與我們所研究的對象完全同類的東西構成的(即粒子遵從量子效應). 這種東西是原子嗎 是的,是原子.因此,如果你想討論裝置的存在,原則上,你就應該用另一套裝置去考查它,如此,等等. 這就是著名的無限回歸嗎 是的.現在魏格納說僅當有人覺察到一個現象時,它才是真的"實在",他用這個辦法終止了這種回歸. 你對這種具體解釋感覺如何 依我看,它是考查事物的一種方法.我個人的看法是:存在一個這種解釋為真的區域,特別是在人類關係中;意識到相互依存的人們可以有巨大的相互影響.但我不認為對於物理學家們在實驗室中工作的種種實驗情況而言,真的如此.依我看,在這個水平上,宇宙是獨立的實在,而我們則是它的一部分. 你認為就某種意義而言,外部世界是獨立於我們存在,獨立於我們的觀察而存在的嗎 每一個物理學家實際上都這麼看的.例如,談及宇宙在有人對它考查之前(也許上帝除外)就在演變著.除非你想像貝克萊大主教所做的那樣,把宇宙歸結於上帝(大多數物理學家都不想這麼干),你就不可能解決這樣的問題:沒有物理學家或其他什麼人對它考察,宇宙怎樣存在呢 據我所知,愛因斯坦與玻爾之爭在於,愛因斯坦堅持,我們的觀察只不過是揭露已經存在的實在;而玻爾則說,我們的觀察實際上創造實在.所以,你更接近愛因斯坦的立場,是嗎 這就不好說了.因為玻爾甚至並沒有說那樣的話.他說,我們除跟現象,表觀以及現象的規律性打交道外,別無其他.實質上還說:歸根結蒂,實在是曖昧不清和不可指明的. 但是,你會發現你自己更與愛因斯坦的觀點相一致,即認為,我們的觀察揭露著一個就某種意義而言已經存在著的實在,是嗎 這個嘛,我已經將自己置於愛因斯坦和玻爾之間了.我認為,存在一個領域,在那裡我們的觀察確實產生實在.如在人類關係中:當人們變得相互意識到對方的存在並且相互溝通信息時,它們就產生社會存在.但我認為作為一個整體的宇宙並不依賴於我們那樣做. 依我看,採用這個觀點,你就從宇宙中擯棄了精神. 不,我說精神是實在的,精神可以是非常實在的.我特別說過,在人與人之間,精神有巨大的效應,它影響著人體,它影響著人類之間的種種關係,它影響著社會. 但它不影響原子,是嗎 我不認為它對原子有重要的效應.至少人類精神對原子沒有影響.或許你能採取這樣的觀點(如貝克萊大主教所持的觀點),即:上帝的精神創造萬物.但如若如此,我們就肯定不能把自己等同於上帝了! 你在《整體性與隱序》一書中談到,這個整體性涉及到精神和物質(存在於我們周圍的物質)兩者,你可以說一說精神和物質怎樣一起適合於這個整體性觀點的嗎 可以.你指的是隱序.或許,我可以先談談笛卡兒,他對精神和物質做過區分.他說,存在我們稱之為精神的思維物質和我們稱之為物質的擴展物質.現在它們是如此之不同,以致很難理解它們怎麼可以相互關聯著的.你知道,我們的思想沒有廣延性. 是的.比方說,你不可能找到思想定域在空間什麼地方. 對.所以笛卡爾提出,上帝把種種清楚和不同的思想安置在人的精神之中.上帝有能力做到這一點,因為它創造了精神和物質二者(人以及每一件別的東西),因此他可以把這些思想安置於人的精神之中,使得人能夠理解擴延的物質.如今用上帝來說明事物的觀念已經被人拋棄了,於是就沒有什麼東西留下了.精神和物質全然無關地被遺留下來.然而隱序(未拓展的序)表明精神和物質仍然可以以一種類似的方法被考查.量子力學可以理解未拓展的精神和物質. 我可以要求你解釋一下,隱序(或未拓展的序)是什麼意思嗎 你能舉一個簡單的例子嗎 可以.最簡單的例子是,如你折迭一張紙,並在紙上畫一個圖案,然後把它拓展開來,你就得到各種新的圖案.當紙被折卷時,該圖案是隱蔽的(在拉丁語中,"隱蔽"一詞實際上意指"未拓展"),因此,我們可以說圖案是未拓展的.現在量子力學啟示我們:這就是現象的實在從一個隱藏於其中的更深級序中產生出來的一種方法.實在拓展開來以產生顯序,然後又捲入到隱序中去.實在以這樣一種速率不斷地拓展和捲入,以至看起來它是穩定的.現在你可以說我在主張思想,感情和精神以類似的方式工作著.我們說一個思想是隱的,這一事實本身就意味著這個思想包含著另一種捲入了的思想,對嗎 是的,但是,在什麼中間拓展呢 我們的思想在什麼中間是捲入了的呢 暫時我要迴避這個問題.我想先說明思想和物質之間形式上的相似性,這是笛卡爾所沒有做過的事.他的信念等於是說:思想是捲入的而物質是廣延的.可是,我說二者都是捲入的,同時又是廣延的.因此,它們的基本結構是相似的,儘管在別的許多方面它們可以非常不同.它們在基本結構上的相似性使我們得以理解它們相關的可能性. 你所說的東西,我聽起來非常象是東方哲學.或許禪宗的學生 們會找到這些非常類似的概念.你是否看到了你在這個主題領域 內的想法支持了東方神秘主義 嗯,也許如此.但是,我認為這種捲入的概念在西方也一直是 有的.你看,庫薩的尼可拉斯①在幾個世紀以前就提出過類似的概念.他有三個詞implicatio(捲入的),explicatio(拓展的)和complica-tio(全捲入在一起),他說實在具有這種捲入結構:永恆性既拓展 著時間又捲入(即隱含)著時間.現在,我認為我們不應該把事物 分為東方的抑或西方的,而應考查這些思想本身的優點.我認為量 子力學特別提示這種隱序.如果你像我做過的那樣去考查它,以那 樣的方式去考查量子力學,你就會開始對量子力學的某些奇異性 質賦予意義. 你能說說為什麼嗎 量子力學的哪一個至關重要的特點導致你相信了隱序思想 嗯,那是波——粒二象性:你可以說某種東西既能拓展成一個似波的實體,又可拓展成一個似粒子的實體.量子力學的數學(如果你仔細地考查它)就對應著這種捲入.你看,它非常類似於全息中的數學. 剛才,我正要提出全息似乎是隱序(或捲入序)的非常好的例子. 是的,那是最好的例子之一.在那裡,我們見到一個圖案捲入於照相底片中,當我們用光照在它上面時,它又拓展成一個可見的像.全息照相底片上的每一部分都包含著整體的信息.所以,整體是由每一部分拓展開來的. 所以,你的關於原子世界的觀點是,所有關於一個具體物理系統的信息是以某種方式在某處被編碼的,但它編碼的方式難以理解,以至通常我們沒法破譯它. 是的,當我們以普通的方式考查它,根據定義它肯定是難理解的,因為我認為當我們在大標度上作考查時,所有的密碼(如DNA中所發現的)是很難理解的. 如果我們考查一個粒子的位置和動量這一著名情況,按照海森伯不確定性原理,我們可以選擇定義其中的這個或那個,但不能同時定義二者. 對的,我們可以將這些性質編碼以至允許其中這個或那個拓展開來. 但是,你是不是說,在實在中這兩個量均有明確的意義,確定的數值.不過,不知怎麼地,我們在實驗中僅能測出其中的一個來 不,這種說法不準確.你知道,顯序的另一個例子是一粒種子.如果你取一粒種子,含有密碼信息的是這粒種子,如果把它放進地里,那麼,所發生的情況就是:一棵植物的物質就從空氣,水,土壤以及太陽能那裡演化出來,這些物質正是以它們的尋常方式運動的.但是,由於這顆微小的信息種子,這些物質開始變成一棵樹,而不是它們本會變成的什麼別的東西;現在樹又可以產生可變成另外一顆樹的種子;如此繼續下去.現在,你肯定不能① 庫薩的尼可拉斯(Nicholas Of Cusa,1401—64),德國的神學家與哲學家.他曾主張理事會高於教皇,後來放棄了這種觀點;他努力把數學用於哲學;他先於哥白尼講授地球是圓的,不是宇宙的中心.——譯者注. 說樹存在於種子之中了,因為生長起來的一棵樹(它的形狀和大小)不僅取決於種子,而且依賴於整個環境.現在你如果走進森林,你會看見樹群正在不斷地成長,死亡以及被新的樹群取代.如果你每100年走訪一次那個森林,那麼,你會說,樹群似乎從一個地方移到了另一地方.事實上,它們是連續地拓展與捲入著.這就是我要給出的在最基本的水平上物質運動的圖象.我想說,生命精神以及無生物都有這種相似的結構. 現在,據我所知,已知的實驗中沒有哪一方面不可運用量子力學令人滿意地加以說明,你不同意這個看法嗎 我不同意.這個看法招來了問題.如果物理學的目的僅只為了說明實驗,那麼,我認為它就不會像迄今為止的那樣令人感興趣了.我的意思是,你為什麼要說明實驗 你樂於說明實驗,還是別有用心 這個問題嘛,如果我能冒昧地擺出我的見解的話,我認為物理學家關心製作模型,我們製造出關於我們這個世界的種種模型,以利於把一類觀察與另一類觀察聯繫起來.我們既有一些好的模型也有一些不好的模型.不存在什麼諸如一個"真實世界"之類的事物,即沒有什麼東西是"外在地存在",而我們的模型只是對於它的種種近似.我們所能不斷做的一切就是觀察,我們還能向物理學家要求什麼別的東西呢 我認為觀察和實驗是受我們思維方式指導的,我們所提的問題也是由我們的思維方式決定的.千萬年來,人們不曾向自己問過正確的問題.在量子理論中,我們正在詢問一類確定的問題而且正得到一類確定的答案.你知道,通過限制自己於這種思維方式,我們可能把自己置於一個陷井之中. 所以,你認為對於微觀物理學的論題採用一種新的思維方式,一種新的研究方法,我們或許建立起非常不同的一組問題,或許以一種非常不同的理論而告終,是嗎 啊,是的,這種情況以前發生過許多次了.如果你回到行星運動的主題上,你就會看到:古老的周轉圓思想引導人們提出一些確定的問題,後來,牛頓定律又引導人們提出一些非常不同的問題;統計力學導致一組問題;量子力學則產生另一組問題,如此等等.人們所提的問題主要是由理論,由理論的概念確定的. 但是,隨之而來的,通常是用一個具體的方法去研究一個具體的論題,直到出現了某種不適合於該理論框架的實驗時為止. 我認為那是預先假設了那是唯一的方法.你也許不得不碰壁200或300年,才會改變你的觀點.例如,我想50年前非定域性就是明顯的事了,但現在卻僅只有非常少的物理學家意識到它的存在.如果他們再碰上50年壁的話,或許有更多的人會意識到它的存在. 讓我們多談一點非定域性.我想問一問你,對於阿斯派克特實驗有何反響,這個實驗是近來才實現的.就我的理解,承認阿斯派克特實驗,我們就必須作出二中擇一:要麼放棄我們可以稱之為客觀實在的東西(即獨立於我們觀察而存在的外部世界);要麼放棄定域性(粗略地說,即這樣一種觀念:宇宙的不同區域不能相互傳送超光速的訊號).你準備放棄這二者中的哪一個呢 我完全準備好了放棄定域性,我認為它是一個任意性假設.我的意思是,在近幾百年里,它一直被人們所過份強調.如果你返回1千或2千年,那麼,你就會發現幾乎每一個人都是非定域地思考問題的. 但是,我們現在不會墮入諸如可以跟我們自己的過去通話的佯謬之中嗎 不會的.僅當我們假設現在的理論是最終理論,才會如此.以不同形式提出問題,你就不會陷入這些佯謬之中.這就叫做考慮以種種新方式對事物作考查的全局性觀點. 所以你要放棄狹義相對論,是嗎 我沒有說放棄相對論,我是說它是對廣泛得多的觀點的一種近似,恰如牛頓力學是對相對論的一種近似一樣. 但是,你肯定會接受超光速信號的概念. 是的,我接受這個概念,同時,它與已做過的任何實驗也不發生矛盾. 你能設想檢驗你的理論的這種非定域特性的任何新實驗嗎 還有點為時過早,因為我們處在一種特別的情形中,正如幾千年前德謨克利特提出原子假說時一樣.如果那時你說,我們不會考慮它,除非我們能提出一個實驗證明這種假說.那樣一來,這個假說的提出也就會是這個思想的終結了.即使當時有人天資非凡,提出了一種實驗方案,當時也沒有可供利用的設備,能使實驗付諸實施.儘管如此,德謨克利特的思想仍然是有價值的. 所以你是說,事實上,我們不僅不能檢驗這種超光速信號,而且也不能臆想出能夠做出這一檢驗的一種方法來,是嗎 我認為在你能夠做某件事之前,必定會對一個觀念有一段長時間的斟酌.如果你說:"我僅在你提出實驗時刻才想某一事情,否則,我不想它."你怎麼會提出任何新的東西呢 要能夠看清楚可以做哪類實驗,常常要花許多年的功夫.為了提出一個實驗以能充分揭示原子論的內涵,花費了2千年的時光.所以,你會說什麼呢 你想說除非突然間有一個關於實驗的想法冒出來了,誰也不會去想它的,是嗎 如果沒有人想它,實驗決不會做出來的. 但是,你是否認為利用量子效應,並且在分離的系統之間造成超光速的接觸,總有可能向過去發送信號呢 不行.我認為按我的方式表述這個問題,不會出現這類佯謬.僅當你說相對論是絕對真理時,才會出現那些因果佯謬. 這個超光速信號究竟是怎樣產生的 嗯,你知道,這需要作點歷史說明.1951年,我提出了量子力學的另一種解釋,一種取代解釋.到達這種解釋有兩個階段:首先用於粒子,然後用於場.在第一階段中,我說過,一個電子本質上為一個粒子,但是它除了具有諸如電磁勢之類的所有其他勢之外,還有一種新的勢,當時我稱之為量子勢. 粗略地說,我們是否可以把量子勢想像成在電子周圍擺動的某種東西 是的,量子勢具有一些新的性質,首先是它的效應不依賴於其量值,僅依賴於其形狀.所以,它可以在長距離上有大效應.這樣一來,我們就能夠說明,比方說,雙縫實驗. 當然,通常是利用提出穿過雙縫的兩個波之間的干涉來說明這個實驗的. 那沒有說明,那隻不過是描述.如果你說它是波,那就是一種說明了.但是,由於電子是作為粒子到達的,那不是說明,那隻不過是一種談話的隱喻法,對嗎 沒有說明,我們應該說量子力學不說明任何東西,它只不過為某些結果給出一種公式.而我企圖給出一種說明. 量子勢怎樣說明干涉 這麼說罷,量子勢(它作為一種波而被攜帶著)可以影響粒子,那怕在離縫相當遠的地方.其原因是我說過的,量子勢的影響由其形式決定,而與其量值無關.既然第二個縫開啟時的量子勢(或波)與該縫關閉時的情況很不相同,則穿過的粒子在即使離開縫一長距離也能夠被量子勢所偏移,以至產生了這些干涉圖樣.這就表現出一種嶄新的整體性.就某些方面而言,我同意這種整體性是與玻爾所說的相類似的,但是,我在建議對這種整體性給出一種說明. 所以,這種波或勢中攜帶的部分信息就是實驗安排 實驗安排,是的.還有系統中所有其他的粒子的態,等等.所以,你因此而有了我稱之為一種非定域關聯的東西.這種信息帶來了關於整體性的嶄新性質,即:每一部分現在都以一種反映出整體的態的方式運動著,在尋常環境下,這種關聯可能是非常微弱的.但在特殊條件中,它可能變得十分強烈,如超導性,以及我剛描述過的雙縫實驗,等等. 你多年前引入的這種波,顯然不同於當我們談論物質的波動性時所熟悉的那種波. 不同.它是一種新的類型的波,我們稱之為"主動信息".我們從計算機那裡已經熟悉了主動信息這個概念.此外,如果我告訴你某件事,你就去做某件事,那顯然就是主動信息.如果我高喊"著火了",每一個人都會行動起來.所以,我們知道,在生命智力系統以及計算機中,主動信息是一個有用的概念.現在我所提議的就是:物質,一般不是那樣地不同的. 我們熟悉其他類型的勢,如電子勢與引力勢.怎麼把你的量子勢與那些勢相比較呢 要比較嘛,你可以看到它們的相似之處,即量子勢也遵從一定的方程,雖然更為微妙一些.它們的差別在於:量子勢不必隨距離的增加而衰減,它的效應是主動的,與勢的強度無關,僅由形式決定. 所以,在物理學中實際上沒有什麼別的東西像這種勢,是嗎 是的.但是,我們經常處於這樣的情景之中,即原先沒有的東西,被人引進來了. 你前面曾暗示過,雖然量子勢思想對於超光速信號的概念是接受的,但它不與現在我們所有的實驗結果相衝突.你能告訴我們,這怎麼可能嗎 可以.要回答這個問題,涉及到要把量子勢概念擴展到場情形中去,這個場就是整個宇宙的場,我稱為超量子勢.這需要作些說明,但是基本說來,超量子勢將引起不同地點的場之間的一種即時關聯.因為人們能夠證明:在量子力學的現有系統中,所做的種種實驗的統計學,仍會表現得與相對論相一致.所以,在任何實驗中,超量子勢都不違背相對論原理. 就是說,禁止超光速的信號傳遞,是嗎 因為我們反正僅使用統計的實驗,所以沒有辦法發送信號. 我們控制不了超光速傳播的影響嗎 是的,你說得對.只要做現有類型的實驗,相對論就仍然有效.但是,如果我們可以設法得到更深層的東西,那麼,我們就可能發現有某種超光速的東西.你看,那時我們就會說,相對論與量子力學有相同的極限,即統計學極限. 對於超光速信號傳送的一般非議是這樣的:如果我們能夠編碼並傳送信息,那麼,就會導致種種佯謬.而現在你說基本上我們控制不了微觀世界,由於量子現象的不可預示性,每一件事物都模糊化了.是這樣的嗎 是的.人們甚至可以證明:沒有辦法得到任何不一致性,並且,如果我們有了對於更深層事物才成立的某種東西,那麼,我們就能超越這些極限. 似乎有點諷刺意味,如果不與愛因斯坦的狹義相對論相矛盾,你至少對它作了猛烈的修改,你或許是在反對其原始理論的精神.你認為愛因斯坦對此會作何想法 你說得對,我不認為任何人必定能夠期待每一件事都能按他所期待的方法發生.對於愛因斯坦來說,確實有幾件事情是按他所預料的方式發生的,但是,他不可能在每一件事情上都是正確的! 反對使用你的量子勢的一個論據是:它聽起來似乎是非常複雜的東西,即它沒有一組簡單的方程.比方說,就像電場所具有的那樣. 方程組就是既適合單體問題又適合多體問題的薛定諤方程組.大自然告訴我們,電場的簡單概念是太簡單了!我企圖要闡明的一點是,大自然具有一種接近於精神的複雜性與微妙性.我試圖要說,我們關於自然的觀點太簡單了. 你認為這或許是由於牛頓的還原論傳統,把世界劈成許多小塊所致嗎 對了.我不知道這背後有沒有牛頓,但是,那些追隨他的人肯定是這樣乾的. 然而,你會覺得你更同情綜合觀或整體觀,在這種觀點中,人們必須考慮整個總的系統,才能理解它的任一組成部分. 對,是這樣的.我高興你把它提出來了.因為我們現在應當問一問:"我們怎樣說明在普通力學中能夠把世界分解為獨立的許多部分 "答案是,當波函數具有某種我們稱之為因子化(這是一個數學術語)的性質時,我們就發現各部分行為是獨立的.在普通環境下,這是一種好的近似.但是,量子力學的實驗是這樣設計的,以便能產生出其中波函數不是因子化的種種情況來,所以,這些實驗可以展示出整體性來. 我可以返回到阿斯派克特實驗中去嗎 你說當光子反向而行並分開得相當遠時,它們的合作可以歸因於一個超光速信號穿過它們之間的空間嗎 我認為"信號"這個詞是用錯了的.因為信號有能傳送消息的含意,在這裡不會是那種定義,而是另一種聯繫,我喜歡運用"相關"一詞.你可以看到:一種相關性建立起來了,使得在一個粒子上發生的事物會影響到在另一個粒子上所發生的事物.現在,常規的量子力學並不說明阿斯派克特實驗,它只不過給你一個計算系統(該實驗的種種結果).你知道,我認為應該把說明與計算系統區分開來.而量子力學是一種能使你預言種種統計結果的計算方法.但是,它沒有說明.而且玻爾強調過,不存在任何說明. 但是,在物理學中總存在著說明嗎 我的意思是,難道我們不是僅做出種種簡單模型並發明了它們的語言嗎 但是模型說明著事物,即模型說明了事物是怎樣發生的;說明使事物易於理解.量子力學說:大自然除了像一種計算數學之外,是不可理解的.你所能做的一切就是運用方程進行計算;並且,操作你的設備,比較種種結果. 你能想像出另外一個物理領域,比方說,一個簡單的領域,在那裡,你認為我們實際上有說明 能.就其為正確的而論,許多經典物理學都給出了一種說明. 可是,是以什麼方式呢 難道它不就是把種種觀察關聯起來的語言和模型嗎 真正的說明在何方 我們使用著"說明"這個詞,但是在我看來,它似乎相當無意義,你實際所做的一切就是把觀察成功地關聯在一起. 我不這樣看.你知道,我認為觀察是第二位的事務.我不能理解在現代物理學中為什麼如此強調要把觀察放在首位.我認為這是對觀察所採用的實證主義哲學.你必須承認,這一哲學多半是本世紀開始的.如果你返回去200或300年,每個人都會理解什麼是說明,誰也不會理解實證主義者所企圖乾的事. 那倒是確實的.但是,假設我們考查一個具體例子(如,為什麼蘋果下落 )而且我們說明就是因為存在引力場,地球對蘋果有作用.那樣一來,我們仍然留下一個說明引力場的問題. 對,但是我們至少對實際發生的事情給出了一種說明:我們說有一個蘋果,它沿著一條路線運動;我們理解了蘋果怎樣通過一系列中間步驟從這裡跑到了那裡.現在如果我們考查量子力學,我們會說那種說明跑掉了.我們有一個蘋果在這裡,有另一個蘋果在地上,我們沒有關於這個蘋果怎樣與另一個蘋果關聯起來的觀念,我們甚至並不知它是否會發生,但我們有一種演算法,它給出許多蘋果到達各個地方的統計學,這類似於保險公司說的我們有一種統計學,它告訴我們在某一年內某一類人中有多少人會死去.而這就是我們所關心的全部!但是,那不是一種說明. 但是,如果我們回到蘋果的情形中去,並且純經典地考慮這個問題,那麼,歸根結蒂,我們僅能對蘋果作觀察,測量出在各個時刻它在什麼地方,等等.最後,如果我們有了一個成功的理論,那麼,它就會把這些觀察關聯在一起. 我認為那是第二位的事情,但更重要的是,一個成功的理論的確會對於什麼在發生著給出一個概念. 唷,它給出一個概念,它給予我們關於什麼正在進行著的簡單形像:蘋果沿一條連續軌道落向地面,但是,這個形象不只是一個幻覺嗎 你這麼說,那麼,什麼是計算呢 計算是一種模型,它使我們把這些觀察關聯在一起. 為什麼你要把它們關聯起來呢 因為在我看來,物理學就是關於對世界做觀察的學問. 為什麼它是關於做觀察的學問呢 我的意思是,它是始於幾百年前的一種思想.人們堅持這個觀點,是因為他們的教師教導他們這樣做,但是,你為什麼說這個呢 要我說嘛,因為對於實驗物理學家來說,對世界做出測量是他們的職業. 但是,物理學並不純粹始於實驗,它始於人們的提問.我的意思是說,如果沒有人提問,就不會有實驗.人們對於世界感興趣,是從一個廣泛得多的觀點出發的. 這產生了波普爾的關於我們可以把什麼東西視為科學的思想.他堅持認為:你必須可以證明理論是一種潛在地可以證偽的東西,而這依賴於能做出可能與理論相矛盾的觀察. 那是波普爾的想法.我是說,為什麼我們要把他當作權威 人們有著各種各樣的想法.波普爾提出一個有某種優點的想法,但它不必是絕對真理.如果有人說,關於什麼是科學,波普爾已經給出了絕對與最後的定義,那麼,我為什麼要接受它呢 因此,概括起來,我認為在沒有任何相反實驗的情況下,我們在這兒的全部爭論實際上是不同的哲學立場問題,是嗎 是的.說起哲學,哲學一詞原意愛好智慧,現在它變成了一種技巧.我還認為我們時代正隨落成把每一件事都歸結於種種技術,它把每件事的意義抽掉了.我認為人們已經墮入了唯技術論,並且,每一件不適於技術論的事情都是無結果的.你必定注意到這是歷史發展的產物.你不能把它看成絕對真理. 雖然,我們坐在這裡討論我們可以稱之為哲學的東西(關於量子力學的概念基礎有大量的討論,在我看來,它們是純哲學性的).雖然如此,如果我沒有錯的話,你確實預見到將來某個時候(我不知道將來什麼時候)會做出一些實際實驗來;它們將會暴露量子力學現在解釋的種種弱點來. 是的,但我認為,任何基本的新實驗都是從哲學問題產生的.回顧歷史,在古希臘,科學有很大的臆測性,然後,人們通過引入實驗來修正這種臆測性的科學.現在,我們走的是另一條路,並且說實驗是科學中唯一存在著的東西.所以,在效果上,我們已經走到相反的極端.科學確實涉及到幾樣東西嗎 它涉及對於種種思想的洞見,而且這種洞見先於實驗.如果你拒斥哲學,你就把這些東西也都拒斥掉.現在,唯一可利用的洞見是通過數學:那是人們允許自己自由行動的唯一地方.人們無須實驗,可以盡其所愛地玩弄著數學.幾個月前我看到紐約時報上一篇文章,他們說,我們有超引力,並說它看來是有希望的,但在20年內,我們不可能說出任何肯定的東西來.所以只要它是數學就無人介意.人們相信數學是真理,但任何別的東西都不是. 的確如此.數學的雅緻性確實是人們用於支持一個缺乏實驗的理論的準則. 但是,是否允許數學的雅緻性,就不允許概念的雅緻性呢 每一個物理學家至少有一種隱含的哲學,但現在一般公認的哲學是極不雅緻的,它實在是粗糙的. 但是,請原諒,我老是問你這樣的問題:你是否覺得將來有可能做實驗來辨別這些不同的解釋呢 我認為將來會有的.但是,如果不首先在沒有實驗的情況下認真考慮這些思想,就不會有那種實驗出現. 但是,在現階段,你思想中並沒有任何具體的實驗,是嗎 是的,但我試圖說,如果每一個人都採取那樣一種態度,說除非有人提出一個實驗來我們是不會考慮他所說的任何東西的,那麼,就永遠沒有人能提出基本上新的東西來. 第九章 巴席爾 海利

巴席爾 海利(BasilHiley)是倫敦大學伯克貝克學院物理學副教授.他的研究興趣是固態,液態和聚合物物理學以及量子力學的概念基礎.作為大衛 玻姆的一位長期合作者,他多年來一直反對量子力學的尋常解釋,並企圖構建一個與"常識"意義的實在論更為一致的理論.近年來,他與玻姆一起在非定域量子勢方面的工作是對於正統觀點的一個直接挑戰. 阿斯派克特的最近實驗暗示:量子力學的傳統研究方法不但仍有效,而且是很好的;我們可以滿懷信心地繼續使用它.然而,在你的量子勢理論中,你似乎採取一種根本不同的態度.你為什麼懷疑量子力學尋常解釋 我認為懷疑這個詞用得不當.如果有人到我這兒來,並說,他想解決某個物理問題,我會向他們推薦尋常解釋.因為我們知道,它不僅有效,而且給出正確答案.但是,當你考查尋常解釋,並企圖理解當電子產生干涉圖時有什麼事情在發生,那麼,你就沒有什麼物理方法去說明這個圖案的形成了. 為什麼你感到必須說電子正在幹什麼呢 歸根結蒂,在物理學中,不僅在量子力學中,我們接近世界的唯一手段是通過我們的儀器和實驗,我們必須處理的唯一數據是我們的種種實驗結果.為什麼你要把外部世界的模型的地位拔得這樣高,以便我們談論電子正在幹什麼,雖然我們不能實際觀察到它在幹什麼 難道我們的觀察還不夠嗎 不夠.我認為我們試圖乾的就是建立起一種模型,運用這個模型可以增強我們關於物理世界的種種直覺觀念.我已經被培養成一位物理學家,我感到直覺觀念總是有著巨大幫助的.當我考查量子力學時,我發現它是完全違反直覺觀念的.我們只有一種處方(即有一組規則):有一個被假設是描述系統態的波函數;然後有一個運用於這個波函數上的算符;以及我們可以從中算出我們得到某種預示的實驗數據來.但是,這無助於我們理解(比方說)雙縫實驗.當電子穿過縫時,準確地說它在幹什麼呢 它是穿過一個縫還是穿過兩個縫 如果人們企圖獲得一種什麼事情正在實際發生著的感覺,那麼這些問題就是重要的了. 讓我們把這個問題弄得明明白白.在尋常的或哥本哈根解釋中,人們只能談論一個電子的位置或一個電子的動量,但不能同時談論這兩者.其所以如此,是因為我們不知道電子在哪裡;不知道它是怎樣運動著的.即使是談論電子同時具有確定的位置和動量,那也是沒有意義的.現在你說電子實際上有確定的位置和運動,儘管實際上我們不能同時確定這兩者,這種說法對嗎 對.我考查過的模型是由德布洛衣首先提出,後來由玻姆發展的.通常方法的困難在於,人們僅能談論"觀察"或"測量",而不能談論居間什麼事情在發生著.我感到需要探索在其中我們可以提出這類問題的本體論,這意味著我們能夠把一個精確位置和動量歸屬於一個粒子,雖然對於觀察者,這些是未知的. 這就是所謂量子勢概念嗎 你能概括一下這種方法的基本特徵嗎 首先,我們設想有一個實際粒子,它具有確定的動量和確定的位置.然後,我們取其波函數,不是把它作為計算幾率的一種手段,而是把它視為一個實在的場,視為與電磁場相類似的某種東西,於是,這個場可以影響這個或另一個粒子的行為.在技術上,這是從由薛定諤方程導出的一個運動方程達到的,這個運動方程包括一項我們稱之為量子勢的附加勢,因為它改變了粒子的經典行為,產生了與量子力學相一致的種種結果. 這是一種什麼波或場呢 雖然,我使用了與電磁場的類比,實際上它具有與電磁場非常不同的性質. 是些什麼性質呢 或許,通過實例可以對它們作出最好的說明.我們知道,如果讓電子穿過具有兩鄰近狹縫的屏,在另一邊看到的結果非常象正在進行著波的相互干涉.的確,正統理論實際上用波函數描述這個具體的波現象.但是,我們在另一邊實際看到的是一簇單個電子的到達.所以,這種波實際上是一種單個電子行為的平均,並且,波的強度對應於給定時間間隔內到達一個具體地點的電子數目. 現在,正統理論說,你實際上不可能預言每一個電子怎樣到達屏的.但是,量子勢所做的就是能使你計算出一簇產生干涉圖的電子的單個軌跡來.因此,從你使用的計算,你能考查量子勢的形式.量子勢包含著象縫寬,縫間距,以及粒子動量一類的東西.換句話說,它好象具有粒子周圍環境的某種信息.正因為如此,人們傾向於把量子勢看成是由一種更象信息場而不是一種物理場的場產生的. 或許我可把這個比喻再延伸一點.假設我們想像有一艘由雷達波導航的船,雷達波被輸進船上的計算機,船便按照從雷達波接收來的信息調整方向.現在我們企圖建議量子勢來自於那些更象雷達波的波,量子勢攜帶著有關環境信息輸送給電子,所以,為產生在屏幕上觀察到的成束效應,電子調整其運動. 所以電子的運動不是受量子勢的推斥;量子勢只是攜帶著告訴電子怎樣運動的信息,是嗎 是的.它是一種信息勢.物理學中更傳統的方法是認為電子是被周圍的場所推動的,正如水波能推著船擺動一樣.量子勢不是象這樣工作的,因為實際上我們可以用常數乘這個場,這卻不改變對粒子的作用力,所以,它不是一種推著電子走動的普通的經典力. 量子勢似乎完全不象以前物理學中我們碰到的任何東西.的確,它似乎相當不尋常.如果我們把電子視為一艘船,在這種勢攜帶的信息指導下運動著,那麼,這象把電子視為一台超計算機了.我們能夠實際上想像出象電子這樣的簡單東西(它被認為是沒有內部結構,沒有內部組成部分的),能以這樣一種複雜的方式作出響應嗎 我開始想這個概念時,回憶起理查德 費曼已經比我們先一步說,他把時空中的點想像成一部用輸入和輸出與鄰域相連接的計算機,每個時空點會有一個貯存器,以記憶一切可能的場和粒子,它實際上會象一台計算機那樣起作用.所以,在他的設想中,時空中的每一點就象一台計算機! 當然,在現在小到10-16厘米距離的實驗中是不可能揭示出電子的內部結構的.但是要記住,我們還得降到大約10-33厘米的引力長度上去.所以,依然有廣泛的餘地(雖然在我們的標度上那是非常微小的)供許許多多結構派用. 所以,你認為象電子這樣的粒子,實際上可能是一種具有內部結構的複合體,這些內部結構能夠象計算機元件那樣起作用,是 我不想把類比拔得太高了,但那是可能的. 我現在有一個相當天真的問題.我認為裝有雷達的船這個比喻是非常好的.但是,當然,要使船對雷達信號作出響應,它仍應有它自己的某些動力.所以如果電子從這種量子勢中得到信息,比方說,"向左移動!"那麼,它怎樣移動呢 它的動力是什麼 動力來自量子勢本身. 但我認為量子勢只是觸發電子內部的一種響應,並不驅動電子,對嗎 我自己還沒有弄明白.觸發電子內部一種響應的是波場.這波場被翻譯成作為一個運動方程的一部分的量子勢.運用這個方程,量子勢確實產生著一種能量來自於電子自主動性的驅動力.但我不喜歡沿著這一思路往下推得太遠,因為關於電子我有一個略不相同的形象.我認為電子不能完全同它的環境分割開來.你知道,玻爾所強調的關於量子理論的事情之一是應該考查整體實驗情況.若從正面來看量子勢,我們似乎可以實際地更進一步地考查他的思想.如果不能把粒子分隔開來,並把它們視為獨立的實體來處理,那麼我們就必須把它們視為全部情況的一些側面.作出響應的是整個系統,所以,我們不應把電子想像成具有某種從內部驅動的東西.如果那樣看,那就會象是倒退到一種在電子裡面裝有齒輪或計算機部件的機械論觀點中去了. 曾經有人提議:一個電子的量子不確定性或許是起因於被其周圍環境的無規力(按海面上一個波可動蕩著一個木塞的常規方式)所搖動的.如果我們想像電子沿一條之字路徑.那麼,不難看出,只要它受到無規力的作用,它就能被迫沿著一條之字路徑運動.但是你似乎說,量子勢告訴電子怎樣圍繞之字走,但我們不能發現任何引起這種之字運動的動力. 我們總有零點能.我們知道,真空態實際上充滿著能量,而正統理論利用了那種能量. 是的,儘管如此,在細節上是難以進一步探究的,不是嗎 例如,你會期待中子和質子之間某種差別,但它們的量子行為卻是非常相似的. 但是,我並不是從電磁背景來看的.因為量子勢是由一種不象電磁場的場產生的.這種場似乎非常特別,似乎比電磁場微妙得多. 所以,你說的這種零點背景是某種量子勢場背景,而不是跟其他類型(如電磁場)較熟悉的場相聯繫的零點能,對嗎 對. 如果直接回到阿斯派克特實驗,在那個實驗中人們處理兩個粒子系統而不是一個粒子系統,那麼,此實驗表明我們必須做出一種選擇:或者拋棄我們可以稱之為"實在"的東西,即外部世界獨立於我們的觀察而存在的思想;或者,拋棄定域性,即所有的信號和影響傳播不得比光速快的思想.現在,如我所理解的,量子勢概念至少企圖保留客觀實在這一古老思想的印跡,但人們必須付出的代價是以一種非定域性而告終,這是對的嗎 你是在暗示量子力學中不具有那種非定域性嗎 不,我意識到量子力學也有一種非定域性要素.但是,當然,在哥本哈根解釋中,人們常常樂於拋棄質樸的實在論觀點.所以,可以使阿斯派克特實驗與不存在超光速的信號相一致. 如果你實質上是說,我們能運用量子演算法計算種種幾率,那麼,我就完全同意你的說法,我們可以做到這一點.在我看來,正統理論說不清楚怎樣理解阿斯派克特的種種遠距離相關性,量子勢所做的就是毫不含糊地說明兩者之間存在著一種非定域相關性.我知道,如果回到愛因斯坦關於實在性是僅具有定域相互作用的時空中的一種描述的觀點,那麼,這就會拒斥量子勢觀點.順便說,這就是愛因斯坦對於量子勢觀點想得不太多的原因之一. 這使你憂慮嗎 不,確實不.我們現在有了實驗證據表明實在中確實具有某種非定域要素.我們不得不問一問:為什麼大多數實驗僅揭示定域相關性 我們已經初步看出,通過量子勢的概念向量子場論的推廣,怎樣去說明這個問題. 設想有人能夠把這一綱領進行到底(當然,在現階段,它是嘗試性的),但假設我們能把它推進到底,那麼,似乎它會導致超光速通訊的可能性.如果我們接受相對論,這就使我們可以逆時通訊.這似乎是一個產生一切因果佯謬的秘方,這似乎是為了抓住樸實實在的某些印跡不放所要付出的高昂代價. 量子勢中沒有任何因果佯謬,因為它實質上要求一個絕對的時空背景,這背景就是狄拉克提出的那種類型的量子以太.讓我說明一下,我們考查場論,從種種場中構建起一種超勢.於是,我們就能證明超勢(受一個薛定諤超波動方程的支配)是與所有粒子即時接觸的(即非定域接觸).但當你算出典型的量子實驗的種種統計結果時,你就發現它們仍然是洛倫茲不變的(即它們遵從相對論).所以,換句話說,在量子勢方法中相對論不是一種絕對效應而是作為統計效應出現的. 所以,賣際上無法發送超光速信號 那是不清楚的.目前我們看不出有什麼方法.但是,如果有一個絕對時空,或一個絕對時空作背景,那麼,你就不會陷入因果圈套之中.所以,在這種理論中不會產生因果佯謬.但是,你會有種種即時相關性,問題是:這些即時相關性意味著什麼 我們有可能找到別的一些實驗去展現這些即時相關性,那不是不可能的. 但是,如果我們如通常在相對論範疇內所理解的那樣去考查普通時鐘的行為,那麼,即時通信實際上就會是逆時通信,不會嗎 問題是時鐘實際上是大量粒子的宏觀集合;它們的功能是統計的,因而不可能檢驗出這些即時相關性. 不可能,一隻時鐘是不會檢驗出這些即時相關性的.但是,人們可以設計一個通訊系統,雖然在你的絕對時空中會產生即時相關性,但在狹義相對論內的通常為時鐘所使用的參照系中,這就等價於逆時發送信號,難道這是不可能的嗎 我不明白為什麼會存在這種可能性.如果我們返回去考查阿斯派克特實驗,雖然量子勢表明存在一種即時相關性,但當我們在連接的兩端考查粒子統計性質時,它們(各種粒子)就表現出獨立性;只是在各種相關性中,我們才會見到非定域性.我不明白,這些相關性永遠可以轉化成使事物逆時反演的信號. 當然,目前不可能用這些相關性實際作為一種信號裝置. 對. 在量子力學尋常解釋中決不會是這種情況,但採用你的解釋,似乎原則上是可能的,雖然實際上你不可能想像怎樣做到. 嗯,我認為這是我們理論的某種優點,因為它使我們非常仔細地思考,我們能否幹這種事情. 似乎你是存心要與相對論頂撞. 我不這麼看,因為,如我所說,目前給予我們相對論的好象是統計效應.問題是我們怎樣設計出超越這個層次的實驗,以看清這些瞬時相關性.這個問題現在還不清楚.現在已經弄清楚的是:在我們目前的實驗領域內,量子勢真實地再現量子力學的種種結果,在現階段它沒做任何不同的事情. 所以,量子力學的結果與你的理論不同的唯一地方就在這些即時通訊的領域(就是使你與相對論發生麻煩的領域),我說得對嗎 麻煩在於,在量子理論的正統解釋中,我們不能提出兩個分離的系統之間什麼在發生著之類的問題.在量子力學的現有表述形式中,甚至不能想一想這個問題.因為我們只有一個波函數,從這種波函數我知道怎樣計算出種種相關性,但我不知道,在現象的底層什麼正在進行著,所以我不能提出問題.現在,你或許認為我們不應該提出這個問題.但是如果我們有了一種能產生與正統理論準確相同的結果的理論,那麼,在我看來,似乎我們應該對此作進一步的探索,以圖發現我們是否將會得到任何新的物理學.或許我們不會找到,那時你可以爭辯說,那會是浪費時間.但是,至少在這個問題上我們有一個不同的觀點. 好!暫停關於這一點的討論吧!但是,你認為你的研究方法除了給我們提供一個整潔的實在模型之外,還有什麼別的優點呢 正統方法總是留給我們所謂測量問題,如果你回頭翻閱一下文獻,你就會發現幾乎有300篇論文企圖解決測量問題.更有甚者,正統理論的倡導者們甚至對測量問題的存在抱根本否認的態度. 這就是我們以明晰的方式把觀察者帶進量子理論的地方. 是的.現在當你談到測量問題時,你應當記住正統理論說波函數描述系統的態,然後,你用你的儀器裝置確定這個態怎樣演變.當你使用儀器裝置時,就會發現此態演變成了一個所謂線性迭加的東西.讓我考查下述情況:設想你有一個給出兩種可能性的實驗從薛定諤貓實驗中,假設我們有活貓和死貓兩種可能性.好嗎 ……好的,那也行.你有了兩種可能性:貓是活的,或是死的.如果你現在試圖在量子力學表述形式中計算髮生著什麼,你會發現在實驗終了時,此貓的態函數是一個活貓和一個死貓的線性迭加. 那意味著這兩種態以某種方式相互重迭了. 這兩種態以某種方式並存,是的.現在當你打開裝貓的盒子時,於是你就看見貓是活還是死,這就稱為"波函數的縮編".在正統理論之內,你不可能產生出波函數的縮編.所以,這一直在引誘著象魏格納那樣的著名人物提出:或許"察看"(的行為)是量子力學的一個非常重要的特徵,就是說,意識以某種方式介入了局勢.當意識介入時,貓不是活就是死,但在此之前,它處於不死不活的狀態之中. 我認為你並不喜歡把精神引入物理學之中的想法,對嗎 我不明白為何在現階段要把精神引入到物理學中來.有人持有另一種觀點,那就是量子理論的多宇宙解釋.這種解釋認為,當你向盒內查看時,你所發現的東西就是,你不是處於宇宙的這一分支之中,就是處於另一分支之中.一個分支將對應於活貓,另一分支將對應於死貓. 這世界分裂成了兩個替代物 對的.我們只是碰巧遵循這兩個中的一個,我並不非常喜歡這種思想,因為我們似乎在產生著許多宇宙,而其中僅只一個被我們所觀察.所以,我們有了一種相當奇特的處境.現在用量子勢來表述,我們就不會陷入這樣的困境.因為我們有一種實體即粒子,如果粒子處於那些波的一個之中,那麼,就信息(量子)勢而言,沒有信息從通常在量子力學中使用的其他波包(即對應於分叉宇宙的其他分支的波函數部分)中反饋給它. 它們不會彼此相干嗎 它們最終有可能相干.但是,問題是:當粒子處於一個波包中時,只要它離開了別的波,它們就不會相干.然而,如果允許這兩個波包重迭,那麼,兩者之間當然存在相互作用的可能性.但現在當我們作出一次測量時,所發生的就是一個不可逆過程了.在量子勢方法中,這種不可逆過程是波函數縮編的關鍵,"空的"波包現在永遠不可能被帶回去再次與有粒子波包的波函數重迭了. 為什麼不呢 是因為它突然間從這個宇宙中消失了嗎 或許我們不應該說它實際上從這個宇宙消失了.而應該說,"空的"波包中的信息不再有任何效應.因為在測量作用期間,不可逆過程引入一個隨機的無規的擾動.它破壞了波包中量子勢的信息. 所以,根本說不上波的一部分消失了,而是它以不可逆方式混雜在其他事物中間了.波沒有消失,它只是完全地與其他波編織在一起,而損失了其原有信息. 是的.我願接受這一說法.它不再有任何主動性,我們已力圖把主動信息和被動信息區別開來.就是說,當儀器發生這種不可逆變化時,一個波包便變成被動的了. 所以,波的一部分不是消失了(作為測量作用的一種結果),而只是變得無效力了,是嗎 是的,你說得對. 讓我再考查一下宏觀量子標度,你說過,一個粒子,比方說,一個電子,事實上具有確定的位置和動量.然而,從海森伯不確定性原理我們知道,不能同時測量這兩者.你怎樣說明這一點呢 嗯,那只是一種統計效應.你知道,當你把測量儀器帶到實驗中來的時候,你就有了一個多體系統.多體系統本質上講必定是一個熱力學系統,所以你決不可能期望知道此裝置的所有粒子在什麼地方.比方說,測量或準備一個處於某給定動量態的系統的過程本身,就意味著你因此而將具有所有的這種不確定性.你決不能肯定粒子在什麼地方.因為這種熱力學狀況,我們總不能獲得一種明晰性. 不確定性是由儀器引進的 是的,是由儀器引進的. 它是我們探查系統的"包袱"嗎 你說得對.所以,在這種解釋中,原則上它會是因果的.但在實際中,因為我們是一個熱力學系統,儀器也是一個熱力學系統,所以我們不可望確定精確的效應. 這樣一來,我就看不出普朗克常數是怎樣產生的了.因為既然量子不確定性純屬熱力學的,那麼,普朗克常數就似乎只是一種經典效應了.我看不出為什麼應該有任何優惠的作用量標度. 在我看來,普朗克常數的值實際上與量子力學無關.我知道,我在這兒犯了異端邪說罪,因為許多人都有這樣一種印象,即如果你令普朗克常數等於零,那麼,你就可以從量子表述形式重新獲得經典力學,而且,真理就是如此. 然而,普朗克常數是大自然所具有的一個基本常數.如果它的值變化一點,那麼這個世界就會變樣了. 我同意.但是,量子勢確實包含普朗克常數.因此,如果普朗克常數改變其值,量子勢也會改變其值. 但是,剛才我們處理的問題是這樣涉及海森伯不確定性原理的,即:如果我們對一個系統實行一次測量,是由於儀器的愚笨性(在經典熱力學意義下)才引進了表觀的量子不確定性,為什麼這種不確定性是在普朗克常數所確定標度上呢 如果不確定性純屬經典效應,為什麼它應該是那種具體的標度 這似乎有點神秘. 但現在我們實質上從薛定諤方程中造就了這個量子勢,在量子勢中已經包含有普朗克常數了. 是的.但是,歸根結蒂,如果我們只是求得關於測量的一種經典解釋,即我們有一個粒子,並企圖去測量它的位置和動量等等.我們就會發現我們是以相當笨拙的方式在干這件事,而且,在結果中存在一定程度的不確定性.當然,我們從熱力學知道,這是常有的情況.但是,如果我們想像越來越精練我們的測量裝置,並獲得越來越精確的結果,那麼,量子力學告訴我們存在一個不可約化的不確定性,而且,那就是普朗克常數介入的地方.據你所說的儀器裝置引起這種擾動,我看不出不可約化的不確定性出自何因.為什麼會存在作用量的某種具體的標度 這是一個好問題.我同意你的觀點.我想我同意你的關於那不可能僅只是不可逆性的觀點.但是記住,我們用薛定諤方程導出了量子勢,由於它包含有普朗克常數,因此,我們的分析也包含有它.所以,你實質上是要我說明為什麼我們需要薛定諤方程.對於這個問題,我不知如何回答. 術語彙編 無限回歸 哲學上一種具有令人不快結局的推理.在這推理中每一步都在邏輯上依賴於前一步,並且如此無休止地繼續下去. 不可逆過程 在某些物理系統中(例如擺動的擺),種種有趣的過程也可能逆向發生.但在另一些物理系統中(例如,兩種不同氣體的相互擴散),過程是不可逆的. 雙縫實驗 由托馬斯 楊首先實施的一個實驗.在這個實驗中,光落在一塊有兩個靠近的狹縫的屏上,於是,在像屏上產生一個干涉圖樣,從而顯示出光的波動性. 貝爾定理(或不等式) 這是以約翰 貝爾命名的一條定理.1965年,他在關於物理作用的本性及實在的本性作了一定的假定的條件下,以數學不等式的形式,關於對分離系統同時實行測量所得的種種結果能夠相互關聯的程度,證明了一些很普遍的限制關係. 因果性 原因與效果之間的關係.在經典物理學中,效果只限定發生於原因之後.在相對論物理學中,因果關係還受到有限光速的附加限制.要超光速傳播影響才能關聯的事件,是因果獨立的.因果獨立的事件不能互相影響. 以太 從前曾被認為是充滿整個空間的一種假想的媒質,從而定義了一種宇宙參照系,相對於這種參照系可以確定實體物質通過空間的速度.電磁波曾被看成是以太的振動,狹義相對論擯棄了以太的概念. 電動力學 處理電磁場及其源(即電荷,電流與磁極)的理論.電動力學考慮了源的運動,場的傳播以及源與場之間的相互作用. 動量守恆 經典物理學和量子物理學中的一條基本定律.它要求無論內部出現什麼改變,一個孤立系統的總動量保持恆定.在經典牛頓力學中,動量定義為質量乘以速度. 阿斯派克特實驗 1982年阿萊因 阿斯派克特及其合作者們所做的一個實驗.它通過核對單個原子躍遷中同時發射的光子是否遵循貝爾不等式,來檢驗量子力學概念基礎. 海森伯不確定性原理 以魏爾納 海森伯命名的一條原理.它是一種描述一種不可約化的不確定性的數學表達式.在同時測量一對確定的動力學量時(如測量一個粒子的位置與動量),這種不確定性總是存在的. 定域性 對於事物能因果地相互影響的方式所施加的一種物理限制.在一般的情況下,定域性是這樣的概念,即事件僅能對於它們毗鄰中的其他事物產生影響.定域性還有一個更狹隘的意義:如果所有的物理效應被假設不比光速傳播快,那麼,兩個同時的空間分離事件不可能因果相關.因此,一事件只能即時地相關於同一地點的另一事件. 非定域性 定域性在其中失效的虛擬情況.某些量子過程具有非定域性癖好,即:空間分離的事件能夠關聯起來,但通常假設這不違背關於空間分離事件之間即時因果相關的更狹隘的定域性定義. 態函數 一種抽象的數學實體.它彙編了對一個量子系統作最完全可行的物理描述所需要的一切物理信息.在許多情況中,態函數可以用遵從薛定諤方程的一個波函數所表示. 波函數 描述一個量子系統狀態的數學實體.在簡單情形下,波函數的行為由薛定諤方程描述. 波函數縮編 對量子系統作一次測量時所出現的過程.這時波函數突然且不連續地改變其結構,這個縮編的意義是眾說紛壇的. 波包 有時,量子系統的波函數濃縮在空間的一個窄小區域內.這種位形(它意味著所描述的粒子是相對定域的)稱為波包. 相對論 一種描述空間,時間和運動的流行的公認理論,是20世紀物理學的基石之一.狹義相對論首先由愛因斯坦於1905年提出,引入了一些諸如時間膨脹,以及質量(m)與能量(E=mc2)之間的等價性等一些不尋常的概念.狹義相對論的一個關鍵性結果是物質實體,物理影響或信號都不能超過光速.後來(1915年)"廣義"相對論包容了引力對時空結構的種種效應. 洛倫茲不變性 以H.A.洛倫茲命名的不變性,這是一個與理論的對稱性相關聯的數學概念.它以與狹義相對論原理相一致的方式,把一個參照系中觀察到的物理量的值與另一個參照系中觀察到的值關聯起來.如果一個理論遵從相對論,它就必須具有洛倫茲不變性. 哥本哈根解釋 與尼 玻爾的名字以及30年代期間在哥本哈根他的研究學派相聯繫的量子力學解釋.儘管它的觀點不斷受到非難,哥本哈根解釋通常被認為是常規觀點. 愛因斯坦—波多斯克—羅孫實驗 愛因斯坦及其同事們於1935年設計的一個思想實驗,其目的是藉以暴露玻爾所解釋的量子力學的種種怪癖.這個實驗由對兩個曾處於相互作用之中,後來分離開來的量子系統實行同時測量所組成,它形成了阿斯派克特實驗的基礎. 虛粒子 海森伯不確定性原理允許粒子自發地出現與消失,其間僅存在一個非常短暫的時間.這些疾馳的實體稱為"虛的",以區別於更為人熟悉的長壽命的"實"粒子. 超距作用 兩個分離的系統相互施加物理效應的概念.在現代物理學中,用場論替代了直接的超距作用.在場論中,分離的系統僅靠激發種種通過廣延於兩系統之間空間的場來傳播影響而發生相互作用.例如,月亮的運動,通過引力場的中介作用,而引起海潮. 超光速信號 涉及超光速傳遞物理效應的虛擬機制.因此,能使那些按照相對論被視為物理上獨立的事件,因果地關聯起來. 普朗克常數 宇宙的一個自然常數,用h表示.它定量給出量子效應起重要作用的標度,它存在於量子系統的一切數學描述之中,可以出現在各種各樣的情況中.例如,它可以是一個光子的能量對光波頻率的比值. 量子場論 應用於諸如電磁場之類的場情形中的量子理論.量子場論構成了當今理解高能粒子物理學以及理解支配亞原子物質的基本力的基礎. 量子勢 玻姆,海利及其同事們所喜愛的描述量子系統的模式.在這種模式中,與量子行為相關聯的古怪的和不可預示的種種漲落,被視為由一種類似於引力勢的"勢場"所產生的. 薛定諤貓佯謬 一種來源於一個思想實驗的佯謬.在這種實驗中,用一個量子過程使貓處於一種明顯的活與死兩態迭加的狀態之中. 薛定諤方程 以埃爾溫 薛定諤命名的波動方程.它類似於普通的波動方程,描述著量子波函數的行為. 零點能 一種不可約化的能量.按照量子力學,它總是居於一個以某種方式被限制的系統之內,它的存在可以看成是海森伯不確定性原理的一個必然結果.

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