 《三思科学》电子杂志
2003年2/3月份合刊
总第19期
2003年3月31日
目 录
封面
封面故事
[碧声]紫花地丁
新闻
[春上莱茵早]CEBIT:今年手机唱主角
[三思新闻编辑]2~3月份科学新闻
├ 德国科学家发明出“神经芯片”
├ 伊油田大火扰乱候鸟迁徙路线
├ 战争带来的心灵创伤将长久难愈
├ 全球最快的PC亮相CeBIT
├ 世界第一个修补大脑的芯片
├ 三十万年前的人类脚印
├ 再见，先驱者10号
├ 一种艾滋病疫苗进入第三期试验
├ 鱼脑中发现普里昂蛋白
├ 化学元素大家庭的新成员：Ds
├ 火扑飞蛾
├ 克隆羊多利“安乐”辞世
├ 宇宙“婴儿期”的最精细照片
├ 没有最黑，只有更黑
├ 哥伦比亚号航天飞机失事
├ 用四肢滑翔
└ 柏林国际绿色周散记
循证医学专题
[江华]循证医学：临床医学观的科学化
[皮特·朗洪]世界为什么需要循证医学
[苡菥莼]什么是系统评价
[江华、蒋朱明]核酸的治疗或预防功能
的评价
求知
[碧声]一只绵羊的一生
[碧声]再见，多利
[陶世龙]走出认识地球的误区
(二)凡尔纳一次失败的幻想
(三)大气圈--地球真正的外壳
[逍遥]终极巫术--疯牛病小传(五)
译述
[C.Macilwain]面对粮食
[G.Brumfiel]更换航天飞机:飞行与祈祷
[M.Szalavitz]爱是毒品
[M.Paetsch]没有表面:黑洞真的是洞
博物
[佳肴]甲龙
[碧声]另类星爆
观点
[赵南元]科技伦理和责任分析
历史
[高山]《量子》历史之旅
(五)回到经典、(六)多世界
辩伪
[方舟子]人参与西洋参:历史与现实,
神话与事实
[方舟子]转基因作物恐慌与真相
[W.Williams]伪科学词典(二):
复活节岛、《命运杂志》、盖娅假说
幽默
[桔梗]《科学地球人》: 4的死期
版权声明·订阅与投稿须知
三思科学杂志社
本期责编 碧 声
封面摄影 刘华杰
三思科学网站
©2003,All Rights Reserved.
|
 |
回到经典
《量子》历史之旅（五）
 高山
对经典思想的留恋使一些物理学家不能容忍正统观点的独断专行，他们渴望回到熟悉的经典家园。尽管这可能会走弯路，但他们无疑抓住了实在性，而没有让量子世界消失在互补性的迷雾之中。50年代初，玻姆终于找到了一条返回经典家园的隐变量之河，他的理论再一次唤起人们对真实的实在世界的向往。
1947年，第二次世界大战在烈火和硝烟中结束了。对于量子理论而言，新一代物理学家正成长起来，他们没有经历过创立者们所走过的艰难岁月，也没有体验到理论建立时的心灵震撼。对于他们来说，量子力学和正统解释已经现成地摆在那里，只需要学习和接受而已。然而，人类固有的反叛天性却使他们成为了反对正统解释的“量子异教徒”，并沿着EPR所指引的方向继续前进。
从量子理论建立伊始，人们就意识到由波函数所描述的系统一般不具有确定的性质，只有我们对这种性质进行测量后才能得到一个唯一的确定值。这一事实似乎意味着在测量之前不存在真实的、确定的世界。一种最直接的补救办法就是给波函数增加额外的隐变量，从而可以赋予系统的性质以确定值，为系统提供更完备的描述，例如，这些隐变量可以同时提供粒子于任意时刻的位置和动量。1952年，玻姆果真给出了一个隐变量理论，并将人们重又带回到那个确定性的经典世界中。
玻姆出场
1951年，普林斯顿高等研究院
玻姆刚刚从爱因斯坦的办公室里走出来，他的心情有些激动，爱因斯坦不仅喜欢他写的书，而且也承认他和自己一样对量子理论不满意。“我从未看到量子理论被如此清晰地表述出来。。。量子理论包含了一部分真理，但它却是不完备的”，爱因斯坦的赞同和鼓励给了玻姆更大的信心和勇气，他决心找到通往量子实在的道路。
图5-1 玻姆 | |
在大学时代，玻姆就开始深深迷恋上量子理论。1939年，他来到加利福尼亚大学伯克利分校攻读物理学博士学位。在那里他参加了奥本海默的量子力学讲习班，并在业余时间经常与同宿舍的博士生温伯格讨论量子问题。1946年，玻姆成为了普林斯顿大学的一名助教，然而，量子问题却始终萦绕在玻姆的心头，为了理解量子概念的精确本性，他决定写一本关于量子力学的书。
五年后，玻姆终于完成了《量子理论》一书，这本书后来成为最好的量子力学教科书之一。尽管玻姆在书中采用了正统的哥本哈根解释1，但是在这本书的写作过程中，他开始对正统观点产生怀疑。玻姆无法接受正统观点的下述教义，即微观粒子没有客观的存在性，只有当人们测量和观察它们时才具有确定的性质，同时，他也不愿相信量子世界是由纯粹的几率所统治的。玻姆逐渐相信，在量子世界表面上的随机性底下隐藏着更深刻的原因。
爱因斯坦对玻姆的书给予了很高的评价，他热情地给玻姆打了电话，并说他想和玻姆讨论一下那本书。于是，玻姆来到了爱因斯坦的办公室，与他进行了那次终生难忘的谈话。爱因斯坦说自己从未看到量子理论被如此清晰地表述出来，同时，他也表达了对量子理论正统解释的不满。爱因斯坦认为，尽管量子理论取得了惊人的成功，但它仍然是不完备的，人们通过它不能获得对量子过程的更清晰的理解。爱因斯坦的话深深影响了玻姆，并进一步激励他去发现隐藏在量子现象背后的可能的经典世界。
为粒子找回轨迹
1952年，玻姆的思索终于有了结果，他在《物理学评论》上连续发表两篇文章，提出了量子力学的隐变量解释。
玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。通俗地讲，这有些类似于雷达波引导轮船的情况，雷达从周围的环境收集信息，然后指引轮船航行，但轮船航行的动力则来自它本身的发动机。
图5-2 粒子通过双缝后的玻姆轨迹 (G. Bauer提供) | |
在玻姆的隐变量理论中，粒子与波函数同时存在，其中波函数被看作是一种存在于数学配置空间中的物理场，满足连续的薛定谔方程，并且从不坍缩，而粒子则由波函数引导进行连续运动，同时具有确定的位置和速度。因此，玻姆的隐变量理论（在经典意义上）提供了比量子力学更为完备的描述。
但是，它却不可见！
玻姆理论的最引人注目之处在于它对测量的处理。在这一理论中，量子系统的性质不只属于系统本身，它的演化即取决于系统也取决于测量仪器。因此，关于隐变量的测量结果的统计分布将随实验装置的不同而不同。正是这个整体性特征保证了玻姆的隐变量理论与量子力学（对于测量结果）具有完全相同的预测3。然而，它也导致了一个令人极不舒服的结果。
根据玻姆理论的预言，尽管它为粒子找回了轨迹，但却是一条永远不可见的轨迹，理论中引入的隐变量---粒子的确定的位置和速度都是原则上不可测知的。人们永远无法知道粒子实际的运动轨迹，对它们的测量将总是产生与量子力学相一致的结果，例如，这些结果总满足不确定关系。此外，玻姆理论所假设的另一物理实在---波函数或Ψ场同样是不可探测的隐变量，因为对单个粒子的物理测量一般只产生一个关于粒子性质的确定的结果，而根本测不到任何Ψ场的性质4。
第一个实在模型
无论如何，玻姆理论都是一个极佳的实在范例，它第一次真正打破了正统观点的“清规戒律”，并让我们看到量子现象背后的微观实在是可以存在的。可以说，玻姆理论巧妙地综合了爱因斯坦和玻尔的思想5，一方面，它保留了爱因斯坦所坚持的实在性、因果性和决定论，这体现在粒子的客观存在和它的连续运动轨迹上；另一方面，它又保留了玻尔的整体性思想，这体现在作为客观场的波函数和它所产生的量子势上。
正如玻姆晚年（1987）所言，他的隐变量解释“打开了通往更微妙的实在底层的大门”。的确，这一解释给那些坚持实在性观念的人们以更加坚定的信心，而这种信心必将指引他们最终发现量子实在的真实图像。
[评论]
玻姆理论所提供给我们的两种物理实在---粒子轨迹和Ψ场都是不可测知的，因而只是一种理论虚幻，一种比互补性更美好的虚幻。更为重要的是，玻姆理论并没有为波函数这一数学实体及其演化规律——薛定谔方程提供进一步的物理解释。在这一理论中，波函数被直接当做是存在于数学配置空间中的物理场，并且只是简单地假设它满足薛定谔方程。因此，严格地说，玻姆理论并没有为隐藏在波函数背后的神秘的微观实在提供一幅清晰的物理图象，从而它或许并不能称为量子力学的实在解释，甚至不能称为量子力学的解释。
[补充材料]
玻姆对量子力学的另一个重要贡献是，在爱因斯坦等人的EPR论证的基础上，他进一步提出了EPR实验的自旋版本。这一版本现在被称为EPRB实验，它的提出使EPR实验可以更容易地在实验室中进行。另一方面，EPRB实验也大大简化了理论分析，后来贝尔提出的著名不等式正是基于这个实验，而关于贝尔不等式的检验，如1982年阿斯派克特等人的实验，则正是EPRB实验的最终实现。
插曲：爱因斯坦的评价
玻姆的隐变量理论一开始就受到了冷遇。正统一派自然对他的“异端邪说”进行猛烈的反击，因为它竟敢抛弃他们的教义---互补性原理，而最让玻姆感到失望的是，爱因斯坦竟然也不赞同他的解释，也许是因为这一解释与统一场论的方向并不一致。爱因斯坦在1952年5月2日给玻恩的信中说，“你曾听说过玻姆认为---就象德布罗意25年前一样---他已能用决定论的精神来解释量子理论了吗？我觉得这种办法似乎太廉价了。”实际上，爱因斯坦在整个研究生涯中从未提到过隐变量一词。此外，让玻姆感到同样意外的是，德布罗意也认为他的理论“将会遇到不可克服的困难，主要是由于不可能赋予Ψ波以物理实在性”。
然而，玻姆的理论却深深吸引了另一个同样为量子力学着迷的物理学家贝尔，他决心探寻隐变量是否真的存在，并因此发现了被称为“科学的最深远的发现”的贝尔不等式6。
两难局面
图5-3 贝尔 | |
贝尔是欧洲高能物理实验室(CERN)的一名物理学家，他的专职工作是加速器设计和粒子物理学研究，而量子力学研究只是他的业余爱好。然而，也正是这一业余研究使贝尔的名字永远留在物理学，甚至科学的史册上。
从大学时代起，贝尔就对量子力学和它的隐含产生了浓厚的兴趣，这些问题在当时已为爱因斯坦和玻尔激烈地争论过，但没有结论。贝尔深为下述的两难局面所困扰，一方面，根据玻尔一派的看法，以及冯诺依曼1932年的不可能性证明，量子力学拒绝隐变量的存在，而根据爱因斯坦等人1935年的EPR论证，量子力学必定是不完备的，从而应当存在隐变量以完备地描述量子系统的状态。那么，这两种观点中哪一个是正确的呢？或者说，隐变量究竟是否存在呢？
当贝尔在40年代为这些量子问题苦恼时，他并没有十分明确的想法，只是更倾向于爱因斯坦的观点7。贝尔认为，引入决定论隐变量可能是非常自然的，原因主要有三个，一是它可以消除模糊的量子边界，从而可以恢复实在论，二是它可以恢复确定性和决定论，第三个原因与EPR论证有关，贝尔认为爱因斯坦所要求的量子力学的完备化就是简单地增加隐变量。然而，冯诺依曼的不可能性证明却始终像一团阴云，使贝尔对隐变量的热情不得不有所减弱。
1952年，当玻姆提出他的隐变量理论时，贝尔终于惊喜地“看到这种不可能性被实现了”，当时他也许是玻姆理论的唯一支持者。然而，贝尔的本职工作并不允许他花费更多的时间来考虑这些量子问题。十年转瞬即逝，当贝尔达到了他作为高能物理学家的职业顶峰时，他才有时间思考那些使他着迷的量子问题。1963年，贝尔到位于加利福尼亚的斯坦福直线加速器中心（SLAC）做为期一年的访问休假，这使贝尔有时间重又回到隐变量问题上。
遭遇不可能性
贝尔在玻姆理论的基础上重新考察了冯诺依曼的不可能性定理。由于玻姆的理论过于复杂，他自己找到了一个非常简单的隐变量模型，并基于这个模型重新分析了冯诺依曼的证明。贝尔很快意识到，冯诺依曼的证明所依据的可加性假设是有问题的8，它并不适用于所有的隐变量理论。由于这一假设是证明的关键，它的无效立刻就推翻了冯诺依曼关于隐变量不可能性的证明。
贝尔将他的这些想法写成了一篇文章，并于1964年投寄给《现代物理评论》杂志，但由于刊物主编的疏忽，直到1966年才发表。在这篇文章中，贝尔还讨论了隐变量理论的两个令人不安的特征，第一个是关联性，即一个变量的测量结果将依赖于哪个其他变量被同时测量，第二个就是非定域性，即一个粒子的行为依赖于所有其它粒子的行为，无论相距多远。
在贝尔看来，非定域性明显与爱因斯坦的相对论相抵触，是应当避免的。于是，贝尔试图进一步找到一个类似于玻姆理论的隐变量模型，但其中没有恼人的非定域性。然而，贝尔没有成功，相反，通过对EPRB实验所进行的更深入的分析，他却意外地发现了那个后来以他的名字命名的不等式——贝尔不等式，并“建立了一个不可能性证明”9。贝尔发现，量子力学竟然禁止定域隐变量理论的存在！这一结论今天被称为贝尔定理，它告诉我们任何与量子力学具有相同预测的理论将不可避免地具有非定域性特征，或者说必将包含某种“心灵感应”特性。具体地说，量子力学预言在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间存在某种非定域关联，如果我们对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远。
贝尔不等式的发现被称为“科学的最深远的发现”之一，它首次清晰地揭示了量子世界的奇妙特征---非定域性，并使人们第一次有可能通过实验来直接证实这种量子非定域性的存在。至今，人们已进行了大量实验来证明贝尔定理，其中最有说服力的是法国物理学家阿斯派克特等人于1982年所做的实验，这些实验的结果再次证实了量子力学的预言。
[评论]
贝尔关于量子力学的文章是清晰透彻的，他将正统的哥本哈根解释称为罗曼蒂克的、非物理的。除了他于1990年写的最后一篇文章“反对测量”外，贝尔关于量子力学的看法都收录在《量子力学中可言说的与不可言说的》一书中。非常值得一读！
残留的隐变量
贝尔定理排除了人们最熟悉、也最直观的一类隐变量---定域隐变量，它告诉我们，隐变量如果存在将必然包含一种难以理解的非定域性，这种隐变量被称为非定域隐变量。此外，这种非定域隐变量理论还必须以超决定论为基础，即假设一切都由宇宙初始条件和超决定论的演化方程预先决定。于是，量子随机性以及我们人类的自由意志都将消失在决定论的迷雾之中，而且这些还不够，非定域隐变量理论还必须在超决定论的基础上再假定宇宙从大爆炸经过一百多亿年的演化进化出我们地球上的人类，而人类再走过几千年的文明历程，于21世纪的某一天在他们的量子实验中，在他们可任意选择的测量之间仍然存在着简单的、可辨认的超决定论的关联，它们竟没有淹没在自宇宙创生以来所不断积累的噪声之中，并且反而愈加如隐变量理论所需要的那样明显。无疑，这是极不自然的，也是极不可能的。
可以说，正是由于贝尔深信隐变量的存在，他才会去认真地找寻它们，并因此发现了那个美妙的贝尔不等式。然而，这个不等式的发现对于贝尔来说却是事与愿违，它让量子巨轮离开隐变量的经典之岸愈来愈远了。
今天，尽管大多数物理学家都不愿沿着玻姆所发现的隐变量之河返回昔日的经典家园，但是他们相信，一定存在通往量子世界的实在之路。而贝尔的发现进一步显示，隐藏在量子现象背后的物理实在将更加微妙，也更加不可捉摸，而量子探险之路无疑也将更加艰辛。然而物理学家们不愿服输，他们准备付出一切代价，甚至不惜冒险进入令人迷幻的多世界丛林。
注：
1、玻姆在这本书的序言中说，“关于一条精确确定的连续轨道的经典概念，由于引进一系列单次跃迁的运动描述方式而被根本地改变了”。
2、尽管双缝后面为真空，但是由于受到量子势的作用粒子将不走直线，从而可以产生干涉图像。
3、应当指出，玻姆的隐变量理论需要假设粒子与某种未知背景系统之间存在随机相互作用，即需要假设背景随机涨落的存在。因此，对于一些特殊情况玻姆理论与量子力学具有不同的预测，并且可以通过实验来区分。
4、应当指出，玻姆理论还存在其他一些问题。例如，在玻姆理论中，粒子之间存在一种瞬时的联系，每一个粒子的速度都瞬时地依赖于其他粒子的位置和速度，从而粒子的连续运动将明显违反相对论要求。此外，还有粒子与波函数之间的相互作用缺乏对称性，以及空波问题等等。具体论述可参见《量子运动与超光速通信》。
5、当然，玻姆理论也不可避免地舍弃了他们两人所最珍爱的一些东西，如爱因斯坦所坚持的定域性和玻尔所强调的非连续性。
6、这一评价来自于美国物理学家斯塔普(Henry Stapp)，他目前工作于加利福尼亚的劳伦斯伯克利国家实验室。
7、贝尔认为自己是爱因斯坦的追随者。他后来对好友伯恩斯坦（Jeremy Bernstein）解释说，“我认为，在这个问题上，爱因斯坦比玻尔具有更大的智力优越性，在那些清楚地看到需要什么的人与蒙昧主义者之间存在一个巨大的隔阂。” 对于玻尔，贝尔则认为他是两个分离的人。贝尔一方面强烈支持玻尔的下述观点，即测量仪器的纯经典性以及单次测量中的整体性观念，但是，另一方面，贝尔认为玻尔的互补性原理一点也不清晰，他更喜欢称之为矛盾性原理。此外，贝尔认为玻尔对EPR悖论的解决也是不一致的。
8、据说，在冯诺依曼的证明发表后不久，爱因斯坦就在一次讨论中指出了这一可加性问题。
9、贝尔的证明发表于1964年的《物理》杂志上，文章只有5页长，其中关键的一节“矛盾”只有两页，共有大约12个方程，论证十分简单、清晰。这篇文章后来被认为是20世纪物理学领域中最著名的文章之一。有趣的是，《物理》杂志只出版了一年就停刊了，从而成为历史上“寿命”最短的物理学杂志，但由于贝尔不等式它却广为人知。
《量子》历史之旅(一)·发现量子
《量子》逻辑之旅(一)·量子的存在
《量子》历史之旅(二)·神秘的量子理论 《量子》历史之旅(三)·正统观念
《量子》历史之旅(四)·反对者们
|
|
