Monday, December 26, 2011

宇宙的精灵 #13.5



1927年到1935年经典派和现代派的三次世界大战,科学共同体公认是现代派获胜,哥本哈根诠释遂成为量子力学的正统。但认为从此万众一心,天下太平,也是一厢情愿。人类既然有过坚实而明晰的经典物理,实在性和决定论就是一种几乎永远无法戒除的心瘾。据说是由爱因斯坦倡导的“隐变量理论”,成为人们回归经典伊甸园脱离不确定灾难的一艘方舟。说白了,科学家在进行他们的理论建构时,头脑里总会有一个理想图式,当解决方案不能满足这个图式时,就怀疑背后还存在着一种“隐变量”,一旦掌握了它,就像一缸混水撒上一把漂白粉,马上会清澈见底。在量子力学领域,只要有了它,就可以接续上被哥派拆解得支离破碎的因果链,并破解掉乱麻似的不可分离性,恢复世界决定性和实在性的本来面目。

但这艘方舟很快就被一个神童出生的年轻人一棍子打翻了。匈牙利裔美国物理学家和数学家约翰·冯·诺依曼  John von Neumann1903年出生于匈牙利,是狄拉克的同龄人。1932年,他出版了一本著作《量子力学的数学基础》,为量子力学提供了严密的数学基础,其中捎带着做了一个隐变量理论的不可能性证明。冯·诺依曼何等聪明的人呐,读书过目不忘,6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈,一生掌握了七种语言,许多是可以同步翻译。他被誉为“计算机之父”,当初发明计算机时,有人见过他心算后调侃道:“还发明什么计算机?这就有一台。”这又是天才的“最小作用量原理”,小冯一出手,二十年内隐变量理论居然就无人问津。

到了上世纪的五十年代,这时二战结束世界太平,物理学界又有人惦记起河清海晏的经典伊甸园。美国物理学家戴维·玻姆(David Bohm),1917年生人。曾师从奥本海默获得博士学位。1947年,由奥本海默举荐任普林斯顿大学助理教授讲授量子力学。这时,他还自认为是波尔的拥趸。为加深对量子力学的理解,他一边讲课,一边撰写一本名为《量子理论》的教材。这本书于1950年出版,玻姆把它分寄给了爱因斯坦、波尔和泡利。波尔没回信,泡利回信说书写得很好。爱因斯坦则地利之便邀他到家里讨论。实际上他在写完这本书时已经对哥本哈根诠释产生了不满和怀疑。跟爱因斯坦长谈后更坚定了完成爱因斯坦EPR论文的未了心愿,为量子力学提供“完备”解释的信念。

说来玻姆跟冯·诺依曼的家庭还有许多相似之处,他俩的父辈都是奥匈帝国人,以后他们这一代人又都在美国发展,都是企业家有殷实的家境使他们能享受良好的教育。然而现在玻姆的工作,却是为冯·诺依曼的隐变量不可能性证明提供一个反例。1952年,他在美国《物理评论》上连续发表两篇文章,提出了量子力学的隐变量理论。

在玻姆的量子世界中,微观粒子不仅通常力支配,还受另一种微妙的隐变量影响,这种神秘的力量叫“量子势”。量子势掌握了波函数所描述的整体信息,这种信息引导着粒子的运动。这就神了,比武打片里的秘笈还神,得到它就等于得天下了。前面说的双缝实验,电子怎么知道是单缝还是双缝,不就因为有这本秘笈吗?玻姆说微观粒子运动有别于宏观物体运动的一切奇异乃至诡异之处,全在于量子势的存在。在哥本哈根诠释那里,粒子的运动是随机的,没有轨迹的。现在好了,只要有量子势(隐变量)和传统力(显参量)互补,粒子就有了连续的轨道,不再需要“鬼怪式的跃迁”。那么量子势又怎样起作用呢?玻姆说量子势是一种由粒子发散开来的充满了整个宇宙的势场——波函数(ψ)场,这个场满足薛定谔方程,严格按方程规定演化。如此EPR实验里的双粒子的相关性也就好解释了——它俩不过是同一方程式里的两个因子,变量和应变量,同步的变化是逻辑应有之义。量子力学在哥本哈根的迷途上彷徨了二十年后,现在又回到了经典实在性和决定论的康庄大道!

玻姆的隐变量理论发表出来之后,德布罗意发现这不过是自己双重解理论的翻版,这让他看到了死灰复燃的希望,在这一年他接连发表了几篇重述双重解理论、批判哥本哈根诠释的论文,已经皈依了哥本哈根阵营的法国王子再一次举起的叛旗。

可是时代不同了,实证主义“拒斥形而上学”的理念已经深入人心,原则上不能观察ψ场和粒子轨迹怎么可能找到相信者?所以玻姆的理论遭到了普遍的冷遇。而爱因斯坦呢,当初他确实鼓励小玻的探索,然而现在拿出来的东西却也没有逃出“EPR佯谬”的魔咒,玻姆在捍卫实在性的同时却抛弃了定域性玻姆用量子势同时作用于不同区域的双粒子,这正是爱因斯坦诅咒的“幽灵般的超距作用”,也即“非定域性”。因此爱因斯坦很沮丧地评论,用这样的理论来解决沉重的历史积案也未免“太廉价”了。“上帝之鞭”泡利更是毫不留情地指出,这纯粹是“新瓶装老酒”,让那早被批倒的东西还魂。

不过玻姆的工作也不是浅薄的胡闹,在冯·诺依曼插上了“STOP”路牌的道路上他有声有色地走了一遭,没走通至少也证明了也不是完全不能走,英雄时代的先贤也不是那么不可挑战或逾越。而且他把EPR实验里双粒子动量和位置的复杂测定,简化为了粒子自旋的测定,为把这个理想实验转化为现实实验迈进了极具实质意义的一步。这就激励了贝尔在回归经典的道路上前赴后继。



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