當前位置:
首頁 > 知識 > 有關量子糾纏的超光速問題

有關量子糾纏的超光速問題

斗轉星移,眨眼間已是1927,科學巨人已離開我們整整100周年。一向安靜寧謐的科莫忽然又熱鬧起來,新時代的科學大師們又聚集於此,在紀念先人的同時探討物理學的最新進展。科莫會議邀請了當時幾乎所有的最傑出的物理學家,洵為盛會。赴會者包括玻爾、海森堡、普朗克、泡利、波恩、洛倫茲、德布羅意、費米、克萊默、勞厄、康普頓、魏格納、索末菲、德拜、馮諾依曼……遺憾的是,愛因斯坦和薛定諤都別有要務,未能出席。這兩位哥本哈根派主要敵手的缺席使得論戰的火花向後推遲了幾個月。


在準備科莫會議講稿的過程中,互補原理的思想進一步在玻爾腦中成型。他決定在這個會議上把這一大膽的思想披露出來。在準備講稿的同時,他還給《自然》雜誌寫短文以介紹這個發現,事情太多而時間倉促,最後搞得他手忙腳亂。在出發前的一剎那,他竟然找不到他的護照--這耽誤了幾個小時的火車。


但是,不管怎麼樣,玻爾最後還是完成那長達8頁的講稿,並在大會上成功地作了發言。

這個演講名為《量子公設和原子論的最近發展》,在其中玻爾第一次描述了波-粒的二象性,用互補原理詳盡地闡明我們對待原子尺度世界的態度。他強調了觀測的重要性,聲稱完全獨立和絕對的測量是不存在的。當然互補原理本身在這個時候還沒有完全定型,一直要到後來的索爾維會議它才算最終完成,不過這一思想現在已經引起了人們的注意。


波恩讚揚了玻爾「中肯」的觀點,同時又強調了量子論的不確定性。他特別舉了波函數「坍縮」的例子,來說明這一點。這種「坍縮」顯然引起了馮諾伊曼的興趣,他以後會證明關於它的一些有趣的性質。海森堡和克萊默等人也都作了評論。


當然我們也要指出的是,許多不屬於「哥本哈根派」的人物,對玻爾等人的想法和工作一點都不熟悉,這種互補原理對他們來說令人迷惑不解。許多人都以為這不過是一種文字遊戲,是對大家都了解的情況「換一種說法」罷了。


但科莫會議的歷史作用仍然不容低估,互補原理第一次公開亮相,標誌著哥本哈根解釋邁出了關鍵的一步。不久出版了玻爾的講稿,內容已經有所改進,距離這個解釋的最終成熟只差最後一步了。

在哥本哈根派聚集力量的同時,他們的反對派也開始為最後的決戰做好準備。對於愛因斯坦來說,一個沒有嚴格因果律的物理世界是不可想像的。物理規律應該統治一切,物理學應該簡單明確:A導致了B,B導致了C,C導致了D。每一個事件都有來龍去脈,原因結果,而不依賴於什麼「隨機性」。至於拋棄客觀實在,更是不可思議的事情。這些思想從他當年對待玻爾的電子躍遷的看法中,已經初露端倪。1924年他在寫給波恩的信中堅稱:「我決不願意被迫放棄嚴格的因果性,並將對其進行強有力的辯護。我覺得完全不能容忍這樣的想法,即認為電子受到輻射的照射,不僅它的躍遷時刻,而且它的躍遷方向,都由它自己的『自由意志』來選擇。」


舊量子論已經讓愛因斯坦無法認同,那麼更加「瘋狂」的新量子論就更使他忍無可忍了。雖然愛因斯坦本人曾經提出了光量子假設,在量子論的發展歷程中作出過不可磨滅的貢獻,但現在他卻完全轉向了這個新生理論的對立面。愛因斯坦堅信,量子論的基礎大有毛病,從中必能挑出點刺來,迫使人們回到一個嚴格的,富有因果性的理論中來。玻爾後來回憶說:「愛因斯坦最善於不拋棄連續性和因果性來標示表面上矛盾著的經驗,他比別人更不願意放棄這些概念。」


兩大巨頭未能在科莫會議上碰面,然而低頭不見抬頭見,命運已經在冥冥中安排好了這樣的相遇不可避免。僅僅一個多月後,另一個歷史性的時刻就到來了,第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開。這一次,各路冤家對頭終於聚首一堂,就量子論的問題作一個大決戰。從黃金年代走來的老人,在革命浪潮中成長起來的反叛青年,經典體系的莊嚴守護者,新時代的冒險家,這次終於都要作一個最終了斷。世紀大辯論的序幕即將拉開,像一場熊熊的大火燃燒不已,而量子論也將在這大火中接受最嚴苛的洗禮,鍛燒出更加璀璨的光芒來。


波愛兩人的第一次交鋒是1927年的第五屆索爾維會議。那可能算是一場前無古人後無來者的物理學界群英會。以下這張1927年的會議歷史照片中,列出來的鼎鼎大名使你不能不吃驚。在這次與會的29人中,有17人獲得了諾貝爾物理學獎。

有關量子糾纏的超光速問題


索爾維是一位對科學感興趣的實業家,因發明了一種制鹼法而致富。據說索爾維財大氣粗後自信心倍增,發明了一種與物理實驗和理論都扯不上關係的,有關引力和物質的荒謬理論。儘管物理學家們對他的理論不屑一顧,但對他所舉辦的學術會議卻是趨之若鶩。因此,當年那幾屆索爾維會議就變成了量子論的大型研討會,也就是波愛之爭的重要戰場。


波愛之爭有三個回合值得一提:分別起始於1927年,1930年,1933年的索爾維會議上。


愛因斯坦對量子論的質疑要點有三個方面,也就是愛因斯坦始終堅持的經典哲學思想和因果觀念:一個完備的物理理論應該具有確定性,實在性,和局域性。


愛因斯坦認為,量子論中的海森堡原理違背了確定性。根據海森堡的測不準原理,一對共軛變數(比如:動量和位置,能量和時間)是不能同時準確測量的:當準確測定一個粒子在此刻的速度時,就無法測准其在此刻的位置。或者是,當準確測定一個粒子的能量時,就無法測准此刻的時間。因此他說:「上帝不擲骰子!」

這兒所謂的「上帝擲骰子」,不同於人擲骰子。當今的科學技術領域中,統計和概率是常用的數學工具。人們應用統計方法來預測氣候的變化,股市的走向,物種的繁衍,人心的向背。幾乎在各門學科中,都離不開『概率』這個詞。然而,我們在這些情況下應用概率的規律,是由於我們掌握的信息不夠,或者是沒有必要知道那麼多。比如說,當人向上丟出一枚硬幣,再用手接住時,硬幣的朝向似乎是隨機的,可能朝上,可能朝下。但這種隨機性是因為硬幣運動不易控制,從而使我們不了解硬幣從手中飛出去時的詳細信息。如果我們對硬幣飛出時的受力情況知道得一清二楚,就完全可以預知它掉下來時的方向,因為硬幣實際上遵從的是完全確定的宏觀力學規律。而量子論不同於此,量子論中的隨機性是本質的。換句話說:人擲骰子,是外表的或然;上帝擲骰子,是本質的或然。


所謂實在性,則類似於我們熟知的唯物主義,認為物質世界的存在不依賴於觀察手段。月亮實實在在的掛在天上,不管我們看它,還是不看它。局域性的意思則是說:在互相遠離的兩個地點,不可能有瞬時的超距作用。


1927年10月,那是布魯塞爾鮮花盛開,紅葉飄零的季節,著名的第五屆索爾維會議在此召開。如上面照片所示,這次會議群賢畢至,濟濟一堂。我們似乎從這張老照片眾多閃光的名字中,看到了量子論兩大派別各路英雄一個個生動的形象:每個人都身懷特技,帶著自己的獨門法寶,鬥志昂揚、精神抖擻,應邀而來。


玻爾高舉著他的「氫原子模型」,玻恩口口聲聲念叨著「概率」,德布羅意騎著他的「波」,康普頓西裝上印著「效應」二字,狄拉克夾著一個「算符」,薛定諤挎著他的「方程」,身後還藏了一隻不死不活的「貓」,布拉格手提「晶體結構」模型,海森堡和他的同窗好友泡利形影不離,兩人分別握著「測不準原理」和「不相容原理」,埃倫費斯特也緊握他的「浸漸原理」大招牌。

最後登場的愛因斯坦,當時四十多歲,還沒有修成像後來那種一頭白髮亂飄的仙風道骨形象。不過,他舉著劃時代的兩面相對論大旗,頭頂光電效應的光環。因此,他洋洋洒洒跨輩份地坐到了第一排老一輩無產階級革命家的中間。那兒有一位德高望重的白髮老太太,鐳和仆的發現者居里夫人。另外,我們還看到了好些別的大師們的豐功偉績:洛倫茲的「變換」、普朗克的「常數」、郎之萬的「原子論」、威爾遜的「雲霧室」,等等等等。


儘管人人都身懷絕技,各自都有不同的獨門功夫,但大家心中都藏了一個量子妖精-由他們共同哺育喂大的孫悟空。這孫悟空到底是人還是猴?是鬼還是妖?是真還是假?諸位大師們對此莫衷一是,眾說紛紜。


兩派人馬旗鼓相當:波爾的哥本哈根學派人數多一些,但愛因斯坦這邊有薛定諤和德布羅意,叄個重量級人物,不可小覷。


最後,就正式會議來說,這是量子論一次異常成功的大會,波爾掌門的哥本哈根派和它對量子論的解釋大獲全勝。閉幕式上,愛因斯坦一直在旁邊按兵不動,沉默靜坐,直到玻爾結束了關於『互補原理』的演講後,他才突然發動攻勢:「很抱歉,我沒有深入研究過量子力學,不過,我還是願意談談一般性的看法。」然後,愛因斯坦用一個關於射線粒子的例子表示了對玻爾等學者發言的質疑,不過,他當時的發言相當溫和。但是,在正式會議結束之後幾天的討論中,火藥味就要濃多了。根據海森堡的回憶,常常是在早餐的時候,愛因斯坦設想出一個巧妙的思想實驗,以為可以難倒玻爾,但到了晚餐桌上,玻爾就想出了招數,一次又一次化解了愛因斯坦的攻勢。當然,到最後,誰也沒有說服誰。


1930年秋,第六屆索爾維會議在布魯塞爾召開。早有準備的愛因斯坦在會上向玻爾提出了他的著名的思想實驗—「光子盒」。


實驗的裝置是一個一側有一個小洞的盒子,洞口有一塊擋板,裡面放了一隻能控制擋板開關的機械鐘。小盒裡裝有一定數量的輻射物質。這隻鍾能在某一時刻將小洞打開,放出一個光子來。這樣,它跑出的時間就可精確地測量出來了。同時,小盒懸掛在彈簧秤上,小盒所減少的質量,也即光子的質量便可測得,然後利用質能關係E=mc 2 便可得到能量的損失。這樣,時間和能量都同時測准了,由此可以說明測不準關係是不成立的,玻爾一派的觀點是不對的。


描述完了他的光子盒實驗後,愛因斯坦看著啞口無言、搔頭抓耳的玻爾,心中暗暗得意。不想好夢不長,只經過了一個夜晚,第二天,波爾居然『以其人之道,還治其人之身』,找到了一段最精彩的說辭,用愛因斯坦自己的廣義相對論理論,戲劇性地指出了愛因斯坦這一思想實驗的缺陷。


光子跑出後,掛在彈簧秤上的小盒質量變輕即會上移,根據廣義相對論,如果時鐘沿重力方向發生位移,它的快慢會發生變化,這樣的話,那個小盒上機械鐘讀出的時間就會因為這個光子的跑出而有所改變。換言之,用這種裝置,如果要測定光子的能量,就不能夠精確控制光子逸出的時刻。因此,波爾居然用廣義相對論理論中的紅移公式,推出了能量和時間遵循的測不準關係!


無論如何,儘管愛因斯坦當時被回擊得目瞪口呆,卻仍然沒有被說服。不過,他自此後,不得不有所退讓,承認了玻爾對量子力學的解釋不存在邏輯上的缺陷。「量子論也許是自洽的」他說,「但卻至少是不完備的」因為他認為,一個完備的物理理論應該具有確定性,實在性,和局域性!


玻爾雖然機敏地用廣義相對論的理論回擊了愛因斯坦「光子盒」模型的挑戰,自己心中卻仍然不是十分踏實,自覺辯論中有些投機取巧的嫌疑!從經典的廣義相對論出發,是應該不可能得到量子力學測不準原理的,這其中許多疑問仍然有待澄清。況且,誰知道這個愛因斯坦下一次又會想出些什麼新花招呢?玻爾口中不停地念著:「愛因斯坦,愛因斯坦……愛因斯坦,愛因斯坦……」心中無比感慨。玻爾對這第二個回合的論戰始終耿耿於懷,直到1962年去世。據說,他的工作室黑板上還一直留著當年愛因斯坦那個光子盒的圖。


波愛之爭的第三個回合,就到了1935年,這場論戰達到了它的頂峰。這就是我們下一篇要講到的EPR佯謬,它將引領我們進入此貼的主題:量子糾纏。


EPR原文中使用粒子的坐標和動量來描述愛因斯坦構想的理想實驗,數學表述非常複雜。後來,波姆用電子自旋來描述EPR佯謬,就簡潔易懂多了。EPR論文中涉及到「量子糾纏態」的概念。這個名詞當時還尚未被愛因斯坦等3位作者採用。(「糾纏」的名字是薛定諤在EPR論文之後不久,得意洋洋地牽出他那只可怖的貓時候,第一次提到的。)因此,我們首先解釋一下,何謂糾纏態?


讀者應該還記得我們解釋過的「量子迭加態」。迭加態這個概念一直貫穿在我們這系列文章中,從薛定諤的貓,到雙縫實驗中有分身術的孫悟空,不都是這個匪夷所思的「迭加態」在作怪嗎?不過,迭加態的解釋,都是針對一個粒子而言的。如果把迭加態的概念用於兩個以上粒子的系統,就更產生出來一些怪之又怪的現象,那些古怪行為的專利,就該歸功於「量子糾纏態」。


比如,我們考慮一個兩粒子的量子系統。也就是說,有兩個會分身的孫悟空同居一室,會有些什麼樣的狀況發生呢?所有的狀況不外乎歸於兩大類,一類是:兩對孫悟空互不搭架,自己只和自己的分身玩。這種情況下的系統,可看作是由兩個獨立的粒子組成,沒有產生什麼有意思的新東西。


另一類情況呢,也就是兩對孫悟空互相有關係的情況了。我們借用「糾纏」這個詞來描述它們之間的互相關聯。也就是說,這種情形下,兩對量子孫悟空『互相糾纏』,難捨難分。有趣的是,將來竟然有人出來證明說,這量子孫悟空之間親密無間的程度,不是我等常人所能理解的,可以超過我們這個『經典』人間所能達到的任何境界,任何極限哦。於是,我們只好嘆息一聲說:啊,這就是『量子糾纏態』。


愛因斯坦等叄人提出的假想實驗中,描述了兩個粒子的互相糾纏:想像一個不穩定的大粒子衰變成兩個小粒子的情況,兩個小粒子向相反的兩個方向飛開去。假設該粒子有兩種可能的自旋,分別叫「左」和「右」,那麼,如果粒子A的自旋為「左」,粒子B的自旋便一定是「右」,以保持總體守恆,反之亦然。我們說,這兩個粒子構成了量子糾纏態。


用我們有關孫悟空的比喻將愛因斯坦的意思重複一遍:大石頭中蹦出了兩個孫悟空。每個孫悟空都握著一根金箍棒。這金箍棒有一種沿著軸線旋轉的功能:或者左旋,或者右旋。兩個孫悟空的金箍棒旋轉方向互相關聯:如果孫A的金箍棒為「左」 旋,孫B的金箍棒便一定是「右」 旋,反之亦然。我們便說,這兩個孫悟空互相糾纏。


大石頭裂開了,兩個互相糾纏的孫悟空(A和B)並不願意同處一室,而是朝相反方向拚命跑,它們相距越來越遠,越來越遠……。根據守恆定律,它們應該永遠是「左右」關聯的。然後,如來佛和觀音菩薩同時分別在天庭的兩頭,抓住了A和B。根據量子論,只要我們不去探測,每個孫悟空的金箍棒旋轉方向都是不確定的,處在一種左/右可能性迭加的混合狀態(比如,各50%)。但是,兩個孫悟空被抓住時,A、B金箍棒的迭加態便在一瞬間坍縮了,比如說,孫悟空A立刻隨機地作出決定,讓其金箍棒選擇 「左」旋。但是,因為守恆,孫悟空 B就肯定要決定它的金箍棒為「右」旋。問題是,在被抓住時,孫悟空A和孫悟空B之間已經相隔非常遙遠,比如說幾萬光年吧,它們怎麼能夠做到及時地互相通信,使得B能夠知道A在那一霎那的隨機決定呢?除非有超距瞬時的信號(心靈感應)來回於兩個孫悟空之間!而這超距作用又是現有的物理知識不容許的。於是,這就構成了佯謬。因此,EPR的作者們洋洋得意地得出結論:波爾等人對量子論的幾率解釋是站不住腳的。


此一時彼一時!這時的波爾,已經知己知彼、老謀深算。他深思熟慮地考慮了一陣之後,馬上上陣應戰。很快就明白了,愛因斯坦的思路完全是經典的,總是認為有一個離開觀測手段而存在的實在世界。這個世界圖像是和波爾代表的哥本哈根派的「觀測手段影響結果」的觀點完全不一致的。玻爾認為,微觀的實在世界,只有和觀測手段連起來講才有意義。在觀測之前,並不存在兩個客觀獨立的孫悟空實在。只有波函數描述的一個互相關聯的整體,並無相隔甚遠的兩個分體,既然只是協調相關的一體,它們之間無需傳遞什麼信號!因此,EPR佯謬只不過是表明了兩派哲學觀的差別:愛因斯坦的「經典局域實在觀」和波爾一派的「量子非局域實在觀」的根本區別。


當然,哲學觀的不同是根深蒂固難以改變的。愛因斯坦絕對接受不了玻爾的這種古怪的說法,即使在之後的二叄十年中,玻爾的理論佔了上風,量子論如日中天,它的各個分支高速發展,給人類社會帶來了偉大的技術革命。愛因斯坦仍然固執地堅持他的經典信念,站在反對量子論的那邊。


約翰·惠勒,曾經與波爾及愛因斯坦在一起工作過,被人稱為「哥本哈根學派的最後一位大師」,直到2008年去世,惠勒90多歲的高齡還在繼續思考量子力學中的哲學問題。記得惠勒曾引用玻爾的話說,「任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象」。意思就是說,比如我們上面說到的兩個互相糾纏的孫悟空,在被抓住之前,它們到底在哪裡?離多遠?是個什麼模樣?有沒有金箍棒?金箍棒是左旋還是右旋?哥本哈根派認為,這些全都是些無意義的、不該問的問題。還沒有被如來佛和觀音抓住之前,沒有什麼所謂的「兩個孫悟空」,它們並不是真實存在的東西!


惠勒對量子論的貢獻是非同一般的。在1979年,為紀念愛因斯坦誕辰100周年的普林斯頓討論會上,提出的所謂「延遲選擇實驗」(delayed choice experiment)。這個「延遲選擇實驗」,是我們討論過的「電子雙縫干涉」實驗的一個令人吃驚的新版本。在新構想中,惠勒戲劇化地將實驗稍加改變,便可以使得實驗員能在電子已經通過雙縫之後,作出「延遲決定」,從而改變電子通過雙縫時的歷史!這種十分怪異的,好像能從將來觸摸到過去的說法,量子論的哥本哈根派又如何解釋呢?這個實驗徹底地挑戰了經典物理的因果律。


惠勒曾經用一個龍圖來說明這一點。這個龍圖也可以用費曼的路徑積分觀點來理解:龍的頭和尾巴對應於測量時的兩個點,在這兩點測量的數值是確定的。根據量子力學的路徑積分解釋,兩點之間的關聯可以用它們之間的所有路徑貢獻的總和來計算。因為要考慮所有的路徑,因此,龍的身體就將是糊裡糊塗的一片(如下圖所示)。

有關量子糾纏的超光速問題



惠勒提出「延遲選擇實驗」時,已經到了1979年。早在1964年,出於捍衛愛因斯坦EPR論文的初衷,另一位傑出的英國物理學家,約翰?斯圖爾特?貝爾(John Stewart Bell),就已經帶著他的「貝爾不等式」,瀟洒登場了。


惠勒不僅構想了「延遲選擇實驗」,也是提出驗證光子糾纏態實驗的第一人。他在1948年提出,由正負電子對湮滅後所生成的一對光子應該具有兩個不同的偏振方向。一年之後,吳健雄和薩科諾夫成功地完成了這個實驗,證實了惠勒的預言,生成了歷史上第一對互相糾纏的光子。


物理理論是必須用實驗來驗證的,這就是為什麼諸如波爾、愛因斯坦、惠勒這些大理論物理學家都非常熱衷於提出一個又一個思想實驗的原因。量子糾纏態近年來宏圖大展,也是以實驗中的不斷突破為基礎。這個突破起始於英國物理學家約翰?斯圖爾特?貝爾,他用他著名的「貝爾不等式」,將愛因斯坦EPR佯謬中的思想實驗推進到真實可行的物理實驗。


我們再回到波愛之爭的頂峰:EPR佯謬的問題上來。當時波爾寫文章回擊了愛因斯坦等人的質疑,世紀爭論似乎平息了,哥本哈根詮釋成為量子論的正統解釋。並且,既然問題是出在兩大巨頭不同的的哲學觀上,便引不起多少人的興趣。大多數科學家已經很少關心他們的爭執。量子論的成功有目共睹,科技革命的果實每個人都樂於分享,每天早上太陽照樣從東方升起,誰也看不見波函數如何塌縮,又有誰管那些微觀世界的小孫悟空們被抓之前是不是「真實存在」的呢?波爾有他的道理,只要抓住孫悟空時,它是存在的就行了!


當然,也總是有那麼一些腦袋停不下來的理論物理學家,仍然在冥思苦想這些問題:如何解釋量子論中詭異的相干性和糾纏性呢?在此我們順便總結一下前幾節中我們所學到的:相干性涉及光和粒子的波粒二相性,最簡單的例子是雙縫干涉實驗;糾纏性是EPR論文中提出的,涉及多個粒子的糾纏態。這是了解量子論詭異性的兩個層次。


其實,雙方的爭執為什麼三番五次不能平息呢?關鍵問題是:愛因斯坦這邊堅持的是一般人都具備的經典常識,波爾一方更執著於微觀世界的觀測結果。那麼,既然愛因斯坦不同意波爾的幾率解釋,有人就總想找出別的解釋,既能照顧到愛因斯坦的「經典情結」,又能導出量子論的結論。這其中,支持度較多的有 『多世界詮釋』和『隱變數詮釋』。


可以再借用薛定諤的貓來簡述『多世界詮釋』:持這種觀點的人認為,兩隻貓都是真實的。有一隻活貓,有一隻死貓,但它們位於不同的世界中。當我們向盒子里看時,整個世界立刻分裂成它自己的兩個版本。這兩個版本在其餘的各個方面都是全同的。唯一的區別在於其中一個版本中,原子衰變了,貓死了;而在另一個版本中,原子沒有衰變,貓還活著。


惠勒、霍金、費曼、溫伯格等都在一定的程度上,支持『多世界詮釋』。實際上在目前,『多世界詮釋』已經代替『哥本哈根詮釋』,成為了量子論解釋的主流派。但當初的愛因斯坦並不喜歡它,曾經詼諧地說:「我不能相信,僅僅是因為看了一隻老鼠一眼,就使得宇宙發生了劇烈的改變!」的確,量子力學只涉及到微觀粒子的問題,大可不必牽動整個宇宙!這其中的詭異性,恐怕比『哥本哈根詮釋』,有過之而無不及。因此,我們也迴避迴避,不在這裡討論它。


貝爾當初所熱衷的,是『隱變數』的問題。


在前面的『波愛之爭』一節中,我們用人擲硬幣的例子來說明『上帝擲骰子』,與『人擲骰子』的區別。上拋的硬幣,實際上是完全遵循確定的力學規律的,它之所以表現出隨機性,是因為我們不了解硬幣從手中飛出去時的詳細信息。也就是說,我們放棄了一些『隱變數』:硬幣飛出時的速度、角速度、方向、加速度……等等。如果忽略外界的影響,把這些隱變數全都計算進去,我們可以說:上拋硬幣掉回原處時的狀態是在離開手掌的那一刻就決定了的!


現在,貝爾想,愛因斯坦提出的EPR佯謬,是否也是因為我們忽略了某些隱變數的原因呢?貝爾更相信愛因斯坦的觀點:既然兩個互相糾纏的孫悟空被抓住的那一剎那,不可能瞬時超距地傳遞信息,那麼,它們被抓住時候的狀態,就應該是在它們從石頭縫中蹦出來,互相分開的那一刻,就已經決定了。這就和我們擲硬幣的情形類似。而不是像波爾所認為的那樣,後來被抓住時,才臨時隨機選擇而塌縮的!


貝爾要用實際行動來支持偉人愛因斯坦,要研究這其中潛藏著的隱變數!


可是,他一開始就碰到了高手:早在1932年,馮·諾依曼(J.Von Neumann)在他的著作《量子力學的數學基礎》中,為量子力學提供了嚴密的數學基礎,其中捎帶著做了一個隱變數理論的不可能性證明。他從數學上證明了,在現有量子力學適用的領域裡,是找不到隱變數的!


馮·諾依曼何等人物啊!天才神童,計算機之父。這位數學大師一言既出,二十年內,量子論的隱變數理論無人問津。還好,當貝爾在60年代碰到這堵高牆的時候,前面已經有人為他開路:美國物理學家戴維?玻姆(David Bohm)在50年代的工作,為馮·諾依曼的隱變數不可能性證明提供了一個實際的反例。而且,玻姆還將原來EPR論文中非常複雜的測量位置和動量的實驗,簡化成了測量『電子自旋』的實驗。


頑強的貝爾雖然是『業餘』理論物理學家,卻有『敢摸老虎屁股』的精神。他仔細研究了馮·諾依曼有關『隱變數不可能性證明』的工作後,找出了大師在數學和物理的交接之處,有一個小小的漏洞。


馮·諾依曼在他的證明中,用了一個假設:「兩個可觀察量之和的平均值,等於每一個可觀察量平均值之和」。但是,貝爾指出,如果這兩個觀察量互為共軛變數,也就是說,當它們滿足量子力學中的測不準原理的話,這個結論是不正確的。


貝爾的道路暢通了,開始構想他的理論,以此來支持他的偶像愛因斯坦,企圖將量子物理的圖像搬回到經典理論的大廈中!不過,他萬萬沒料到,他最終是幫了愛因斯坦的倒忙,反過來證明了量子力學的正確性!


貝爾開始認真考察量子力學能否用局域的隱變數理論來解釋。貝爾認為,量子論表面上獲得了成功,但其理論基礎仍然可能是片面的,如同瞎子摸象,管中窺豹,沒有看到更全面、更深層的東西。在量子論的地下深處,可能有一個隱身人在作怪:那就是隱變數。


根據愛因斯坦的想法,在EPR論文中提到的,從一個大粒子分裂成的兩個粒子的自旋狀態,雖然看起來是隨機的,但卻可能是在兩粒子分離的那一刻(或是之前)就決定好了的。打個比喻說,如同兩個同卵雙胞胎,他們的基因情況早就決定了,無論後來他(她)們相距多遠,總在某些特定的情形下,會作出一些驚人相似的選擇,使人誤認為他們有第六感,能超距離地心靈相通。但是實際上,是有一串遺傳指令隱藏在它們的基因中,暗地裡指揮著他們的行動,一旦我們找出了這些指令,雙胞胎的『心靈感應』就不再神秘,不再需要用所謂『非局域』的超距作用來解釋了。


於是貝爾經過一系列的數學運算,得出貝爾不等式,它可以說是在經典的框架下,這三個關聯函數之間要滿足的約束條件。也就是說,經典的孫悟空不可以胡作非為,它的行動是被師傅唐僧的緊箍咒制約了的,得滿足貝爾不等式!


但是,如果是量子世界的量子孫悟空,情況又將如何呢?當然只有兩種情形:如果量子孫悟空也遵循貝爾不等式,那就好了,萬事大吉!愛因斯坦的預言實現了。


第二種情況:那就是量子孫悟空不遵循貝爾不等式,貝爾用他的『貝爾定理』來表述這種情形:「任何局域隱變數理論都不可能重現量子力學的全部統計性預言」。如果是這樣的話,世界好像有點亂套!


不過沒關係,貝爾說,重要的是,這幾個關聯函數是在實驗室中可能測量到的物理量。這樣,我的不等式就為判定EPR和量子力學誰對誰錯提供了一個實驗驗證的方法。


那好,理論物理學家們說,我們就暫時停止耍嘴皮,讓將來的實驗結果來說話吧。


上世紀的70年代早期,一個年輕人走進了哥倫比亞大學『吳夫人』(美籍華人物理學家吳健雄)的實驗室,向吳夫人請教20多年前,她和薩科諾夫第一次觀察到糾纏光子對的情況,那是在正負電子湮滅時產生的一對高能光子。當時的吳夫人沒有太在意年輕學生提出的這個問題,只讓他和她的研究生卡斯蒂談了談。


這位年輕人名叫克勞瑟,出生於加里福利亞的物理世家,因為他的父親、叔叔、及家中幾個親戚都是物理學家,克勞瑟從小就聽家人們在一起探討爭論深奧的物理問題,後來,他進了加州理工大學,受到費曼的影響,開始思考量子力學基本理論中的關鍵問題,他把一些想法和費曼討論,並告訴費曼說,他決定要用實驗來測試貝爾不等式和EPR佯謬。據他自己後來半開玩笑地描述當時費曼的激烈反應:「費曼把我從他的辦公室里扔了出去!」


貝爾定理和貝爾不等式被譽為「物理學中最重要的進展」之一。之後,貝爾不等式被一個緊緊糾纏在一起的美國物理學家四人小組(CHSH)的工作所改良,稱為CHSH不等式。這四個人的名字是:克勞瑟、霍恩、西摩尼、霍爾特。上面提到的克勞瑟是其中之一。


後來,克勞瑟及其合作者,果然成為CHSH-貝爾不等式實驗驗證的第一人。


當初貝爾發表了他的論文之後,物理界並沒有很多人關注貝爾不等式的實驗驗證。其原因之一是因為很多物理學家已經深感量子力學的正確性。他們認為,世紀之爭已經畫上句號,量子現象與經典規律的確大相庭徑,天上地下。愛因斯坦的上帝和波爾的上帝各司其職,不必打架。一個執掌宏觀世界,一個管理那些看不見的小妖精們。大家和平共處,自得其樂,沒有必要再用實驗驗證什麼貝爾不等式,反而可能要挑起戰爭,擾亂天下。物理學家們不感興趣的原因之二便是因為糾纏態的實驗太困難,在實驗室里要維持一對電子的糾纏態,談何容易!


2011年初有篇有趣的報道。據說有研究者認為,一種鴝子的眼睛中有一個基於量子糾纏態的指南針,這種糾纏態的量子效應使得鴝子眼睛能夠感受到極其微弱的地球磁場,從而找到正確的飛行方向!也不知此消息是真是假?有無進一步的實驗驗證?但從物理學家們對此報道的評論可以看出實驗室中的糾纏態是多麼難以維持。


如果上述鴝子眼睛的假設成立的話,科學家得出結論:鴝子的眼睛能夠維持量子糾纏的時間,比先進的實驗室設備還要長20微秒。因為在實驗室中得到的量子糾纏態非常脆弱,當原子被冷卻到接近絕對零度的環境下時,得到的糾纏態也只能維持千分之幾秒而已,室溫下的糾纏態更是不堪一擊,就只有微秒的數量級了。


因此,當克勞瑟對費曼說,他要用實驗來檢驗貝爾定理時,費曼激動得把他從辦公室趕了出去。但克勞瑟堅信實驗的必要性,他總記得也是物理學家的父親經常說的一句話:「別輕易相信理論家們構造的各種各樣漂亮的理論,最後,他們也一定要回過頭來,看看實驗中你得到的那些原始數據!」


克勞瑟是一個熱情洋溢、活潑外向的年輕人。和貝爾一樣,更相信愛因斯坦的隱變數解釋,非常希望自己實驗的結果能有助於找出量子論中的隱變數,引起物理理論的大革命。他用當時看起來數目不小的一筆錢(據說是500美元)與一個朋友打賭,賭隱變數理論贏,量子力學輸。霍恩沒有和人打賭,但認為量子力學會贏,因為他覺得這個古怪的量子力學總是贏!老練的西摩尼則不表態,說只能讓實驗結果說的話才算數。在哈佛大學單槍匹馬戰鬥的霍爾特,則認同哈佛當時大多數物理學家相信的正統觀點,希望自己的實驗結果能成為量子力學完備性強有力的證明。


1972年,克勞瑟和Freedman發表了他們用兩百多個小時完成的實驗,這實驗之所以如此費時,也是因為當時的實驗條件下,得到糾纏態粒子對太困難的緣故。那真的是百萬里挑一的幾率:每100萬對光子中,可能只有一對,是能夠成功地被觀測到,對結果作出貢獻的糾纏光子對。這點毛病不但拖長了實驗的時間,也影響了實驗的精度,被後來的實驗者稱之為「偵測漏洞」而提出質疑並加以改進。


有趣的是,這兩個實驗的結果,都和實驗者的期待相反。克勞瑟希望量子力學輸,他的實驗結果卻大大地違背貝爾不等式,以5倍於誤差範圍的偏離,強有力地證明了量子力學的正確!


之後,接連又有好幾個實驗小組,包括吳健雄的實驗室在內,都進行了檢驗貝爾不等式的實驗,結果全都證明了量子力學的正確性。


隨著技術的進步,特別是激光技術的進步,更為精確嚴密的實驗有了可能。進入80年代,法國奧賽理論與應用光學研究所 里的一群科學家準備第一次在精確的意義上對EPR作出檢驗,領導這個小組的是阿萊恩阿斯派克特


法國人用鈣原子作為光子對的來源,他們把鈣原子激發到一個很高的量子態,當它落回到未激發態時,就釋放出能量,也就是一對對光子。實際使用的是一束鈣原子,但是可以用激光來聚焦,使它們精確地激發,這樣就產生了一個強信號源。阿斯派克特等人使兩個光子飛出相隔約12米遠,這樣即使信號以光速在它們之間傳播,也要花上40納秒(ns)的時間。光子經過一道閘門進入一對偏振器,但這個閘門也可以改變方向,引導它們去向兩個不同偏振方向的偏振器。如果兩個偏振器的方向是相同的,那麼要麼兩個光子都通過,要麼都不通過,如果方向不同,那麼理論上說(按照愛因斯坦的世界觀),其相關性必須符合貝爾不等式。為了確保兩個光子之間完全沒有信息的交流,科學家們急速地轉換閘門的位置,平均10ns就改變一次方向,這比雙方之間光速來往的時間都要短許多,光子不可能知道對方是否通過了那裡的偏振器。作為對比,我們也考察兩邊都不放偏振器,以及只有一邊放置偏振器的情況,以消除實驗中的系統誤差。


那麼,現在要做的事情,就是記錄兩個光子實際的協作程度。如果它符合貝爾不等式,則愛因斯坦的信念就得到了救贖,世界回復到獨立可靠,客觀實在的地位上來。反之,則我們仍然必須認真地對待玻爾那看上去似乎神秘莫測的量子觀念。


時間是1982年,暮夏和初秋之交。七月流火,九月授衣,在時尚之都巴黎,人們似乎已經在忙著揣摩今年的秋冬季將會流行什麼樣式的時裝。在酒吧里,體育迷們還在為國家隊魂斷西班牙世界盃而扼腕不已。那一年,在普拉蒂尼率領下的,被認為是歷史上最強的那屆國家隊在一場經典賽事中驚心動魄地擊敗了巴西,卻終於在點球上敗給了西德人。高貴的紳士們在沙龍里暢談天下大勢,議論著老冤家英國人是如何在馬島把阿根廷擺布得服服帖帖。在盧浮宮和奧賽博物館,一如既往地擠滿了來自世界各地的藝術愛好者,塞納河緩緩流過市中心,倒映著艾菲爾鐵塔和巴黎聖母院的影子,也倒映出路邊風琴手們的清澈眼神。


只是,有多少人知道,在不遠處的奧賽光學研究所,一對對奇妙的光子正從鈣原子中被激發出來,沖向那些命運交關的偏振器;我們的世界,正在接受一場終極的考驗,向我們揭開她那隱藏在神秘面紗後面的真實面目呢?


如果愛因斯坦和玻爾神靈不昧,或許他們也在天國中注視著這次實驗的結果吧?要是真的有上帝的話,他老人家又在幹什麼呢?也許,連他也不得不把這一切交給命運來安排,用一個黃金的天平和兩個代表命運的砝碼來決定這個世界本性的歸屬,就如同當年阿喀琉斯和赫克托耳在特洛伊城下那場傳奇的決鬥。


一對,兩對,三對……數據逐漸積累起來了。1萬2千秒,也就是3個多小時後,結果出來了。科學家們都長出了一口氣。


愛因斯坦輸了!實驗結果和量子論的預言完全符合,而相對愛因斯坦的預測卻偏離了5個標準方差——這已經足夠決定一切。貝爾不等式這把雙刃劍的確威力強大,但它斬斷的卻不是量子論的輝光,而是反過來擊碎了愛因斯坦所執著信守的那個夢想!


阿斯派克特等人的報告於當年12月發表在《物理評論快報》上,科學界最初的反應出奇地沉默。大家都知道這個結果的重要意義,然而似乎都不知道該說什麼才好。


愛因斯坦輸了?這意味著什麼?難道這個世界真的比我們所能想像的更為神秘和奇妙,以致於我們那可憐的常識終於要在它的面前破碎得七零八落?這個世界不依賴於你也不依賴於我,它就是「在那裡存在著」,這不是明擺著的事情嗎?為什麼站在這樣一個基本假設上所推導出來的結論和實驗結果之間有著無法彌補的鴻溝?是上帝瘋了,還是你我瘋了?


全世界的人們都試圖重複阿斯派克特的實驗,而且新的手段也開始不斷地被引入,實驗模型越來越靠近愛因斯坦當年那個最原始的 EPR設想。馬里蘭和羅切斯特的科學家們使用了紫外光,以研究觀測所得到的連續的,而非離散的輸出相關性。在英國的Malvern,人們用光纖引導兩個糾纏的光子,使它們分離4公里以上,而在日內瓦,這一距離達到了數十公里。即使在這樣的距離上,貝爾不等式仍然遭到無情的突破。


另外,按照貝爾原來的設想,我們應該不讓光子對「事先知道」觀測方向是哪些,也就是說,為了確保它們能夠對對它們而言不可預測的事件進行某種似乎不可思議的超距的合作(按照量子力學的預測),我們應該在它們飛行的路上才作出隨機的觀測方向的安排。在阿斯派克特實驗里,我們看到他們以10ns的速度來轉換閘門,然而他們所能夠使兩光子分離的距離12米還是顯得太短,不太保險。1998年,奧地利因斯布魯克 (Innsbruck)大學的科學家們讓光子飛出相距400米,這樣他們就有了1.3微秒的時間來完成偏振器的隨機安排。這次時間上綽綽有餘,其結果是如此地不容置疑:愛因斯坦這次輸得更慘——30個標準方差!


儘管我們也許會在將來做出更多更精密的實驗,但總體來看,在EPR中貝爾不等式的突破是一個無可辯駁的事實。或許在未來,新的實驗會把我們目前的結論全部推翻,讓世界恢復到經典的面目中去,但從目前來看,這種可能性是微乎其微的。


不知道愛因斯坦如果活到今天,他會對此發表什麼樣的看法?也許他會說一些靈活的話。我們似乎聽到在遙遠的天國,他和玻爾仍在重複那段經典的對白:


愛因斯坦:玻爾,親愛的上帝不擲骰子!


玻爾:愛因斯坦,別去指揮上帝應該怎麼做!


現在,就讓我們狂妄一回,以一種尼采式的姿態來宣布:


愛因斯坦的上帝已經死了。


阿斯派克特在1982年的實驗(準確地說,一系列實驗)是20世紀物理史上影響最為深遠的實驗之一,它的意義甚至可以和1886年的邁克爾遜-莫雷實驗相提並論。但是,相比邁克爾遜的那個讓所有的人都瞠目結舌的實驗來說,阿斯派克特所得到的結果卻在「意料之中」。大多數人們一早便預計到,量子論的勝利是不在話下的。量子論自1927年創立以來,到那時為止已經經歷了50多年的風風雨雨,它在每一個領域都顯示出了如此強大的力量,沒有任何實驗結果能夠對它提出哪怕一點點的質疑。最偉大的物理學家(如愛因斯坦和薛定諤)向它猛烈開火,試圖把它從根本上顛覆掉,可是它的燦爛光輝卻反而顯得更加耀眼和悅目。從實用的角度來說,量子論是有史以來最成功的理論,它不但遠超相對論和麥克斯韋電磁理論,甚至超越了牛頓的經典力學!量子論是從風雨飄搖的亂世成長起來的,久經革命考驗的戰士,它的氣質在風刀霜劍的嚴相逼拷之下被磨礪得更加堅韌而不可戰勝。的確,沒有多少人會想像,這樣一個理論會被一個不起眼的實驗輕易地打倒在地,從此翻不了身。阿斯派克特實驗的成功,只不過是量子論所經受的又一個考驗(雖然是最嚴格的考驗),給它那身已經品嘗過無數勝利的戎裝上又添上一枚榮耀的勳章罷了。現在我們知道,它即使在如此苛刻的條件下,也仍然是成功的。是的,不出所料!這一消息並沒有給人們的情感上帶來巨大的衝擊,引起一種轟動效應。


但是,它的確把物理學家們逼到了一種尷尬的地步。本來,人們在世界究竟是否實實在在這種問題上通常樂於奉行一種鴕鳥政策,能閉口不談的就盡量不去討論。量子論只要管用就可以了嘛,幹嗎非要刨根問底地去追究它背後的哲學意義到底是什麼樣的呢?雖然有愛因斯坦之類的人在為它擔憂,但大部分科學家還是覺得無所謂的。不過現在,阿斯派克特終於逼著人們要攤牌了:一味地縮頭縮腦是沒用的,人們必須面對這樣一個事實:實驗否決了經典圖景的可能性!


愛因斯坦的夢想如同泡沫般破碎在無情的數據面前,我們再也回不去那個溫暖舒適的安樂窩中,而必須面對風雨交加的嚴酷現實。我們必須再一次審視我們的常識,追問一下它到底有多可靠,在多大程度上會給我們帶來誤導。對於貝爾來說,他所發現的不等式卻最終背叛了他的理想,不僅沒有把世界拉回經典圖像中來,更反過來把它推向了絕路。阿斯派克特實驗之後,我們必須說服自己相信這樣一件事情:


定域的隱變數理論是不存在的!


換句話說,我們的世界不可能如同愛因斯坦所夢想的那樣,既是定域的(沒有超光速信號的傳播),又是實在的(存在一個客觀獨立的世界,可以為隱變數所確定地描述)。定域實在性從我們的宇宙中被實驗排除了出去,現在我們必須作出艱難的選擇:要麼放棄定域性,要麼放棄實在性。


如果我們放棄實在性,那就回到量子論的老路上來,承認在我們觀測之前,兩個粒子不存在於「客觀實在」之內。它們不具有通常意義上的物理屬性(如自旋),只有當觀測了以後,這種屬性才變得有意義。在EPR實驗中,不到最後關頭,我們的兩個處於糾纏態粒子都必須被看成一個不可分割的整體,那時在現實中只有「一個粒子」(當然是疊加著的),而沒有「兩個粒子」。所謂兩個粒子,只有當觀測後才成為實實在在的東西(波函數坍縮了)。當然,在做出了這樣一個令人痛心的讓步後,我們還是可以按照自己的口味不同來選擇:究竟是更進一步,徹底打垮決定論,也就是保留哥本哈根解釋;還是在一個高層次的角度上,保留決定論,也即採納多宇宙解釋!需要說明的是,定域的理論,各人之間的說法還是不盡相同的。除去反對者不談,甚至在它的支持者中,其口徑也不是統一的。不過這也許只是一個定義和用詞的問題,因為量子糾纏本身或許就可以定義為某種非定域的物理過程,但大家都同意,MWI(多重宇宙)肯定不是一個定域實在的理論,而且超光速的信號傳遞在其內部也是不存在的。關鍵在於,根據MWI,每次我們進行觀測都在「現實」中產生了不止一個結果(事實上,是所有可能的結果)!這和愛因斯坦所默認的那個傳統的「現實」是很不一樣的。


這樣一來,那個在心理上讓人覺得牢固可靠的世界就崩塌了(或者,「坍縮」了?)。不管上帝擲不擲骰子,他給我們建造的都不是一幢在一個絕對的外部世界嚴格獨立的大廈。它的每一面牆壁,每一塊地板,每一道樓梯……都和在其內部進行的種種活動密切相關,不管這種活動是不是包含了有智能(意識)的觀測者。這幢大樓非但不是鐵板一塊,相反,它的每一層樓都以某種特定的奇妙方式糾纏在一起,以致於分居在頂樓和底樓的住客仍然保持著一種心有靈犀的感應。


但是,如果你忍受不了這一切,我們也可以走另一條路,那就是說,不惜任何代價,先保住世界的實在性再說。當然,這樣一來就必須放棄定域性。我們仍然有可能建立一個隱變數理論,如果容忍某種超光速的信號在其體系中來回,則它還是可以很好地說明我們觀測到的一切。比如在EPR 中,天際兩頭的兩個電子仍然可以通過一種超光速的瞬時通信來確保它們之間進行成功的合作。事實上,玻姆的體系就很好地在阿斯派克特實驗之後仍然存活著,因為他的「量子勢」的確暗含著這樣的超距作用。


可是要是這樣的話,我們也許並不會覺得日子好過多少!超光速的信號?老大,那意味著什麼?想一想愛因斯坦對此會怎麼說吧,超光速意味著獲得了回到過去的能力!這樣一來,我們將陷入甚至比不確定更加棘手和叫人迷惑的困境,比如,想像那些科幻小說中著名的場景:你回到過去殺死了尚處在襁褓中的你,那會產生什麼樣的邏輯後果呢?雖然玻姆也許可以用高超的數學手段向我們展示,儘管存在著這種所謂超光速的非定域關聯,他的隱函數理論仍然可以禁止我們在實際中做到這樣的信號傳遞:因為大致上來說,我們無法做到精確地「控制」量子現象,所以在現實的實驗中,我們將在統計的意義上得到和相對論的預言相一致的觀測極限。也就是說,雖然在一個深層次的意義上存在著超光速的信號,但我們卻無法刻意與有效地去利用它們來製造邏輯怪圈。不過無論如何,對於這種敏感問題,我們應當非常小心才是。放棄定域性,並不比放棄實在性來得讓我們舒服!


阿斯派克特實驗結果出來之後,BBC的廣播製作人朱里安.布朗(Julian Brown)和紐卡斯爾大學的物理學教授保羅.戴維斯(Paul Davies,他如今在澳大利亞的Macquarie大學,他同時也是當代最負盛名的科普作家之一)決定調查一下科學界對這個重要的實驗究竟會做出什麼樣的反應。他們邀請8位在量子論領域最有名望的專家作了訪談,徵求對方對於量子力學和阿斯派克特實驗的看法。這些訪談記錄最後被彙集起來,編成一本書,於 1986年由劍橋出版社出版,書名叫做《原子中的幽靈》(The Ghost in the Atom)。


閱讀這些訪談記錄真是給人一種異常奇妙的體驗和感受。你會看到最傑出的專家們是如何各持己見,在同一個問題上抱有極為不同,甚至截然對立的看法。阿斯派克特本人肯定地說,他的實驗從根本上排除了定域實在的可能,他不太欣賞超光速的說法,而是對現有的量子力學表示了同情。貝爾雖然承認實驗結果並沒有出乎意料,但他仍然決不接受擲骰子的上帝。他依然堅定地相信,量子論是一種權益之計,他想像量子論終究會在有一天被更為複雜的實驗證明是錯誤的。貝爾願意以拋棄定域性為代價來換取客觀實在,他甚至設想復活「以太」的概念來達到這一點。惠勒的觀點有點曖昧,他承認一度支持埃弗萊特的多宇宙解釋,但接著又說因為它所帶來的形而上學的累贅,他已經改變了觀點。惠勒討論了玻爾的圖像,意識參予的可能性以及他自己的延遲實驗和參予性宇宙,他仍然對於精神在其中的作用表現得饒有興趣。


魯道夫.佩爾斯(Rudolf Peierls)的態度簡明爽快:「我首先反對使用『哥本哈根解釋』這個詞。」他說,「因為,這聽上去像是說量子力學有好幾種可能的解釋一樣。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(也就是哥本哈根的觀點!)。」這位曾經在海森堡和泡利手下學習過的物理學家仍然流連於革命時代那波瀾壯闊的觀念,把波函數的坍縮認為是一種唯一合理的物理解釋。大衛.德義奇也毫不含糊地向人們推銷多宇宙的觀點,他針對奧卡姆剃刀對於「無法溝通的宇宙的存在」提出的詰問時說,MWI是最為簡單的解釋。相對於種種比如「意識」這樣稀奇古怪的概念來說,多宇宙的假設實際上是最廉價的!他甚至描述了一種「超腦」實驗,認為可以讓一個人實際地感受到多宇宙的存在!接下來是玻姆,他坦然地準備接受放棄物理中的定域性,而繼續維持實在性。「對於愛因斯坦來說,確實有許多事情按照他所預料的方式發生。」玻姆說,「但是,他不可能在每一件事情上都是正確的!」在玻姆看來,狹義相對論也許可以看成是一種普遍情況的一種近似,正如牛頓力學是相對論在低速情況下的一種近似那樣。作為玻姆的合作者之一,巴西爾.海利(Basil Hiley)也強調了隱函數理論的作用。而約翰.惠勒(John Taylor)則描述了另一種完全不同的解釋,也就是所謂的「系綜」解釋(the ensemble interpretation)。系綜解釋持有的是一種非常特別的統計式的觀點,也就是說,物理量只對於平均狀況才有意義,對於單個電子來說,是沒有意義的,它無法定義!我們無法回答單個系統,比如一個電子通過了哪條縫這樣的問題,而只能給出一個平均統計!


在這樣一種大雜燴式的爭論中,阿斯派克特實驗似乎給我們的未來蒙上了一層更加撲朔迷離的影子。愛因斯坦有一次說:「雖然上帝神秘莫測,但他卻沒有惡意。」但這樣一位慈祥的上帝似乎已經離我們遠去了,留給我們一個難以理解的奇怪世界,以及無窮無盡的爭吵。我們在隱函數這條道路上的探索也快接近盡頭了,關於玻姆的理論,也許仍然有許多人對它表示足夠的同情,比如John Gribbin在他的名作《尋找薛定諤的貓》(In Search of Schrodinger』s Cat)中還把自己描述成一個多宇宙的支持者,而在10年後的《薛定諤的貓以及對現實的尋求》(Schrodinger』s Kittens and the Search for Reality)一書中,他對MWI的熱情已經減退,而對玻姆理論表示出了謹慎的樂觀。我們不清楚,也許玻姆理論是對的,但我們並沒有足夠可靠的證據來說服我們自己相信這一點。除了玻姆的隱函數理論之外,還有另一種隱函數理論,它由Edward Nelson所發明,大致來說,它認為粒子按照某種特定的規則在空間中實際地瀰漫開去(有點像薛定諤的觀點),類似波一般地確定地發展。我們不打算過多地深入探討這些觀點,我們所不滿的是,這些和愛因斯坦的理想相去甚遠!為了保有實在性而放棄掉定域性,也許是一件飲鴆止渴的事情。我們不敢說光速絕對地不可超越,只是要推翻相對論,現在似乎還不大是時候,畢竟相對論也是一個經得起考驗的偉大理論。


我們沿著這條路走來,但是它當初許諾給我們的那個美好藍圖,那個愛因斯坦式的理想卻在實驗的打擊下終於破產。也許我們至少還保有實在性,但這不足以吸引我們中的許多人,讓他們付出更多的努力和代價而繼續前進。阿斯派克特實驗嚴酷地將我們的憧憬粉碎,它並沒有證明量子論是對的 (它只是支持了量子論的預言,正如我們討論過的那樣,沒什麼理論可以被「證明」是對的),但它無疑證明了愛因斯坦的世界觀是錯的!事實上,無論量子論是錯是對,我們都已經不可能追回傳說中的那個定域實在的理想國,而這,也使我們喪失了沿著該方向繼續前進的很大一部分動力。就讓那些孜孜不倦的探索者繼續前進,而我們還是退回到原來的地方,再繼續苦苦追尋,看看有沒有柳暗花明的一天。


最後關於超光速:


EPR背後是不是真的隱藏著超光速我們仍然不能確定,至少它表面上看起來似乎是一種類似的效應。不過,我們並不能利用它實際地傳送信息,這和愛因斯坦的狹義相對論並非矛盾。


假如有人想利用這種量子糾纏效應,試圖以超光速從地球傳送某個消息去到半人馬座α星(南門二,它的一顆伴星是離我們地球最近的恆星,也即比鄰星),他是註定要失敗的。假設某個未來時代,某個野心家駕駛一艘宇宙飛船來到兩地連線的中點上,然後使一個粒子分裂,兩個子粒子分別飛向兩個目標。他事先約定,假如半人馬星上觀測到粒子是「左旋」,則表示地球上政變成功,反之,如是「右旋」則表示失敗。這樣的通訊建立在量子論的這個預測上:也就是地球上觀測到的粒子的狀態會「瞬間」影響到遙遠的半人馬星上另一個粒子的狀態。但事到臨頭他卻犯難了:假設他成功了,他如何確保他在地球上一定觀測到一個「右旋」粒子,以保證半人馬那邊收到「左旋」的信息呢?他沒法做到這點,因為觀測結果是不確定的,他沒法控制!他最多說,當他做出一個隨機的觀測,發現地球上的粒子是「右旋」的時候,那時他可以有把握地,100%地預言遙遠的半人馬那裡一定收到「左」的信號,雖然理論上說兩地相隔非常遙遠,訊息還來不及傳遞過來。如果他想利用貝爾不等式,他也必須知道,在那一邊採用了什麼觀測手段,而這必須通過通常的方法來獲取。這一切都並不違反相對論,你無法利用這種「超光速」製造出信息在邏輯上的自我矛盾來(例如回到過去殺死你自己之類的)。


至於它是不是存在超光速傳遞信息,這個還沒有人能夠肯定,很多概念不清楚的原因,主要是基於人們對於糾纏的理解太少所導致的,糾纏到底是不是量子場論裡面所說的定域相互作用,這個至今沒有定論。另一方面,人們也無法定義一個精確的概念來描述信息量以及它的傳遞。所以基於這兩點,人們對於量子糾纏理解的還很有限。至於EPR佯謬,那個根本不是一個超光速傳遞信息的例子,最簡單的原因就是因為它叫做「佯謬」而不是「悖論」。


只要不攜帶能量和信息,它就不違背相對論。相對論並非有些人所想像的那樣已被推翻,相反,它仍然是我們所能依賴的最可靠的基石之一。


如文章涉及版權,請聯繫我們刪除。歡迎來稿、歡迎廣大科幻愛好者和專家學者來稿


掃一掃關注 科幻:


請您繼續閱讀更多來自 科幻 的精彩文章:

有證據支持月球源於行星撞地球
百餘位諾獎得主聯署公開信,要求綠色和平停止反對轉
《大鱼海棠》会是《大圣归来》之后又一部暑期档的「神作」吗
熒幕首位女性超級英雄神奇女俠75歲了
程心,請追尋希望

TAG:科幻 |

您可能感興趣

利用量子糾纏能實現超光速通信嗎?
量子糾纏超光速了嗎?「靈魂」存在嗎?量子糾纏可讓我們瞬間移動?
匪夷所思的量子疊加和量子糾纏,大自然並不禁止遠超光速的瞬間移動!
糾纏不休的量子糾纏
量子糾纏可超光速,而量子卻不能通信,大自然如此坑?
我們可以利用量子糾纏進行超光速通信嗎?
一次高冷的量子旅行,多光子糾纏及干涉度量
量子糾纏,真可以實現超超超遠距離通訊?
量子糾纏是如何實現的?量子糾纏的定義
中國量子衛星一步千里,量子糾纏保密通信前途無量
中國量子衛星一步千里,量子糾纏通信前途無量
這就是為什麼量子糾纏不允許我們進行超光速通信
牢不可破的量子糾纏
光速或被智慧體刻意固定化,量子糾纏才是最快速度!
量子糾纏極簡介
同頻共振,心靈感應,量子糾纏,意識顯化有關係嗎?
蝴蝶效應與量子糾纏
量子糾纏距離的新記錄
利用量子糾纏,全球的原子鐘可以連為一體嗎?