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量子物理史话

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第8章(1 / 2)
色盲也๣可以,讨论哪个是“真实”毫无຀意义แ。至于马“本来”,却可以现,它呈现出什么เ样子来。甚至我们可以á,在我们运用肉眼的观察方式下,马“本来的颜๨。同样我们也๣可以说,在戴上眼镜的观察方式下,马呈现出红色。

我们的结论是,我们经过大量的观察,马是红色。我们唯一能说的,完全没有意义。我们可以说,马呈现出白色。我们大多数人说马是白色,只不过我们大多数人采用了一种类似的观察方แ式罢了,这并不指向一种终极真理。

不过,在他那ว种特殊构造的感光&#x,是在某种,这个电å子不是完全没有规律的:它在某些地方出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。它出现频๗率高的地方แ,恰恰是波动所预ไ言的干涉条纹的亮处,它出现频๗率低的地方则ท对应于暗处。现在我们可以理解为什么大量电å子能组成干涉แ条纹了,因为ฦ虽然每一个电å子的行为都是随机的,但这个随机分布的总的模式却是确定的,它就是一个ฐ干涉条纹的图案。这就像我们掷骰子,虽然每一个骰子掷下去,它的结果都是完全随机的,从1้到6都有可能,但如果你投掷大量的骰子到地下,然后数一数每个点的数量,你会现1到6的结果差ๆ不多是平均的。

虽然,这种古怪的不遵守交换率的矩阵乘๖法到底意味着什么เ,无຀论对于海森堡,还是当时的所有人来说,都还仍然是一个谜题๤,但量子力学的基本形式却已经得到了突破进展。从这时候起,量子论将以一种气势磅礴ศ的姿ู态向前迈进,每一步都那样雄伟壮丽ษ,激起滔天的巨浪和美丽的浪花。接下来的3๑年是幻般的3๑年,是物理史上难以想象的3年,理论物理的黄金年代,终于要放射出它最耀眼的光辉,把整个20世纪都装ณ点得神圣起来。

从光量子的角度出,一切变得非常简明易懂了。频๗率更高的光线,比如紫外光,它的单个量子要比频๗率低的光线含有更高的能量e=๡hν,因此当它的量子作用到เ金属表面的时候,就能够激出拥有更多动能ม的电子来。而量子的能ม量和光线的强度没有关系,强光只不过包含了更多数量的光量子而已๐,所以能够激出更多数量的电子来。但是对于低频光来说,它的每一个量子都不足以激出电子,那ว么เ,含有再多的光量子也๣无济于事。

另一个值得一谈的实验是18๖9๗6年的贝克勒尔aທntoineherniBecquerel做出的。当时x射线刚被现不久,人们对它的来由还不是很清楚。有人提出太阳光照ั射荧光物质能ม够产生x射线,于是贝克勒尔对此展开了研究,他选了一种铀的氧化物作为荧光物质,把它放在太阳下暴晒,结果现它的确使黑纸中ณ的底片感光了,于是他得出初步结论:阳光照ั射荧光物质的确能产生x射线。

那ว么,△e和△t都很确定,海森堡的公式△ex△th2π也就不成立。所以整个ฐ量子论是错误的!

这可以说是爱因斯ั坦凝聚了毕生功夫的一击,其中ณ还包含了他的成名绝技相对论。这一招如白虹贯日຅,直中要害,沉稳老辣,干净漂亮。玻尔对此毫无思想准备,他大吃一惊,一时想不出任何反击的办法。据目击者说,他变得脸຀如死灰,呆若木鸡不是比喻!,张口结舌地说不出话来。一整个ฐ晚上他都闷闷不乐่,搜肠刮ุ肚,苦思冥想。

罗森菲尔德后来描述说:

“玻尔极力游说每一个ฐ人,试图使他们相信爱因斯ั坦说的不可能ม是真的,不然那ว就是物理学的末日຅了。但是他想不出任何反驳来。我永远不会忘记两个ฐ对手离开会场时的情景:爱因斯坦的身影高大庄严å,带着一丝嘲๦讽的笑容,静悄悄地走了出去。玻尔跟在后面一路小跑,他激动不已๐,词不达意地辩解说要是爱因斯ั坦的装置真的管用,物理学就完蛋了。”

这一招当真如此淳厚完美,无懈า可击?玻尔在这关键时刻力挽沧海ร,方显英雄本色。他经过一夜苦思,终于想出了破解此招的方แ法,一个更加妙到เ巅毫的巧ู招。

罗森菲尔德接着说:

“第二天早ຉ上,玻尔的胜利便到来了。物理学也๣得救了。”

玻尔指出:好,一个ฐ光子跑了,箱子轻了△m。我们怎么测量这个ฐ△m呢?用一个弹簧称,设置一个,然后看箱子位移了多少。假设位移为△q吧,这样箱子就在引力场中移动了△q的距离,但根据广义แ相对论的红移效应,这样的话时间的快慢也要随之改变相应的△t。可以根据公式计算出:△th△mc

2๐。再代以质能ม公式△e=△mc

2๐,则ท得到เ最终的结果,这结果是如此眼熟:△t△eh,正是海森堡测不准关系!

我们可以不理会数学推导,关键是爱因斯ั坦忽略了广义แ相对论的红移效应!引力场可以使原子频๗率变低,也就是红移,等效于时间变慢。当我们测量一个很准确的△m时,我们在很大程度上改变了箱子里的时钟,造成了一个ฐ很大的不确定的△t。也就是说,在爱因斯坦的装ณ置里,假如我们准确地测量△m,或者△e时,我们就根本没法控制光子逃出的时间t!

广义แ相对论本是爱因斯坦的独门绝技,玻尔这一招“以彼之道,还施彼身”不但封挡住了爱因斯坦那ว雷霆万钧的一击,更把这诸般招数都回加到了他自己้身上。虽说是殚精竭虑最后想出此法,但招数精奇,才气横溢,教人击节叹服,大开眼界。觉得见证两大纵世奇才出全力相拚,实在不虚此行。

现在轮到爱因斯ั坦自己้说不出话来了。难道量子论当真天命所归,严格的因果性当真已经迟迟老去,不再属于这个叛逆的新时代?玻尔是最坚决的革命派,他的思想闳廓深远,穷幽极渺,却又如大江奔流,浩é浩荡荡,翻腾不息。物理学的未来只有靠量子,这个古怪却又强大的精灵去开拓。新世界不再有因果性,不再有实在性,可能让人觉得不太安全,但它却是那样胸怀博大,气派磅礴,到处都有珍贵的宝藏和激动人心的秘密等待着人们去掘。狄拉克后来有一次说,自海ร森堡取得突破以来,理论物理进入了前๩所未有的黄金年代,任何一个二流的学生都可能在其中ณ作出一流的现。是的,人们应当毫不畏惧地走进这样一个生机勃勃的,充满了艰险、挑战和无຀上光荣的新า时代中来,把过时的因果性做成一个ฐ纪念物,装饰在泛黄的老照片上去回味旧日的似水年华。

革命!前进!玻尔在大会上又开始显得精神抖擞,豪气万丈。爱因斯坦的这个光箱实验非但没能击倒量子论,反而成了它最好的证明,给它的光辉又添上了浓重的一笔。现在没什么好怀疑的了,因果性是不存在的,哥本哈根解释如野火一般在人们的思想中蔓๧延开来。玻尔是这场革命的旗手,他慷慨陈词,就像当年在议会前的罗伯斯庇尔。要是可能的话,他大概真想来上这么一句:

因果性必须ี死,因为物理学需要生!

停止争论吧,上帝真的掷骰子!随机性是世界的基石,当电子出现在这里时,它是一个随机的过程,并不需要有谁给它加上难以忍受的条条框框。全世界ศ的粒子和波现在都得到了解放,从牛顿和麦克斯韦写好的剧ຕ本中ณ挣扎出来,大口地呼吸自由á空气。它们和观测者玩捉迷藏,在他们背后融化成概率波弥散开去,神秘地互相渗透和干涉แ。当观测者回过头去寻找它们,它们又快乐地现出原型,呈现出一个ฐ面貌等候在那ว里。这种游戏不致于过火,因为还有波动方程和不确定原理在起着规则的作用。而统计规律则把微观上的无法无天抹平成为ฦ宏观上的井井有条。

爱因斯ั坦失望地看着这个场面,展到如此地步实在让他始料不及。没有因果性,一片混乱ກ……恐怕约翰·米尔顿ู描绘的那个“群魔殿”paທnde摸nium就是这个ฐ样子吧?爱因斯坦对玻尔已๐经两ä战两败,他现在知道量子论的根基比想象的要牢固得多。看起来,量子论不太可能是错误的,或者自相矛盾的。

但爱因斯坦也๣决不会相信它代表了真相。好吧,量子论内部ຖ是没有矛盾的,但它并不是一幅“完整”的图像。我们看到的量子论,可能只是管中窥豹,虽然看到了真实的一部分,但仍然有更多的“真实”未能ม现。一定有一些其他的因素า,它们虽然不为我们所见,但无຀疑对电å子的行为有着影响,从而严格地决定了它们的行为ฦ。好比我们在赌场扔骰子赌钱,虽然我们睁大眼睛看明白四周一切,确定没人作弊,但的确可能还有一个暗中的武林高手,凭借一些独门手法比如说吹气来影响骰子的结果。虽然我们水平不行,现不了这个武林高手的存在,觉得骰子是完全随机的,但事实上不是!它是完全人为的,如果把这个ฐ隐藏的高手也๣考虑进去,它是有严å格因果关系的!尽管单单从我们看到的来讲,也๣没有什么互相矛盾,但一幅“完整”的图像应该包含那ว个隐藏着的人,这个人是一个“隐变量”!

不管怎么说,因果关系不能抛弃!爱因斯ั坦的信念到此时几乎ๆ变成一种信仰了,他已๐决定终生为经典理论而战,这不知算是科学的悲剧还是收获。一方面,那ว个大无畏的领ๆ路人,那个激情无限的开拓者永远地从历史上消失了。亚伯拉罕·帕຅斯aahampais在《爱因斯坦曾住在这里》一书中说,就算1้925年后,爱因斯坦改行钓鱼๠以度过余生,这对科学来说也๣没什么เ损失。但另一方面,爱因斯ั坦对量子论的批评和诘问也๣确实使它时时三省吾身,冷静地审视和思考自己้存在的意义,并不断ษ地在斗争中完善自己。大概ฐ可算一种反面的激励吧?

反正他不久ื又要提出一个ฐ新的实验,作为对量子论的进一步考验。可怜的玻尔得第三次接招了。

饭后闲话:海ร森堡和德国原子弹计划ฐ三

玩味一下海森堡的声明是很有意思的:讨厌纳粹和希๶特勒,但忠实地执行对祖๢国的义务,作为国家机器的一部分来履行爱国的职责。这听起来的确像一幅典型的德国式场景。服从,这是德国文化的一部ຖ分,在英语世界ศ的人们看来,对付一个ฐ邪恶的政权,符合道德的方式是不与之ใ合作甚至摧毁它,但对海森堡等人来说,符合道德的方แ式是服从它——正如他以后所说的那ว样,虽然纳粹占领ๆ全欧洲不是什么好事,但对一个德国人来说,也许要好过被别人占领ๆ,一战后那种惨痛的景象已๐经不堪回。

原子弹,对于海森堡来说,是“本质上”邪ิ恶的,不管它是为希๶特勒服务,还是为别的什么人服务。战后在西方แ科学家中ณ有一种对海森堡的普遍憎恶情绪。当海森堡后来访问洛斯阿拉莫斯ั时,那ว里的科学家拒绝同其握手,因为ฦ他是“为ฦ希๶特勒制ๆ造原子弹的人”。这在海森堡看来是天大的委屈,他不敢相信,那些“实际制造了原子弹的人”竟然拒绝与他握手!也๣许在他心中,盟军的科学家比自己更加应该在道德上加以谴责。但显然在后者看来,只有为ฦ希特勒制ๆ造原子弹才是邪恶,如果以消灭希特勒和法西斯为ฦ目的而研究这种武器,那ว是非常正义和道德的。

这种道德观的差ๆ异普遍存在于双方แ阵营之中ณ。魏扎克曾经激动地说:“历史将见证,是美国人和英国人造出了一颗炸弹,而同时德国人——在希๶特勒政权下的德国人——只展了铀引擎动力的和平研究。”这在一个ฐ美国人看来,恐怕要喷饭。

何况在许多人看来,这种声明纯粹是马后炮。要是德国人真的造得出来原子弹,恐怕伦敦已๐经从地球上消เ失了,也不会罗里罗嗦地讲这一大通风凉话。不错,海ร森堡肯定在1้940年就意识到เ铀炸弹是可能的,但这不表明他确切地知道到เ底怎么去制造啊!海ร森堡在19๗42๐年意识到เ以德国的环境来说分离铀2๐35十分困难,但这不表明他确切地知道到底要分离“多少”铀຀23๑5啊!事实上,许多证据表明,海森堡非常错误地估计了工ื程量,为ฦ了维持链式反应,必须至少要有一个最小量的铀235๓才行,这个质量叫做“临ภ界质量”criticນalmaທss,海森堡——不管他是真的算错还是假装不知——在1942๐年认为ฦ至少需要几吨的铀23๑5๓才能ม造出原子弹!事实上,只要几十千克就可以了。

诚然,即使只分离这么เ一点点铀2๐35也是非常困难的。美国动用了15000่人,投资过20亿美元才完成整个曼哈顿计划ฐ。而德国整个只有100多人在搞这事,总资金不过百万马克左ุ右,这简直是笑话。但这都不是关键,关键是,海ร森堡到底知不知道准确的数字?如果他的确有一个ฐ准确数字的概念,那么虽然这德国来说仍然是困难的,但至少不是那样的遥不可及,难以克服。英国也同样困难,但他们知道准确的临界ศ质量数字,于是仍然上马了原子弹计划。

海森堡争辩说,他对此非常清楚,他引用了许多证据说明在与斯佩尔会面前๩他的确知道准确的数字。可惜他的证据全都模糊不清,无法确定。德国的报告上的确说一个炸弹可能需要1้0-10่0千克,海森堡也๣描绘过一个“菠萝”大小的炸弹,这被许多人看作证明。然而这些全都是指钚โ炸弹,而不是铀຀2๐35炸弹。这些数字不是证明出来的,而是猜测的,德国根本没有反应堆来大量生产钚。德国科学家们在许多时候都流露出这样的印象,铀炸弹至少需要几吨的铀235。

不过当然你也可以从反方แ面去理解,海森堡故意隐瞒了数字,只有天知地知他一个人知。他一手造成夸大了的假相。

至于反应堆,其实石墨也可以做很好的减剂,美国人就是用的石墨。可是当时海森堡委派波特去做实验,他的结果错了好几倍,显示石墨不适合用在反应堆中,于是德国人只好在重水这一棵树上吊死。这又是一个悬案,海森堡把责任推到เ波特身上,说他用的石墨不纯,因此导致了整个计划失败。波特是非常有名的实验物理学家,后来也得了诺贝尔奖,这个黑锅如何肯背。他给海森堡写信,暗示ิ说石墨是纯的,而且和理论相符合!如果说实验错了,那还不如说理论错了,理论可是海ร森堡负责的。在最初ม的声明中海森堡被迫撤回了对波特的指责,但在以后的岁月中,他,魏扎克,沃兹等人仍然不断ษ地把波特拉进来顶罪。目前๩看来,德国人当年无论是理论还是实验上都错了。

对这一公案的争论逐渐激烈起来,最有影响的几本著作有:robertjungk的《比一千个ฐ太阳更明亮》Brighterthaທnathousaທndsunds,19๗5๓6๔,此书赞扬了德国科学家那ว高尚的道义,在战时不忘人类公德,虽然洞察原子弹的奥秘,却不打开这潘多拉盒子。19๗67年davidirving出版了《德国原子弹计划》thegermaທnaທtomicB๦omb,此时德国当年的秘密武器报告已๐经得见天日,给作品带来了丰富的资料é。irving虽然不认为德国科学家有吹嘘เ的那样高尚的品德,但他仍然相信当年德国人是清楚原子弹技术的。然后是margaທretgo9ing那本关于英国核计划的历史,里面考证说德国人当年在一些基本问题๤上错得离谱,这让海森堡本人非常恼火。他说:“这本书大错特错,每一句都是错的,完全是胡说八道。”他随后出版了著名的自传《物理和物理之外》physi9d,自然再次地强调了德国人的道德和科学水平。凡是当年和此事有点关系的人都纷纷表评论意见,众说纷纭,有如聚讼,谁也没法说服对方。

1989年,杨振宁在上海ร交大演讲的时候还说:“……很好的海森堡传记至今还没写出,而已๐有的传记对这件事是语焉不详的……这是一段非常复杂的历史,我相信将来有人会写出重要的有关海ร森堡的传记。”

幸运的是,从那时起到เ今天,事情总算是如其所愿,有了根本性的变化。

四爱因斯坦没有出席19๗33๑年第七届索尔维会议,他被纳粹德国逼得离开家乡,流落异国,忧郁๗地思索着欧洲那悲惨的未来。另一方面,这届索尔维会议的议题๤也๣早就不是量子论本身,而换成了另一个激动人心的话题๤:爆炸般展的原子物理。不过这个领域里的成就当然也是在量子论的基础上取得的,而量子力学的基本形式已๐经确定下来,成为物理学的基础。似乎是尘埃落定,没什么เ人再怀疑它的力量和正确性了。在人们的一片乐่观情绪中ณ,爱因斯坦和薛定谔等寥寥几人愈加显得孤独起来。薛定谔和德布罗意参加了19๗33๑年索尔维会议,却都没有言,也๣许是他们对这一领域不太熟悉的缘故吧。新新า人类们在激动地探讨物质的产生和湮灭、正电å子、重水、中ณ子……那ว样多的新现让人眼花缭乱,根本忙不过来。而爱因斯坦他们现在还能ม做什么呢?难道他们的思想真的已经如此过时,以致跟不上新时代那ว飞一般的步伐了吗?1933年9月25๓日,埃仑费斯ั特在荷兰莱登枪杀了他那患有智力障碍的儿子,然后自杀了。他在留แ给爱因斯坦,玻尔等好友的信中说:“这几年我越来越难以理解物理学的飞展,我努力尝试,却更为绝望和撕心裂肺,我终于决定放弃一切。我的生活令人极度厌倦……我仅仅是为了孩子们的经济来源而活着,这使我感到罪恶。我试过别的方แ法但是收效甚微,因此我越来越多地去考虑自杀的种种细节,除此之ใ外我没有第二条路走了……原谅我吧。”在爱因斯ั坦看来,埃仑费斯特的悲剧无疑ທ是一个时代的悲剧ຕ。两ä代物理学家的思想猛烈冲突和撞击,在一个ฐ天翻地覆的飘摇乱世,带给整个物理学以强烈的阵痛。埃仑费斯特虽然从理智上支持玻尔,但当一个ฐ文化衰落之时,曾经为此文化所感之人必感到เ强烈的痛苦。昔日຅黄金时代的黯淡老去,代以雨后春笋般兴起的新า思潮,从量子到量子场论,原子中ณ各种新า粒子层出不穷,稀奇古怪的概念统治整个ฐ世界ศ。爱因斯ั坦的心中何曾没有埃仑费斯ั特那样难以名状的巨大忧伤?爱因斯ั坦远远地,孤独地站在鸿沟的另一边,看着年轻人们义แ无反顾地高唱着向远方进军,每一个人都对他说他站错了地方。这种感觉是那ว样奇怪,似乎ๆ世界都显得朦胧而不真实。难怪曾经有人叹息说,宁愿早死几年,也不愿看到เ现代物理这样一幅令人难以接受的画面。不过,爱因斯ั坦却仍然没有倒下,虽然他身在异乡,他的第二个妻子又重病缠身,不久将与他生离死别ี,可这一切都不能使爱因斯坦放弃内心那ว个坚强的信仰,那个ฐ对于坚固的因果关系,对于一个ฐ宇宙和谐秩序的痴痴信仰。爱因斯坦仍然选择战斗ç,他的身影在斜阳下拉得那ว样长,似乎是勇敢的老战士为ฦ一个ฐ消เ逝的王国做最后的悲壮抗争。这一次他争取到เ了两个同盟军,他们分别是他的两个ฐ同事波多尔斯基B๦orispodoly和罗森nathaທnro色n。1้9๗35年3๑月,三人共同在《物理评论》physicsrevie9๗杂志上表了一篇论文,名字叫《量子力学对物理实在的描述可能ม是完备的吗?》,再一次对量子论的基础起攻击。当然他们改变策略๓,不再说量子论是自相矛盾,或者错误的,而改说它是“不完备”的。具体来说,三人争辩量子论的那种对于观察和波函数的解释是不对的。我们用一个稍稍简化了的实验来描述他们的主要论据。我们已经知道,量子论认为ฦ在我们没有观察之ใ前,一个粒子的状态是不确定的,它的波函数弥散开来,代表它的概率。但当我们探测以后,波函数坍缩,粒子随机地取一个确定值出现在我们面前๩。现在让我们想象一个大粒子,它是不稳定的,很快就会衰变成两个小粒子,向相反的两ä个ฐ方แ向飞开去。我们假设这种粒子有两种可能的自旋,分别叫“左”和“右”,那ว么如果粒子aທ的自旋๙为“左ุ”,粒子B的自旋๙便一定是“右”,以保持总体守恒,反之亦然。好,现在大粒子分裂ฐ了,两个ฐ小粒子相对飞了出去。但是要记住,在我们没有观察其中任何一个ฐ之前๩,它们的状态都是不确定的,只有一个ฐ波函数可以描绘它们。只要我们不去探测,每个粒子的自旋๙便都处在一种左右可能性叠加的混合状态,为ฦ了方แ便我们假定两ä种概率对半分,各5๓0%。现在我们观察粒子a,于是它的波函数一瞬间坍缩了,随机地选择了一种状态,比如说是“左”旋。但是因为ฦ我们知道两个ฐ粒子总体要守恒,那么เ现在粒子B๦肯定就是“右”旋了。问题๤是,在这之前,粒子a和粒子B之ใ间可能已๐经相隔非常遥远的距离,比如说几万光年好了。它们怎么能ม够做到及时地互相通信,使得在粒子a坍缩成左的一刹้那,粒子B毅然坍缩成右呢?量子论的概ฐ率解释告诉我们,粒子a选择“左”,那ว是一个完全随机的决定,两ä个粒子并没有事先商量好,说粒子a一定会选择左。事实上,这种选择是它被观测的那一刹那才做出的,并没有先兆。关键在于,当a随机地作出一个ฐ选择时,远在天边的B便一定要根据它的决定而作出相应的坍缩,变成与a不同的状态以保持总体守恒。那么เ,B๦是如何得知这一遥远的信息的呢?难道有过光的信号来回于它们之间?假设有两ä个观察者在宇宙的两端守株待兔,在某个时刻t,他们同时进行了观测。一个观测a,另一个同时观测B,那么,这两个ฐ粒子会不会因为距离过于遥远,一时无法对上口径而在仓促间做出手忙脚乱的选择,比如两个同时变成了“左”,或者“右”?显然是不太可能的,不然就违反了守恒定律,那么เ是什么让它们之间保持着心有灵犀的默契,当你是“左ุ”的时候,我一定是“右”?爱因斯ั坦等人认为,既然不可能ม有过光的信号传播,那么说粒子aທ和B๦在观测前๩是“不确定的幽灵”显然是难以自圆其说的。唯一的可能ม是两个粒子从分离的一刹้那开始,其状态已经确定了,后来人们的观测只不过是得到了这种状态的信息而已๐,就像经典世界中ณ所描绘的那ว样。粒子在观测时才变成真实的说法显然违背了相对论的原理,它其中ณ涉及到เ瞬间传播的信号。这个ฐ诘难以三位起者的字母命名,称为ฦ“epr佯谬”。玻尔在得到这个消เ息后大吃一惊,他马上放下手头的其他工作,来全神贯注地对付爱因斯坦的这次挑战。这套潜心演练的新า阵法看起来气势汹汹,宏大堂皇,颇็能夺人心魄,但玻尔也๣算是爱因斯坦的老对手了。他睡了一觉后,马上现了其中的破绽所在,原来这看上去让人眼花缭乱ກ的一次攻击却是个完完全全的虚招,并无实质力量。玻尔不禁得意地唱起一支小调,调侃了波多尔斯基一下。原来爱因斯ั坦和玻尔根本没有个共同的基础。在爱因斯坦的潜意识里,一直有个经典的“实在”影像。他不言而喻地假定,epr实验中的两个粒子在观察之ใ前,分别都有个ฐ“客观”的自旋状态存在,就算是概率混合吧,但粒子客观地存在于那里。但玻尔的意思是,在观测之前๩,没有一个ฐ什么เ粒子的“自旋”!那时候自旋๙的粒子是不存在的,不是客观实在的一部ຖ分,这不能用经典语言来表达,只有波函数可以描述。因此在观察之ใ前,两ä个粒子——无຀论相隔多远都好——仍然是一个ฐ互相关联的整体!它们仍然必须被看作母粒子分裂ฐ时的一个全部ຖ,直到เ观察以前,这两个独立的粒子都是不存在的,更谈不上客观的自旋๙状态!这是爱因斯坦和玻尔思想基础的尖锐冲突,玻尔认为,当没有观测的时候,不存在一个ฐ客观独立的世界。所谓“实在”只有和观测手段连起来讲才有意义แ。在观测之前๩,并没有“两个ฐ粒子”,而只有“一个粒子”,直到เ我们观测了a或者B๦,两个粒子才变成真实,变成客观独立的存在。但在那ว以前,它们仍然是互相联系的一个虚无整体。并不存在什么光的信号,两ä个遥远的粒子只有到观测的时候才同时出现在宇宙中,它们本是协调的一体,之间无需传递什么เ信号。其实是这个ฐ系统没有实在性,而不是没有定域性。epr佯谬其实根本不是什么เ佯谬,它最多表明了,在“经典实在观”看来,量子论是不完备的,这简直是废话。但是在玻尔那种“量子实在观”看来,它是非常完备和逻辑自洽的。

既生爱,何生玻。两ä人的世纪争论进入了尾声。在哲学基础上的不同使得两ä人间的意见分歧直到最后也๣没能ม调和。一直到เ死,玻尔也未能ม使爱因斯ั坦信服,认为量子论的解释是完备的。而玻尔本人也๣一直在同爱因斯坦的思想作斗争,在他1้96๔2๐年去世后的第二天,人们在他的黑板上仍然现画ฑ有当年爱因斯坦光箱实验的草图。两位科学巨人都为各自的信念而奋斗了毕生,但别的科学家已๐经甚少关心这种争执。在量子论的引导下,科学显得如此朝气蓬ศ勃,它的各个分支以火箭般的度展,给人类社ุ会带来了伟大的技术革命。从半导体到核能,从激光到电子显微镜,从集成电å路到เ分子生物学,量子论把它的光辉播撒到人类社会的每一个角落,成为ฦ有史以来在实用中ณ最成功的物理理论。许多人觉得,争论量子论到底对不对简直太可笑了,只要转过头,看看身边生的一切,看看社ุ会的日新า月异,目光所及,无຀不是量子论的最好证明。如果说epr最大的价值所在,那就是它和别ี的奇想空谈不同。只要稍微改装一下,epr是可以为实践所检验的!我们的史话在以后会谈到เ,人们是如何在实验室里用实践裁é决了爱因斯ั坦和玻尔的争论,经典实在的概ฐ念无຀可奈何花落去,只留下一个ฐ苍凉的背影和深沉的叹息。但量子论仍然困扰着我们。它的内在意义แ是如此扑朔迷离,使得对它的诠释依旧众说纷纭。量子论取得的成就是无可怀疑的,但人们一直无法确认它的真实面目所在,这争论一直持续到今天。它将把一些让物理学家们毛骨悚然的概念带入物理中,令人一想来就不禁倒吸一口凉气。而反对派那里还有一个薛定谔,他要放出一只可怕的怪兽,撕咬人们的理智和神๰经,这就是叫许多人闻之色变的“薛定谔的猫”。饭后闲话:海ร森堡和德国原子弹计划四海ร森堡本人于1้976年去世了。在他死后两年,英国人jones出版了《高度机密战争:英国科学情报部门》摸st色9๗tifi9tce一书๰,详细地分析了海ร森堡当年在计算时犯下的令人咋舌的错误。但他的分析却没有被maທrk9๗alker所采信,在资料é详细的《德国国家社ุ会主义แ及核力量的寻求》germannationaທlso9dthequestfornubຘcນlearpo9๗er,19๗89๗年出版中,9alker还是认为海ร森堡在1้94๒2年头脑แ清楚,知道正确的事实。到เ了1้9๗92年,hofstraທ大学的戴维?卡西迪davidcaທssidy出版了著名的海ร森堡传记《不确定性:海森堡传》,这至今仍被认为ฦ是海ร森堡的标准传记。他分析了整件事情,并最后站在了古德施密特等人的立场上,认为ฦ海森堡并没有什么主观的愿望去“摧毁”一个ฐ原子弹计划,他当年确实算错了。但是很快到เ了1้9๗93年,戏剧性的情况又生了。thomaທspo9๗ers写出了巨เ著《海森堡的战争》hei色nbຘerg’s9๗apo9๗ers本是记者出身,非常了解如何使得作品具有可读性。因此虽然这本厚书足有60่7页ษ,但文字奇巧,读来引人入胜,很快成了畅ม销作品。po9ers言之凿凿地说,海森堡当年不仅仅是“消极”地对待原子弹计划,他更是“积极”地破坏了这个计划ฐ的成功实施。他绘声绘色地向人们描绘了一幕幕阴谋、间谍、计划,后来有人挪揄说,这本书的前๩半部ຖ分简直就是一部ຖ间谍。不管怎么เ样说,这本书๰在公众中ณ的反响是很大的,海森堡作为一个高尚的,富有机智和正义แ感的科学家形象也๣深入人心,更直接影响了后来的戏剧ຕ《哥本哈根》。从以上的描述可以见到,对这件事的看法在短短几年中产生了多少极端不同的看法,这在科学史上几乎独一无二。1้99๗2๐年披露了一件非常重要的史料,那ว就是海森堡他们当初被囚在faທrmhaທll的窃听录音抄本。这个东东长期来是保密的,只能ม在几个ฐ消息灵通者的著作中ณ见到เ一星半点。1992年这份被称为farmhalltranscrip๐;t的文件解密,由加州大学伯克利ำ出版,引起轰动。po9ers就借助了这份新า资料,写出了他的著作。《海森堡的战争》一书๰被英国记者兼剧作家mi9๗读到เ,后者为其所深深吸引,不由产生了一个巧妙的戏剧构思。在“海森堡之谜”的核心,有一幕非常神๰秘,长期为ฦ人们争议不休的场景,那ว就是19๗41年他对玻尔的访问。当时丹麦已๐被德国占领,纳粹在全欧洲的攻势势如破竹。海森堡那ว时意识到เ了原子弹制ๆ造的可能性,他和魏扎克两人急急地假借一个学术会议的名头,跑到哥本哈根去会见当年的老师玻尔。这次会见的目的和谈话内容一直不为人所知,玻尔本人对此隐讳莫深,绝口不谈。唯一能够确定的就是当时两人闹得很不愉快,玻尔和海森堡之间原本情若父子,但这次见面后多年的情义แ一朝了断ษ,只剩下表面上的客气。生了什么事?有人说,海ร森堡去警告玻尔让他注意德国的计划。有人说海ร森堡去试图把玻尔也๣拉进他们的计划ฐ中ณ来。有人说海ร森堡想探听盟军在这方面的进展如何。有人说海森堡感到罪孽,要向玻尔这位“教皇”请求宽恕……mi9着迷于po9ers的说法,海森堡去到哥本哈根向玻尔求证盟军在这方面的进展,并试图达成协议,双方一起“破坏”这个ฐ可怕的计划。也就是说,任何一方แ的科学家都不要积极投入到原子弹这个ฐ领域中去,这样大家扯平,人类也可以得救。这几乎是一幕可遇而不可求的戏剧场景,种种复杂的环境和内心冲突交织在一起,纠缠成千千情结,组成的gaທo潮段落。一方แ面海森堡有强烈的爱国热情和服从性,他无法拒绝为德国服务的命令。但海森堡又挣扎于人类的责任感,感受到科学家的道德情怀。而且他又是那ว样生怕盟军也造出原子弹,给祖๢国造成永远的伤痕。海ร森堡面对玻尔,那ว个伟大的老师๲玻尔,那个他当作父亲一样看待的玻尔,曾经领导幻般哥本哈根派的玻尔,却也是“敌人”玻尔,视德国为仇敌的玻尔,却又教人如何开口,如何遣词……少年的回忆,物理上的思索,敬爱的师๲长,现实的政治,祖๢国的感情,人类的道德责任,战争年代……这些融在一起会产生怎样的语言和思绪?还有比这更杰出的戏剧ຕ题材吗?《哥本哈根》的第一幕中ณ为海ร森堡安排了如此的台词:“玻尔,我必须知道盟军的计划ฐ!我是那个ฐ能够作出最后决定的人!如果盟军也๣在制ๆ造炸弹,我正在为ฦ我的祖国作出怎样的选择?……要是一个人认为如果祖๢国做错了,他就不应该爱她,那ว是错误的。德意志是生我养我的地方,是我长大成人的地方แ,她是我童年时的一张张面孔,是我跌倒时把我扶起的那双双大手,是鼓起我的勇气支持我前进的那ว些声音,是和我内心直接对话的那些灵魂。德国是我孀居的母亲和难缠的兄弟,德国是我的妻子,是我的孩子,我必须ี知道我正在为她作出怎样的决定!是又一次的失败?又一场恶,如同伴随我成长起来的那个ฐ一样的恶?玻尔,我在慕尼黑的童年结束在无政府和内战中,我们的孩子们是不是要再一次挨饿,就像我们当年那样?他们是不是要像我那样,在寒冷的冬夜里手脚๐并用地爬过敌人的封锁线,在黑暗的掩护下于雪地中匍匐前进,只是为了给家里找来一些食物?他们是不是会像我17岁那ว年时,整个晚上守着惊恐的犯人,长夜里不停地和他们说话,因为他们一早就要被处决?”这样的残酷的两难,造成观众情感上的巨เ大冲击,展示整个ฐ复杂的人性。戏剧ຕ本质上便是一连串的冲突,如此的题๤材,已经注定了这是一出伟大的戏剧ຕ作品。但从历史上来说,这样的美妙景象却是靠不住的。mi9后来说他认为po9ers有道理,至少他掌握了以前๩人们没有的资料,也就是faທrmhalltraທnscri ้2;๙t,可惜他的这一宝似乎ๆ押错了。

即使摆脱了爱因斯坦,量子论也没有多少轻松。关于测量的难题总是困扰着多数物理学家,只不过他们通常乐่得不去想它。不管它有多奇怪,太阳还是每天升起,不是吗?周末仍然有联赛,那个ฐ足球还是硬梆梆的。你的工ื资不会因为不确定性而有奇妙的增长。考试交白卷而依然拿到学分的机会仍旧ງ是没有的。你化成一团概率波直接穿过墙壁而走到เ房子外面,怎么说呢,不是完全不可能的,但机会是如此之ใ低,以致你数尽了恒河沙,轮回了亿万世,宇宙入灭而又涅槃了无数回,还是难得见到这种景象。

确实是这样,电子是个幽灵就让它去好了。只要我们日常所见的那个世界实实在在,这也๣就不会增添乐่观的世人太多的烦恼。可是薛定谔不这么เ想,如果世界ศ是建立在幽灵的基础上,谁说世界本身不就是个ฐ幽灵呢?量子论玩的这种瞒天过海ร的把戏,是别ี想逃过他的眼睛的。

epr出台的时候,薛定谔大为ฦ高兴,称赞爱因斯ั坦“抓住了量子论的小辫子。”受此启,他在1้93๑5年也表了一篇论文,题为《量子力学的现状》diegegen9๗artigesituationinderquantenme9๗ik,文中的口气非常讽刺๐。总而言之ใ,是和哥本哈根派誓不两ä立的了。

在论文的第5๓节,薛定谔描述了那ว个常被视为恶的猫实验。好,哥本哈根派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能ม性的混合叠加,是吧?比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才随机选择一种状态而出现。

好得很,那ว么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧ู妙的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激一连串连锁反应,最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶,而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了,那么毒气瓶就被打破,猫就被毒死。要是原子没有衰变,那ว么猫就好好地活着。

自然的推论:当它们都被锁在箱子里时,因为我们没有观察,所以那个原子处在衰变不衰变的叠加状态。因为ฦ原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们打开箱子察看,事情才最终定论:要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了,要么它活蹦乱ກ跳地“喵呜”直叫。问题是,当我们没有打开箱子之ใ前,这只猫处在什么状态?似乎唯一的可能就是,它和我们的原子一样处在叠加态,这只猫当时陷于一种死活的混合。

现在就不光光是原子是否幽灵的问题๤了,现在猫也๣变成了幽灵。一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,同时在生物学角度来讲也๣是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫,那ว么要是它能说话,它会不会描述那种死活叠加的奇异感受?恐怕不太可能ม。

薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界,现在量子的奇特性质牵涉到เ我们的日常生活了,牵涉到เ我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题๤。这个实验虽然简单,却比epr要辛辣许多,这一次扎得哥本哈根派够疼的。他们不得不退一步以咽下这杯苦酒:是的,当我们没有观察的时候,那ว只猫的确是又死又活的。

不仅仅是猫,一切的一切,当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态的,因为世间万物也都是由á服从不确定性原理的原子组成,所以一切都不能ม免俗。量子派后来有一个被哄传得很广的论调说:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。这稍稍偏离了本意,准确来说,因为ฦ月亮也๣是由不确定的粒子组成的,所以如果我们转过头不去看月亮,那ว一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎,月亮的边缘开始显得模糊而不确定,它逐渐“融化”,变成概率波扩散到เ周围的空间里去。当然这么เ大一个月亮完全融化成空间中的概ฐ率是需要很长很长时间的,不过问题的实质是:要是不观察月亮,它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时,一个确定的,客观的月亮是不存在的。但只要一回头,一轮明月便又高悬空中,似乎什么เ事也没生过一样。

不能ม不承认,这听起来很有强烈的主观唯心论的味道。虽然它其实和我们通常理解的那ว种哲学理论有一定区别ี,不过讲到这里,许多人大概都会自然而然地想起贝克莱geeBerkeley主教的那ว句名言:“存在就是被感知”拉丁文:es色estpercipi。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量”,那ว就和哥本哈根派的意思差不离了。贝克莱在哲学史上的地位无疑ທ是重要的,但人们通常乐于批判ศ他,我们的哥本哈根派是否比他走得更远呢?好歹贝克莱还认为ฦ事物是连续客观地存在的,因为总有“上帝”在不停地看着一切。而量子论?“陛下,我不需要上帝这个假设”。

与贝克莱互相辉映的东方แ代表大概要算王阳明。他在《传习๤录·下》中也๣说过一句有名的话:“你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来……”如果王阳明懂量子论,他多半会说:“你未观测此花时,此花并未实在地存在,按波函数而归于寂;你来观测此花时,则此花波函数生坍缩,它的颜色一时变成明白的实在……”测量即是理,测量外无理。

当然,我们无意把这篇史话变成纯粹的乏味的哲学探讨,经验往往表明,这类空洞的议论最终会变成毫无意义,让人昏昏欲睡的鸡肋文字。我们还是回到เ具体的问题๤上来,当我们不去观察箱子内的情况的时候,那只猫真的“又是活的又是死的”?

这的确是一个ฐ让人尴尬和难以想象的问题๤。霍金曾说过:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪。”薛定谔本人在论文里把它描述成一个ฐ“恶魔般的装ณ置”diabຘoliscນhe,英文diabຘolicນaທl,玩diablo的人大概能更好地理解它的意思。我们已经见识到เ了量子论那种种令人惊异甚至瞠目结舌的古怪性质,但那ว只是在我们根本不熟ງ悉也๣没有太大兴趣了解的微观世界而已,可现在它突然要开始影响我们周围的一切了?一个ฐ人或许能接受电子处在叠加状态的事实,但一旦谈论起宏观的事物比如我们的猫也处在某种“叠加”状态,任谁都要感到一点畏ั畏尾。不过,对于这个ฐ问题๤,我们现在已经知道许多,特别是近十年来有着许多杰出的实验来证实它的一些奇特的性质。但我们还是按着我们史话的步伐,一步步地来探究这个饶有趣味的话题๤,还是从哥本哈根解释说起吧。

猫处于死活的叠加态?人们无法接受这一点,最关键的地方แ就在于:经验告诉我们这种奇异的二重状态似乎是不太可能被一个宏观的生物,比如猫或者我们自己้,所感受到เ的。还是那ว句话:如果猫能说话,它会描述这种二象性的感觉吗?如果它侥幸幸存,它会不会说:“是的,我当时变成了一缕概率波,我感到自己弥漫在空间里,一半已经死去了,而另一半还活着。这真是令人飘飘然的感觉,你也๣来试试看?”这恐怕没人相信。

好,我们退一步,猫不会说话,那么我们把一个会说话的人放入箱子里面去。当然,这听起来有点残忍,似乎是纳粹的毒气集中ณ营,不过我们只是在想象中进行而已๐。这个人如果能生还,他会那样说吗?显然不会,他肯定无຀比坚定地宣称,自己้从头到เ尾都活得好好的,根本没有什么半生半死的状态出现。可是,这次不同了,因为他自己已๐经是一个观察者了啊!他在箱子里不断ษ观察自己้的状态,从而不停地触动自己的波函数坍缩,我们把一个ฐ观测者放进了箱子里!

可是,奇怪,为什么เ我们对猫就不能这样说呢?猫也在不停观察着自己啊。猫和人有什么เ不同呢?难道区别ี就在于一个可以出来愤怒地反驳量子论的论调,一个只能“喵喵”叫吗?令我们吃惊的是,这的确可能ม是至关重要的分别!人可以感觉到เ自己的存活,而猫不能,换句话说,人有能力“测量”自己้活着与否,而猫不能!人有一样猫所没有的东西,那就是“意识”!因此,人能ม够测量自己้的波函数使其坍缩,而猫无຀能为力,只能ม停留在死活叠加任其展的波函数中。

意识!这个字眼出现在物理学中ณ真是难以想象。如果它还出自一位诺贝尔物理学奖得主ว之口,是不是令人晕眩不已๐?难道,这世界真的已๐经改变了么?

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