夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第21章
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假定宇宙的量子力学允许用数学来处理各种可能的最准经典领域（它们之间真正地不等价）；还假定复杂适应系统实际上发展到利用每个最准经典领域的某些粗粒化方法，那么，每个领域会提供一组可供选择的宇宙粗粒化历史，而IGUS 将在每种情形下，记录可能历史之树上各种概率分枝的结果。这儿的每棵树在两种情形下将完全不同！
如果在两个不同的准经典领域跟踪的现象有某种程度上的一致，那么两个IGUS 彼此会感觉得到，甚至在某种程度上相互通信。但是被一个IGUS跟踪的大量现象，不能直接被另一个觉察到。只有通过一种量子力学的计算或测量，一个IGUS 可能对另一个IGUS 感觉到的所有现象作出评估（这可能使某些人记起男人和女人之间的关系）。
一位利用一个领域的观察者真能意识到其他领域（有它们自己的历史分枝和观察者），也像宇宙可能历史中可供选择的描述一样有用？这个令人神魂颠倒的争论曾经被科幻作者提出过，他们有时根据俄罗斯理论物理学家斯达洛宾斯基（Starobinsky）的提法，用到“小妖精世界”（goblinworlds）这种表述。我们正在努力建构量子力学的现代诠释的目的，是想终止尼尔斯·玻尔所说的时代。玻尔曾经说：“如果一个人说他可以思考量子物理学而不会感到迷惑，这只不过说明他一点也不懂量子物理学。”第十二章 量子力学和傻话
当量子力学中还有许多问题没有得到全部解决以前，本不必要介绍使人迷惑但又事实上不存在的一些问题，但是，近来有不少人又恰好写到量子力学中的这些问题。
由于量子力学预言的只是概率，因此在某些圈子里它获得了一个名声：它只可能知道任何事情的大概情形。这是真的吗？这决定于非常非常低概率的事件是否包括在内。我记得，当我是一个研究生时，我被指定计算一个问题，它涉及某个宏观的重物体在某一时间间隔里，由于量子涨落而跳到空中的概率。我的答案是概率为10…62。这个问题告诉我们，这种概率和零并没有什么实际区别。任何不可几的事物，实际上是不可能的。当我们注意到那些具有有意义的概率，因而实际上真正可能发生的现象时，我们发现很多在经典物理学中不可能发生的现象，在量子力学中实际上也不可能发生。但是，公众对于这一点的理解，受到近几年一些轻率的书籍和文章的误导，其中包括已故的贝尔（John Bell）的一些精致的理论研究和一些相关的实验。
某些涉及两个反方向运动光子的实验报导，给予读者一种错误的印象，似乎测量其中一个光子的性质时会立即影响到另一个光子。于是得出了这样的结论：量子力学允许超光速的传播信息；甚至还断言“超自然”（paranormal phenomena）现象（如预言）因此可以接受！这种事情是怎么发生的呢？爱因斯坦反对量子力学在某种程度上，这个故事要从爱因斯坦对量子力学的态度开始。在20世纪早期，爱因斯坦在关于光子的辉煌的研究中，认真地利用普朗克（MaxPlanck）提出的量子假说，从而为量子力学的发展铺平了道路。但尽管如此，爱因斯坦却不喜欢量子力学。1930 年，在布鲁塞尔的索尔维会议上，爱因斯坦提出一个论证，声称量子力学前后矛盾。玻尔和他的同事们在接下来的几天里疯狂般地研究爱因斯坦的论证，想找出这位伟人论据中的漏洞。在会议结束之前，他们终于可以向爱因斯坦证明：爱因斯坦忽略了一些事情；令人惊奇的是，他忘掉了的正是广义相对论的效应！考虑了这个效应之后，所谓的前后矛盾就消失了。
在这之后，爱因斯坦放弃了试图证明量子力学内部的不一致性，而集中精力对他相信（而量子力学违背）的原理，给出一个应该遵守的正确的理论框架。1935 年，他与另两位年轻的助手玻多尔斯基和罗森（Podolskyand Rosen）合作，发表了一篇论文，在论文中他们描述了这个原理和一个假想实验，在这个实验里量子力学不能和这原理一致。这个原理，爱因斯坦称之为“完备性”（pleteness），向量子力学的最本质特性发起了挑战。
下面我们简略地谈谈爱因斯坦的要求。如果用某种测量方法，可以确定地预言某一特殊量Q 的值，而且如果用另一种完全不同的测量方法，可以确定地预言另一个量R 的值，那么，按照完备性的概念，人们可以同时赋予两个量Q 和R 精确的值。爱因斯坦和他的助手成功地找到一些量，这些量（如同一物体的位置和动量）在量子力学里不可能在同时赋予精确的值。于是，在量子力学和完备性之间出现了一个直接的矛盾。一次测量在一给定时间里可以赋予粒子精确位置，另一次测量在相同的时间里可以精确地给出动量，在量子力学里，这两个测量之间的实际关系是怎么样的呢？这两个测量发生在两个不同的分枝，而且彼此脱散（就像一个历史分枝中一匹马在一次比赛中获胜，另一个分枝则是另一匹马获胜）。爱因斯坦的条件相当于说，两个可供选择的分枝的结果必须共同接受。这显然是要我们放弃量子力学。隐变量
事实上，爱因斯坦并不想用另一种不同的理论框架替代量子力学。在另外一些地方他指出，他相信量子力学的成就仅仅是近似正确的理论结果，并且是另外一种理论预言的统计平均。爱因斯坦的想法在不同的理论家和在不同的时期里，呈现出一个更确定的形式，即量子力学可能被一个决定论的、经典的框架所替代，但在这个框架里有非常之多的“隐变量”（hiddenvariables）。这些变量可以想像成是一些看不见的苍蝇，在宇宙各处嗡嗡地飞来飞去，近乎随机地与基本粒子相互作用，并影响基本粒子的行为。只要这些苍蝇不能被探察到，理论物理学家们能做出的预言，最多也只是对苍蝇的运动作出平均的统计。但这些看不见的苍蝇可以引起无法预言的涨落，而这些涨落又造成了不确定性。希望在于这些不确定性能以某种方式与量子力学相适应，从而使这种图式的预言与量子力学的预言相一致，而我们知道，后者的预言得到了众多观测的证实。玻姆和爱因斯坦
我知道有一位理论物理学家至少在一段时间内，在下述两种情况下犹豫不决：一方面相信量子力学，另一方面又想也许可以用一种像“隐变量”之类的东西替代量子力学。这位物理学家就是戴维·玻姆（David Bohm），他用毕生的精力试图了解量子力学的意义。
1951 年，当我刚拿到博士学位并在普林斯顿高级研究所做博士后的时候，戴维是普林斯顿大学的助理教授。我们俩都是单身汉，常常在傍晚绕着普林斯顿散步，并讨论物理学的问题。戴维告诉我，他作为一个马克思主义者很难相信量子力学（马克思主义者倾向于认为他们的理论是完全决定论的）。既然量子力学取得了巨大的成功，而且又不与任何观测相矛盾，他曾经试图承认量子力学在哲学上终究是可以接受的。在试图让量子力学与他的马克思主义信仰相协调时，他曾就量子理论写过一本基础教科书，强调诠释问题。当这本书快出版时，戴维焦急地想把有关章节拿给爱因斯坦看，看他能否说服这个伟人的反对意见。戴维请我安排一次会见。我回答说，我不合适做这件事，因为我跟爱因斯坦很不熟悉，但我可以和杜卡斯（Dukas）小姐谈一下，她是爱因斯坦的秘书，虽然很难对付，但是看她能做点什么。
过了一两天后，当我遇见戴维时我告诉他，我正在为约会努力，但他激动地打断我的话，说约会完全不必要了。他的书已经出版了，而且爱因斯坦已经读过了，并打电话告诉戴维说在所有反对他的论著中，戴维的书是他见过的最好的礼物，并且说他们应该在一起共同讨论一下。当我再次见到戴维时，当然急于想知道他们的谈话情况，因此我问了他。他似乎很腼腆地对我说：“他和我作了详谈。我要回到写书以前的我。”从那以后大约40 年，戴维试图对量子力学作再次详细阐述和诠释，以消除他的疑惑。最近，我非常伤心地得知他去世了。EPRB 试验
多年以前，戴维·玻姆建议用一个改变了的和更实际的试验，代替爱因斯坦、玻多尔斯基和罗森的假想的“完备性”实验（这个实验这儿不再多说）。玻姆的实验（又称EPRB 试验，以纪念这4 位物理学家）涉及一个粒子衰变为两个光子。假设这个粒子静止，也没有内部的“自旋”（internal“spin”），然后，两个光子向相反方向运动，它们有相同的能量和同样的偏振。如果一个光子是左圆偏振的（向左旋转），另一个也必将如此；同样，如果一个光子是右圆偏振的（向右旋转），那另一个也将如此。更有甚者，如果一个光子沿一特定轴的平面偏振（即电场沿这个轴振荡），那另一个光子也必然如此。
假定光子在进入探测器以前不受任何干扰，进入探测器后如果测出一个光子的圆偏振，那么另一个光子的偏振就确定了——相同。类似地，如果测出一个光子的平面偏振，那么另一个光子的偏振也就确定下来——仍然相同。爱因斯坦的完备性应该意味着：能够对第二个光子的圆偏振和平面偏振这两者都给出确定的值。但是，一个光子的圆偏振和平面偏振不可能同时给出精确的值（正像一个粒子的位置和动量也不可能同时精确给出一样）。因此，按量子力学的观点，完备性的要求在这种情形也仍然不合理，如爱因斯坦和他的同事当年讨论的结果一样。这两个测量，一个是圆偏振，另一个是平面偏振，是两个可供选择的测量；它们出现在不同的历史分枝上，我们没有理由期望同时考虑两者的结果。EPRB 和隐变量的可选择性
以后，约翰·贝尔（John Bell）的理论研究揭示出，用某些测量两个光子偏振的方法，EPRB 实验的装置可以用来区分量子力学和假定的隐变量理论。贝尔的定理（也称贝尔不等式）涉及到一个特殊的量，这个量可以给出两个光子偏振间的相关性。在量子力学里，这个量可以测出它的值，但经典隐变量理论却不容许。
贝尔的书出版以后，各个小组的实验物理学家都开始做EPRB 实验。大家都急切地等待结果，不过实际上所有的物理学家都一直断定量子力学是正确的，因为它已被许多事实所证实。人们可以料到，当世界上所有对这个实验感兴趣的人听到实验结果后，会轻松地叹一口气，然后又像往日那样生活下去。但是出现了意料之外的情况，有一阵子各种实验报告纷至沓来，断定量子力学已被证明有一些离奇古怪和令人不安的特性。当然，量子力学还是原来的那个量子力学。除了进一步证实了量子力学和接着而来的心慌意乱的傻话以外，并没有出现什么新东西。故事被歪曲了
在新闻媒介和各种各样的书中，主要的歪曲是这些传播暗示，有的甚至明确断言，在测量一个光子的偏振（圆和平面两者）时，不知由于什么原因，影响到了另一个光子。事实上，测量并没有引起任何从一个光子传到另一个光子的物理效应。那么，到底发生了什么？如果在一个特定的历史分枝上，一个光子的平面偏振被测量了，并因此给出了确定性，那么，在相同的历史分枝上，另一个光子的平面偏振也就被确定地给出。在一个不同的历史分枝上，一个光子的圆偏振可能被测量，在这种情形下，两个光子的圆偏振都被确定地给出。在每个分枝上，这种情形犹如贝尔在他论文中提到的伯特曼（Bertlmann）的短袜。伯特曼是一位数学家，他经常一只脚穿粉红色短袜，而另一只脚穿绿色短袜。如果你只看到他的一只脚，穿的是绿色短袜，那你立即知道他的另一只脚穿的是粉红色短袜。这时，并没有任何信号从一只脚传到另一只脚。同样，在证实量子力学的实验中，并没有信号从一个光子传给另一光子。没有发生超距作用。上述测定一个光子会立即影响另一个光子的虚假的报导，引出了所有各种各样令人遗憾的结论。首先，断定效应是瞬时的，这违背了相对论的要求：没有任何一种信号——即物理效应，能传播得比光速还快。如果真有这样一种信号，那么当观察者正要测量这运动中的信号时，信号却正好归来了！这正如一首打油诗中所描述的那样：少妇名叫布赖特，走得比光还要快。今天出门去旅行，相对论道上向前迈；可是昨晚已回家，瞧这事情怪不怪？
其次，某些作者声称在量子力学里可以接受“超自然”现象，例如预知，即某些“通灵”（psychicindividuals）人可以预先知道一些偶然过程的结果。无需多说，这些现象会扰乱量子力学，正像它曾扰乱过经典物理学一样。如果说坦率一点，这些人实际上想如我们所知那样，将自然界的定律作一次彻底的修改。
第三种傻话的表现是屈服于某些建议，如美国国防部建议利用量子力学达到在军事上用超光速通讯的目的。人们会奇怪，这些远离常规的新事物，在比较过时的领域里（如反引力、永恒运动）是否意味着其数量应该逐渐减少。如果不是这样，那一定是处理这类事件的官僚机构在增加。EPRB 重要的潜在应用
与此同时，严肃的研究者们开始思考，EPRB 效应也许可以实际地加以利用。他们没有陷入空想，而是提出一些令人神往的潜在应用。例如，贝纳特（Charles Bennett）、布拉萨德（GillesBrassard）和埃克特（ArturEkert）曾经想发明一种量子密码，在这种密码里EPRB 效应一再用来让一根随机弦产生一些二进制码，只让两个人知道，其他任何人都不可能知道，这种弦因此可用来作为传递信息的不可识破的密码，仅在两个人之间秘密使用。
这种方法的大致原理如下。假定只有阿丽丝和玻普两人可以得到EPRB光子对稳定的供应。每一对光子中，一个光子到阿丽丝那儿去，另一个到玻普那儿去。他们两人事先就同意对各自的光子，作了长系列的平面偏振测量，区别两个垂直方向的一半机会称为x 和y，区别另两个相互垂直方向的另一半机会称为X 和Y（x 和y 轴旋转45°就成了X 和Y 轴，如图12—1 所示）。阿丽丝随机选择了她的光子，并不关心它将经受x…y 的测量还是X…Y 的测量。玻普也单独一人作了同样的选择。
上述过程结束后，阿丽丝告诉玻普，她选择了哪种测量她的每个光子的方式，x…y 或X…Y；玻普也给了爱丽丝类似的信息（这种对话可以通过公用电话，被间谍偷听到了也毫无关系）。他们知道在哪种情形下他们两人用了相同的测量（大约有一半时间发生）。由于EPRB 效应，对每个同样的测量，阿丽丝和玻普得到的结果一定完全相同。而这些同样测量的结果，却只有阿丽丝和玻普两人知道，其他任何人都不知道（当然假定每人都秘密地进行测量，并且不宣布测量结果）。这些结果可以用一串1（代表x或X）和一串0（代表y 或Y）来表示，这也只有他们两人知道。这些数串可以作为不可识破的密码基础，在他们两人中使用。
如果他们两人对安全性还不放心，他们可以废弃少数他们共同测量的结果，在公共电话中比较一下对应的一些1 和0 是否真的一致。其他剩下的1 和0 串仍可继续用于秘密通信。�
