上帝掷骰子吗--量子物理史话+作者+曹天-第39章

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在脚下。这一现象变得如此地不容置疑，在量子信息领域已经变成了测试两个量子比特是否仍然处在纠缠状态的一种常规方法（有一个好处是可以知道你的信息有否被人中途窃听！）。

　　尽管我们也许会在将来做出更多更精密的实验，但总体来看，在EPR中贝尔不等式的突破是一个无可辩驳的事实。或许在未来，新的实验会把我们目前的结论全部推翻，让世界恢复到经典的面目中去，但从目前来看，这种可能性是微乎其微的。

　　不知道爱因斯坦如果活到今天，他会对此发表什么样的看法？也许他会说一些灵活的话。我们似乎听到在遥远的天国，他和玻尔仍在重复那段经典的对白：

　　爱因斯坦：玻尔，亲爱的上帝不掷骰子！

　　玻尔：爱因斯坦，别去指挥上帝应该怎么做！

　　现在，就让我们狂妄一回，以一种尼采式的姿态来宣布：

　　爱因斯坦的上帝已经死了。

三

阿斯派克特在1982年的实验（准确地说，一系列实验）是20世纪物理史上影响最为深远的实验之一，它的意义甚至可以和1886年的迈克尔逊－莫雷实验相提并论。但是，相比迈克尔逊的那个让所有的人都瞠目结舌的实验来说，阿斯派克特所得到的结果却在“意料之中”。大多数人们一早便预计到，量子论的胜利是不在话下的。量子论自1927年创立以来，到那时为止已经经历了50多年的风风雨雨，它在每一个领域都显示出了如此强大的力量，没有任何实验结果能够对它提出哪怕一点点的质疑。最伟大的物理学家（如爱因斯坦和薛定谔）向它猛烈开火，试图把它从根本上颠覆掉，可是它的灿烂光辉却反而显得更加耀眼和悦目。从实用的角度来说，量子论是有史以来最成功的理论，它不但远超相对论和麦克斯韦电磁理论，甚至超越了牛顿的经典力学！量子论是从风雨飘摇的乱世成长起来的，久经革命考验的战士，它的气质在风刀霜剑的严相逼拷之下被磨砺得更加坚韧而不可战胜。的确，没有多少人会想象，这样一个理论会被一个不起眼的实验轻易地打倒在地，从此翻不了身。阿斯派克特实验的成功，只不过是量子论所经受的又一个考验（虽然是最严格的考验），给它那身已经品尝过无数胜利的戎装上又添上一枚荣耀的勋章罢了。现在我们知道，它即使在如此苛刻的条件下，也仍然是成功的。是的，不出所料！这一消息并没有给人们的情感上带来巨大的冲击，引起一种轰动效应。

但是，它的确把物理学家们逼到了一种尴尬的地步。本来，人们在世界究竟是否实实在在这种问题上通常乐于奉行一种鸵鸟政策，能闭口不谈的就尽量不去讨论。量子论只要管用就可以了嘛，干吗非要刨根问底地去追究它背后的哲学意义到底是什么样的呢？虽然有爱因斯坦之类的人在为它担忧，但大部分科学家还是觉得无所谓的。不过现在，阿斯派克特终于逼着人们要摊牌了：一味地缩头缩脑是没用的，人们必须面对这样一个事实：实验否决了经典图景的可能性！

爱因斯坦的梦想如同泡沫般破碎在无情的数据面前，我们再也回不去那个温暖舒适的安乐窝中，而必须面对风雨交加的严酷现实。我们必须再一次审视我们的常识，追问一下它到底有多可靠，在多大程度上会给我们带来误导。对于贝尔来说，他所发现的不等式却最终背叛了他的理想，不仅没有把世界拉回经典图像中来，更反过来把它推向了绝路。阿斯派克特实验之后，我们必须说服自己相信这样一件事情：

定域的隐变量理论是不存在的！

换句话说，我们的世界不可能如同爱因斯坦所梦想的那样，既是定域的（没有超光速信号的传播），又是实在的（存在一个客观独立的世界，可以为隐变量所确定地描述）。定域实在性（local　realism）从我们的宇宙中被实验排除了出去，现在我们必须作出艰难的选择：要么放弃定域性，要么放弃实在性。

如果我们放弃实在性，那就回到量子论的老路上来，承认在我们观测之前，两个粒子不存在于“客观实在”之内。它们不具有通常意义上的物理属性（如自旋），只有当观测了以后，这种属性才变得有意义。在EPR实验中，不到最后关头，我们的两个处于纠缠态粒子都必须被看成一个不可分割的整体，那时在现实中只有“一个粒子”（当然是叠加着的），而没有“两个粒子”。所谓两个粒子，只有当观测后才成为实实在在的东西（波函数坍缩了）。当然，在做出了这样一个令人痛心的让步后，我们还是可以按照自己的口味不同来选择：究竟是更进一步，彻底打垮决定论，也就是保留哥本哈根解释；还是在一个高层次的角度上，保留决定论，也即采纳多宇宙解释！需要说明的是，MWI究竟算不算一个定域的（local）理论，各人之间的说法还是不尽相同的。除去Stapp这样的反对者不谈，甚至在它的支持者（比如Deutsch，Tegmark或者Zeh）中，其口径也不是统一的。不过这也许只是一个定义和用词的问题，因为量子纠缠本身或许就可以定义为某种非定域的物理过程（Zeh，Found。　of　Physics　Letters　13，2000，p22），但大家都同意，MWI肯定不是一个定域实在的理论，而且超光速的信号传递在其内部也是不存在的。关键在于，根据MWI，每次我们进行观测都在“现实”中产生了不止一个结果（事实上，是所有可能的结果）！这和爱因斯坦所默认的那个传统的“现实”是很不一样的。

这样一来，那个在心理上让人觉得牢固可靠的世界就崩塌了（或者，“坍缩”了？）。不管上帝掷不掷骰子，他给我们建造的都不是一幢在一个绝对的外部世界严格独立的大厦。它的每一面墙壁，每一块地板，每一道楼梯……都和在其内部进行的种种活动密切相关，不管这种活动是不是包含了有智能（意识）的观测者。这幢大楼非但不是铁板一块，相反，它的每一层楼都以某种特定的奇妙方式纠缠在一起，以致于分居在顶楼和底楼的住客仍然保持着一种心有灵犀的感应。

但是，如果你忍受不了这一切，我们也可以走另一条路，那就是说，不惜任何代价，先保住世界的实在性再说。当然，这样一来就必须放弃定域性。我们仍然有可能建立一个隐变量理论，如果容忍某种超光速的信号在其体系中来回，则它还是可以很好地说明我们观测到的一切。比如在EPR中，天际两头的两个电子仍然可以通过一种超光速的瞬时通信来确保它们之间进行成功的合作。事实上，玻姆的体系就很好地在阿斯派克特实验之后仍然存活着，因为他的“量子势”的确暗含着这样的超距作用。

可是要是这样的话，我们也许并不会觉得日子好过多少！超光速的信号？老大，那意味着什么？想一想爱因斯坦对此会怎么说吧，超光速意味着获得了回到过去的能力！这样一来，我们将陷入甚至比不确定更加棘手和叫人迷惑的困境，比如，想象那些科幻小说中著名的场景：你回到过去杀死了尚处在襁褓中的你，那会产生什么样的逻辑后果呢？虽然玻姆也许可以用高超的数学手段向我们展示，尽管存在着这种所谓超光速的非定域关联，他的隐函数理论仍然可以禁止我们在实际中做到这样的信号传递：因为大致上来说，我们无法做到精确地“控制”量子现象，所以在现实的实验中，我们将在统计的意义上得到和相对论的预言相一致的观测极限。也就是说，虽然在一个深层次的意义上存在着超光速的信号，但我们却无法刻意与有效地去利用它们来制造逻辑怪圈。不过无论如何，对于这种敏感问题，我们应当非常小心才是。放弃定域性，并不比放弃实在性来得让我们舒服！

阿斯派克特实验结果出来之后，BBC的广播制作人朱里安？布朗（Julian　Brown）和纽卡斯尔大学的物理学教授保罗？戴维斯（Paul　Davies，他如今在澳大利亚的Macquarie大学，他同时也是当代最负盛名的科普作家之一）决定调查一下科学界对这个重要的实验究竟会做出什么样的反应。他们邀请8位在量子论领域最有名望的专家作了访谈，征求对方对于量子力学和阿斯派克特实验的看法。这些访谈记录最后被汇集起来，编成一本书，于　1986年由剑桥出版社出版，书名叫做《原子中的幽灵》（The　Ghost　in　the　Atom）。

阅读这些访谈记录真是给人一种异常奇妙的体验和感受。你会看到最杰出的专家们是如何各持己见，在同一个问题上抱有极为不同，甚至截然对立的看法。阿斯派克特本人肯定地说，他的实验从根本上排除了定域实在的可能，他不太欣赏超光速的说法，而是对现有的量子力学表示了同情。贝尔虽然承认实验结果并没有出乎意料，但他仍然决不接受掷骰子的上帝。他依然坚定地相信，量子论是一种权益之计，他想象量子论终究会在有一天被更为复杂的实验证明是错误的。贝尔愿意以抛弃定域性为代价来换取客观实在，他甚至设想复活“以太”的概念来达到这一点。惠勒的观点有点暧昧，他承认一度支持埃弗莱特的多宇宙解释，但接着又说因为它所带来的形而上学的累赘，他已经改变了观点。惠勒讨论了玻尔的图像，意识参予的可能性以及他自己的延迟实验和参予性宇宙，他仍然对于精神在其中的作用表现得饶有兴趣。

鲁道夫？佩尔斯（Rudolf　Peierls）的态度简明爽快：“我首先反对使用‘哥本哈根解释’这个词。”他说，“因为，这听上去像是说量子力学有好几种可能的解释一样。其实只存在一种解释：只有一种你能够理解量子力学的方法（也就是哥本哈根的观点！）。”这位曾经在海森堡和泡利手下学习过的物理学家仍然流连于革命时代那波澜壮阔的观念，把波函数的坍缩认为是一种唯一合理的物理解释。大卫？德义奇也毫不含糊地向人们推销多宇宙的观点，他针对奥卡姆剃刀对于“无法沟通的宇宙的存在”提出的诘问时说，MWI是最为简单的解释。相对于种种比如“意识”这样稀奇古怪的概念来说，多宇宙的假设实际上是最廉价的！他甚至描述了一种“超脑”实验，认为可以让一个人实际地感受到多宇宙的存在！接下来是玻姆，他坦然地准备接受放弃物理中的定域性，而继续维持实在性。“对于爱因斯坦来说，确实有许多事情按照他所预料的方式发生。”玻姆说，“但是，他不可能在每一件事情上都是正确的！”在玻姆看来，狭义相对论也许可以看成是一种普遍情况的一种近似，正如牛顿力学是相对论在低速情况下的一种近似那样。作为玻姆的合作者之一，巴西尔？海利（Basil　Hiley）也强调了隐函数理论的作用。而约翰？惠勒（John　Taylor）则描述了另一种完全不同的解释，也就是所谓的“系综”解释（the　ensemble　interpretation）。系综解释持有的是一种非常特别的统计式的观点，也就是说，物理量只对于平均状况才有意义，对于单个电子来说，是没有意义的，它无法定义！我们无法回答单个系统，比如一个电子通过了哪条缝这样的问题，而只能给出一个平均统计！我们在史话的后面再来详细地介绍系综解释。

在这样一种大杂烩式的争论中，阿斯派克特实验似乎给我们的未来蒙上了一层更加扑朔迷离的影子。爱因斯坦有一次说：“虽然上帝神秘莫测，但他却没有恶意。”　但这样一位慈祥的上帝似乎已经离我们远去了，留给我们一个难以理解的奇怪世界，以及无穷无尽的争吵。我们在隐函数这条道路上的探索也快接近尽头了，关于玻姆的理论，也许仍然有许多人对它表示足够的同情，比如John　Gribbin在他的名作《寻找薛定谔的猫》（In　Search　of　Schrodinger’s　Cat）中还把自己描述成一个多宇宙的支持者，而在10年后的《薛定谔的猫以及对现实的寻求》（Schrodinger’s　Kittens　and　the　Search　for　Reality）一书中，他对MWI的热情已经减退，而对玻姆理论表示出了谨慎的乐观。我们不清楚，也许玻姆理论是对的，但我们并没有足够可靠的证据来说服我们自己相信这一点。除了玻姆的隐函数理论之外，还有另一种隐函数理论，它由Edward　Nelson所发明，大致来说，它认为粒子按照某种特定的规则在空间中实际地弥漫开去（有点像薛定谔的观点），类似波一般地确定地发展。我们不打算过多地深入探讨这些观点，我们所不满的是，这些和爱因斯坦的理想相去甚远！为了保有实在性而放弃掉定域性，也许是一件饮鸩止渴的事情。我们不敢说光速绝对地不可超越，只是要推翻相对论，现在似乎还不大是时候，毕竟相对论也是一个经得起考验的伟大理论。

我们沿着这条路走来，但是它当初许诺给我们的那个美好蓝图，那个爱因斯坦式的理想却在实验的打击下终于破产。也许我们至少还保有实在性，但这不足以吸引我们中的许多人，让他们付出更多的努力和代价而继续前进。阿斯派克特实验严酷地将我们的憧憬粉碎，它并没有证明量子论是对的（它只是支持了量子论的预言，正如我们讨论过的那样，没什么理论可以被“证明”是对的），但它无疑证明了爱因斯坦的世界观是错的！事实上，无论量子论是错是对，我们都已经不可能追回传说中的那个定域实在的理想国，而这，也使我们丧失了沿着该方向继续前进的很大一部分动力。就让那些孜孜不倦的探索者继续前进，而我们还是退回到原来的地方，再继续苦苦追寻，看看有没有柳暗花明的一天。

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饭后闲话：超光速

EPR背后是不是真的隐藏着超光速我们仍然不能确定，至少它表面上看起来似乎是一种类似的效应。不过，我们并不能利用它实际地传送信息，这和爱因斯坦的狭义相对论并非矛盾。

假如有人想利用这种量子纠缠效应，试图以超光速从地球传送某个消息去到半人马座α星（南门二，它的一颗伴星是离我们地球最近的恒星，也即比邻星），他是注定要失败的。假设某个未来时代，某个野心家驾驶一艘宇宙飞船来到两地连线的中点上，然后使一个粒子分裂，两个子粒子分别飞向两个目标。他事先约定，假如半人马星上观测到粒子是“左旋”，则表示地球上政变成功，反之，如是“右旋”则表示失败。这样的通讯建立在量子论的这个预测上：也就是地球上观测到的粒子的状态会“瞬间”影响到遥远的半人马星上另一个粒子的状态。但事到临头他却犯难了：假设他成功了，他如何确保他在地球上一定观测到一个“右旋”粒子，以保证半人马那边收到“左旋”的信息呢？他没法做到这点，因为观测结果是不确定的，他没法控制！他最多说，当他做出一个随机的观测，发现地球上的粒子是“右旋”　的时候，那时他可以有把握地，100％地预言遥远的半人马那里一定收到“左”的信号，虽然理论上说两地相隔非常遥远，讯息还来不及传递过来。如果他想利用贝尔不等式，他也必须知道，在那一边采用了什么观测手段，而这必须通过通常的方法来获取。这一切都并不违反相对论，你无法利用这种“超光速”制造出信息在逻辑上的自我矛盾来（例如回到过去杀死你自己之类的）。

在这种原理上的量子传输（teleportation）事实上已经实现。我国的潘建伟教授