反对者们 《量子》历史之旅(四) 高山 　　思维的惰性和对权威的顺从让正统一派的盲目自信感染了几乎所有的人，于是他们的观点不费力就登上了正统“王位”，并从此开始统治人们的思想。只有那些真正的思想者才不会被蒙蔽，才不会为量子力学的暂时成功所迷惑，他们的精神永远是自由的、独立的。在正统世界中，他们被称为反对者，甚至异教徒，然而他们也许比任何人都更牵挂量子的前途和命运。 　　这些反对者们曾经是量子探险的向导和旗手，然而他们并不满意量子力学目前的形式，以及量子力学的正统观点，他们指出了理论本身的缺陷，并试图采取新的方法来弥补这些缺陷，甚至完全从新的方向上来完善量子力学。他们在艰辛的量子征途上继续孤独地探索着……但是，悲剧在于，他们并未成功，他们大多在思想孤寂中度过余生，并且不为时代所理解，甚至他们的努力也被遗忘。 　　在这里，我们将他们尊为真正的量子英雄，在这里，我们将追忆他们与正统观点不断抗争的曲折历程。  图4-1 反对者们：爱因斯坦、德布罗意、薛定谔  　　问：反对者中有谁？ 　　答：主要有爱因斯坦、德布罗意和薛定谔，他们都是量子理论的奠基者和创建者。 　　问：他们为什么反对量子理论？ 　　答：可能有两个原因，一是他们不理解量子理论，但也不愿接受正统观点，二是量子理论本身还存在问题，正统观点不是完全正确的。 不应该放弃到达目标的希望 　　尽管薛定谔在波动力学建立后不久就放弃了他自己提出的经典波解释，然而，薛定谔却并不同意量子力学的正统观点。他要求一个科学理论应当提供时空中实在过程的图像，并深信微观过程可以在时空中加以描述。 　　1926年9月，薛定谔从哥本哈根回到苏黎世，他在给玻尔的感谢信中重申了自己的观点，他说：“即使一百次尝试都已失败，也不应该放弃到达目标的希望，我不是说通过经典图景，而是说通过关于空时事件之真实本性的一些逻辑自恰的观念来达到目标，这很有希望是可能的。” 　　1928年5月，薛定谔在给玻尔的信中又提出了进一步的建议，他说，“我认为特别迫切的是要引入对它们来说这些限制（不确定关系）应该不再适用的一些新概念，因为在原理上不可观察的东西根本不应该包括在我们的概念体系中……然而创立这个新的概念体系无疑将是非常困难的，新的设计要求触及我们经验的最深层：空间、时间和因果性。” 　　30年后，薛定谔仍然坚持自己的看法，他写到，“我们确实感觉到一种对时空中物质世界的完备描述的探索渴望，并且我们认为这一目标远没有被证明为不可达到。”薛定谔认为，正统观点的根本错误在于它违反了可理解性假设和客观性假设，而客观性假设又是实现可理解性的必要前提。薛定谔不愿意忍受玻尔的互补意义上的矛盾，他相信，通过引入新的概念和图像，人们终究可以获得对原子过程的时空描述，并获得对量子的真正理解。他的训诫今天听来仍振聋发聩，“我们不能改变借助于时空的思考方式，我们不能利用它来理解的东西，我们根本就不能理解。” 　　由于不满意量子力学的正统观点，薛定谔与爱因斯坦一样，越来越感觉到自己在科学界中的孤立。1959年，在给好友辛格（Synge）的一封长信中，薛定谔总结了自己对量子力学的看法，他写到，“除了几人以外（例如爱因斯坦、劳厄），其余的理论物理学家都是纯粹的笨人，而我是唯一活下来的健全的人。那个日夜折磨我们的伟大难题就是波粒二象性。在过去的十年里，关于它我写了很多文章，并且几乎厌倦了这样做……就我个人而言，结果是无价值的……因为大多数我最亲近的同行（理论物理学家）已经形成了这样的见解，即我仍在留恋我生命中最伟大的成功（波动力学），它是在我仍具有可自由支配的智慧的时候（1926年，那时我39岁）发现的，因此他们说，我坚持一切都是波的观点，衰老使我不能理解（玻尔的）互补性这一伟大发现……因此，一般的物理学家不能相信，任何健全的人会拒绝接受哥本哈根神谕。”薛定谔强调，“互补性只是一个轻率的口号，……如果我不是完全确信这个人（玻尔）是诚实的，并且真的相信他的口号，我不是说理论，是适当的，我将认为它在学术上是不道德的。” 1927索尔维——正统与反叛 　　1927年10月，在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议上，正统观点取得了决定性的胜利。然而，反对者们也从此开始了他们的抗争。 德布罗意“迷途知返” 　　我认为，这个异议并不放弃下述论点：薛定谔波不仅描述了传播过程，而且也能够确定在这个过程中粒子的位置。我认为德布罗意在这个方向上的尝试是有根据的。 　　——爱因斯坦，第五届索尔维会议 　　在这次会议上，德布罗意首次提出了量子力学的一种非几率解释或因果解释，他称之为导波理论。根据这种理论，粒子仍然进行连续运动，具有通常的连续运动轨迹，波函数则是一种真实的波，它引导粒子运动，并决定粒子在空间中的运动轨迹。这样，德布罗意便给出了微观过程的一种实在图像，在这种图像中，构成物理实在的不是波或粒子，而是波和粒子。尽管德布罗意的理论受到了爱因斯坦的支持，但由于泡利的尖锐反驳，以及来自正统观点的压力，德布罗意不久就放弃了他的解释，并宣布皈依正统。 　　1951年，当玻姆的隐变量解释提出后，德布罗意重又回到了他的导波理论，并试图建立一条他认为能够真正解释量子力学的新途径。 薛定谔我心依旧 　　薛定谔的报告题目是“波动力学”，其中他提出了波函数的一种新的实在解释，这一解释不同于他最初的经典波解释。 　　薛定谔首先强调，波函数一般不是普通三维空间中的波，除非对于单粒子情况。然后他问道，“由这一波函数所描述的系统在真实的三维空间中的情况是怎样的呢？”薛定谔认为，“不存在真正的物质质点的经典系统，而是存在某种连续地充满整个空间的东西，我们利用它可以获得一个瞬时的‘照片’……换句话说，真实的系统是一个处于所有可能状态的经典系统的复合系统，它通过将ΨΨ·作为权重函数而获得。”这样，薛定谔首次给出了一种微观系统在时空中存在的客观图像，即某种象连续的云一样的东西，它具有质量和电荷，并且这一连续的电荷云对电子的电荷具有可分配的贡献。最后，薛定谔指出，纯粹的场理论是不充分的，它必须通过电荷云到点电荷的个体化过程来完善。 　　薛定谔的报告激起很大的争论，玻恩和海森伯表示强烈反对，而爱因斯坦仍然一语未发。 爱因斯坦不再沉默 　　在这次会议上，爱因斯坦第一次公开发表对正统观点的反对意见。尽管他只提出了一个非常简单的反驳，但思想却是深刻的。 　　爱因斯坦很谦逊地做了开场白，“我必须因为不曾彻底地研究量子力学而表示歉意，不过我还是愿意提出一些一般的看法。”然后，他以小孔衍射实验为例，指出了正统观点对这一实验的解释所遇到的不可避免的困难。 　　爱因斯坦说，“认为 |Ψ|2 是表示一个粒子存在于完全确定的地方的几率，这样的一种解释（即正统解释）就必须以完全特殊的超距作用为前提，从而不允许连续分布在空间中的波同时在胶片的两个部分表现出自己的作用。”爱因斯坦认为，如果只从薛定谔波来考虑，哥本哈根解释将同相对性假定相矛盾。爱因斯坦的确目光敏锐，他一下子就看出了正统观点将由于要求波函数坍缩过程的存在而与相对论相抵触，他的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识。    　　玻尔似乎并没有领会爱因斯坦的意思，他的反驳也似乎文不对题。玻尔说道，“我感到自己处在一个很困难的境地了，因为我不明白爱因斯坦所要说明的到底是什么。这无疑是怪我。”然后他只是又陈述了一下正统观点，“我不知道量子力学是什么。我想我们是在与一些数学方法打交道，它们是适合于我们对实验的描述的……我可能没有弄懂，但是我想，整个问题在于理论不是别的，而是用来适应我们要求的一种工具，而且我认为它（量子力学）是适应了的。” 插曲：盒子里的弹簧人 　　尽管在会议上爱因斯坦很少发言，但是在旅馆的餐厅里他却异常活跃。“每天早上他都象一个盒子里的弹簧人那样，精神抖擞地跳出来”1，表示他对量子理论的困惑，“每次他都想好了一个美妙的实验以显示它不成立”2。 　　爱因斯坦所反对的是海森伯的不确定关系，他精心设计的这些理想实验就是要超越不确定关系的限制，并以此来揭示量子力学理论内部的逻辑矛盾。然而，爱因斯坦的努力并没有成功，他的好友艾伦菲斯特形象地将这些实验称为推翻不确定关系的第二类永动机。  图4-3 爱因斯坦与玻尔   　　后来，在1930年的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又做了一次尝试。他提出了一个巧妙的光子盒实验，并确信自己已经找到了不确定关系的一个反例。“这对玻尔是一次不小的震动……他没能立即找到答案，整个晚上他都极度忧虑，一个又一个地想说服别人那不可能是真的，因为假如爱因斯坦是对的，那将意味着物理学的终结。”卢瑟福后来回忆说，“我将永远不会忘记他们两个离开会场的情形：爱因斯坦，一个高大的形象，平静地走着，还带着一点讥讽的微笑，而玻尔则沮丧地跟在他的旁边……第二天上午就迎来了玻尔的胜利。”有趣的是，玻尔取胜所利用的正是爱因斯坦创立的广义相对论，他指出爱因斯坦在光子盒实验中忽略了他的引力红移公式。爱因斯坦的最后一次尝试还是以失败告终，并且是由于他一生中最幸福的思想——广义相对论，这次他不得不承认量子力学具有逻辑一致性。 　　爱因斯坦勇敢地面对了自己的失败，他对正统观点的批判从此也转向了正确的方向。他意识到，在量子力学形式体系内不确定关系是有效的，量子力学在此意义上也是一致的，然而，量子力学仍然是不完备的，它本身并不能证明几率特性是微观粒子运动的固有属性。 琴萧合奏1935 —— EPR与量子猫 　1935年，爱因斯坦和薛定谔弹奏了一曲反击正统观点的琴萧合奏——EPR与量子猫，这支量子名曲流传至今仍经久不衰。爱因斯坦的EPR论证着实让量子教皇玻尔接连几个晚上都“睡在问题上”，而薛定谔的量子猫则完全将正统观点置于了岌岌可危的境地。 爱因斯坦动用相对论 　　1935年5月4日，《纽约时报》以醒目的标题报道：爱因斯坦攻击量子理论。原来，在5月份出版的《物理学评论》上，爱因斯坦与他的合作者波多尔斯基和罗森共同发表文章质问：量子力学对物理世界的描述是完备的吗? 而他们的回答非常坚决，“不是！” 　　早在1927年的第五届索尔威会议上，爱因斯坦就注意到了量子力学与相对论的不相容性，并强调量子力学不能描述单个体系的状态，而只能描述一个由许多全同体系所组成的系综的行为，因而是不完备的理论。现在，他再一次利用相对论来反击量子力学，并且将自己的论证建立在更加严格的基础之上。爱因斯坦这一回胸有成竹，并且在以后的岁月中他一直坚持“量子力学是不完备的”。 　　在这篇文章中，爱因斯坦设想了一个涉及两个粒子的思想实验，在实验中两个粒子经过短暂的相互作用后分离开，这一相互作用产生了两个粒子之间的位置关联和动量关联。然后爱因斯坦论证道，由于通过对粒子1的位置测量可以知道粒子2的位置，而根据相对论的定域性假设，这一测量不会立即影响粒子2的状态，从而粒子2的位置在测量之前是确定的，同理，粒子2的动量在测量之前也是确定的。于是，粒子2的位置和动量在测量之前都具有确定的值，而一个完备的理论应当同时给出粒子2在测量之前的位置值和动量值，但量子力学只能给出关于这些值的统计信息。因此，量子力学是不完备的3。 　　EPR文章发表之后4，在物理学界立刻引起了很大的反响。6月7日，薛定谔给爱因斯坦写信说，“我非常高兴，你在《物理学评论》上刚刚发表的文章已经明显地抓住了独断的量子力学的小辫子。”薛定谔承认EPR论证的两个基础，即实在性判据和定域性假设，并且表示，“我的意见是，我们没有一个和相对论相容的量子力学，根据相对论所有影响都以有限的速度传播。”爱因斯坦回信说，“你是唯一一个我愿与之妥协的人，几乎所有其他人都不从事实去看理论，而是从理论去看事实。他们不能从曾经接受的观念之网中解脱出来，而只是在其中以一种奇异的方式跳来跳去。” 　　同时，EPR文章也立刻引起了玻尔的关注和不安，玻尔的得意门生罗森菲尔德后来回忆道，“这对我们来说简直是个晴天霹雳！对玻尔的影响太大了……当玻尔听到我报告爱因斯坦的论证后，马上放下所有的工作说，我们要立刻澄清这个误解！” 　　10月，玻尔在《物理学评论》上发表了一篇与EPR同名的文章，以反驳爱因斯坦等人的观点。玻尔即不同意爱因斯坦关于物理实在的朴实看法，也不赞同爱因斯坦的定域性假设，而这就使他可以轻易地反驳爱因斯坦的结论。玻尔坚持认为，一个物理量只有在被测量之后才是实在的，同时他还论证道，在EPR思想实验中，当两个粒子分离开之后，对一个粒子的测量仍将对另一个粒子的状态产生影响。最后，玻尔下结论说，“量子力学是一个和谐的数学形式体系，它的预测与微观领域的实验结果符合得很好。既然一个物理理论的预测都能够被实验所证实，而且实验又不能得出比理论更多的东西，那么，我们还有什么理由对这个理论提出更高的完备性要求呢？……因此，从它自身逻辑的相容性以及与经验符合的程度来看，量子力学是完备的。” 　　然而，玻尔的罗曼蒂克语言掩盖了物理的清晰性，他的反驳也因此显得晦涩苍白，而这根本无法让爱因斯坦信服。玻尔所宣扬的“一个物理量只有当它被测量之后才是实在的”观点，爱因斯坦无论如何也不能同意，他在内心深处回敬道，“难道月亮只有在我看它时才存在吗？” 　　[后记] 　　1949年，为庆祝爱因斯坦70寿辰，玻尔在题为《爱因斯坦：哲学家——科学家》（由希尔普编辑）的论文集中发表了《就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商榷》一文，全面系统地阐述了自己的观点，并回顾和总结了他与爱因斯坦之间关于量子力学的争论。同年，爱因斯坦在《对批评的回答》一文中，对玻尔的文章做了答复，并再次批驳了玻尔一派的正统观点。 插曲：炸药实验 　　尽管薛定谔和爱因斯坦都反对量子力学的正统解释，他们的观点却并不完全一致。爱因斯坦认为量子力学的不完备性在于，量子力学中的波函数只能描述一个由许多全同体系所组成的系综的行为，而不能描述单个体系的状态；而薛定谔则认为波函数是对实在的描述，他愿意改变波函数与普通力学观念的联系，或者完全将这些观念抛弃。 　　爱因斯坦与薛定谔经常就量子力学问题交换意见，为了反驳薛定谔的观点，爱因斯坦有一次让他考虑一个炸药实验。爱因斯坦设想，有一定质量的炸药，在一年的时间内可能随机地发生爆炸，那么在没有发生爆炸之前，用于描述炸药的波函数将表示已爆炸和没爆炸的炸药的一种不确定的叠加，而炸药显然只能处于一种确定的状态，要么已爆炸，要么没爆炸。于是，爱因斯坦认为，任何解释都无法将波函数当作是对实在的充分描述，从而薛定谔关于波函数描述实在的观点是不对的。 　　不久之后，爱因斯坦的炸药就被薛定谔换成猫而对正统观点再次发起进攻。 薛定谔放出量子猫 　　受EPR文章的启发，薛定谔随后在德国《自然科学》上发表了题为“量子力学的目前形势”的文章，从另一个角度表达了对量子力学正统观点的不满。 　　薛定谔首先详细解释了物理学如何在实验数据的基础上来构建模型，这一模型是对实际物体的理想化或简化的描述，以便对其进行数学分析；然后他问道，尽管不确定关系导致了人们对自然的描述只能是一种模糊描述，但是自然本身是否真的是模糊的呢？为此薛定谔设想了一个量子猫理想实验，这一实验后来被称为薛定谔猫实验。  图4-4 薛定谔猫   　　薛定谔猫实验可以叙述如下，一只猫被关在一金属盒内，盒中放置下述非常残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：一小块辐射物质放在盖革粒子计数器中，它非常小，在一个小时内可能有一个原子发生衰变，或者没有原子发生衰变，它们发生的几率相同。如果发生衰变，计数器便放电并通过继电器释放一个重锤，进而击碎一个盛有氢氰酸的小瓶。如果人们将整个系统放置一个小时，那么人们会说，如果在此期间没有原子衰变，这只猫就是活的，而第一次原子衰变后它必定被毒死。 　　这一实验最令人困惑的地方在于，根据量子力学，盒内整个系统将处于两种状态的叠加态中，在一种状态中猫是活的，在另一种状态中猫是死的，或者说，盒中的猫将处于奇怪的活与死的叠加态中。然而，根据我们的宏观经验，盒中的猫要么活着，要么死了，两者必居其一。那么，盒中猫的状态到底是怎样的呢？它又是何时从又死又活的状态转变成我们所见到的或死或活的状态的呢？这里，正统观点再次遇到了麻烦，而且是更严重的麻烦。 　　对于第一个问题，正统一派可以不在乎，因为他们只关心实验测量，对于没有测量时的猫的状态不感兴趣，并且认为谈论这样的问题也没有意义。但是，对于第二个问题，他们似乎怎么也说不清楚了，并且彼此之间也开始出现意见分歧。海森伯会认为，只有观察者才能够导致波函数坍缩，从而将量子猫从又死又活的状态中解救出来，这只量子猫将由于观察者的“上帝之眼”而成为经典猫，要么进入天堂，要么依旧快乐地活着；而玻尔会坚持认为测量只需经典仪器，与观察者无关，经典仪器足以解救这只量子猫。但是，谁才有资格作为观察者呢？什么样的物体才能称为经典仪器呢？一只足够聪明的猫能不能自己拯救自己呢？总而言之，正统一派无法说出经典与量子之间的精确边界。 　　看来，薛定谔放出的量子猫的确抓到了正统观点的缺陷之鼠。可惜的是，正统一派仍旧躺在他们舒适的软枕上昏睡正酣………… 　　[后记] 　　1936年3月，薛定谔在伦敦偶遇玻尔，他们之间再次交换了关于量子力学的看法。之后，薛定谔给爱因斯坦去信说，“玻尔对于劳厄和我，尤其是你，利用已知的悖论情况来反驳量子力学的哥本哈根解释，感到很震惊，甚至认为是叛国罪。在他看来，这一解释不仅在逻辑上是如此必要，并且在经验上已为大量的实验所证实，似乎是我们强迫自然接受我们关于实在的先入之见……” 作为反对者的爱因斯坦 　　在量子力学建立之后，爱因斯坦便开始扮演反对者的角色，他的贡献主要在于指出了这一理论的不完备性，并督促人们去发现更完备的量子理论。同时，爱因斯坦本人也一直试图在新的基础上重建量子理论，他选择了统一场方向，并认为场论最终可以提供一个完备的量子理论。 　　爱因斯坦的确有他的弱点，有他的保守性。他是在经典理论的熏陶下成长起来的，他的相对论也是建立在经典理论之上的。因此，他不可避免地对经典观念有一种深深的眷恋，除非不得已，他是不会轻易放弃它们的。例如，爱因斯坦最早注意到随机性在量子层次上的出现，但却不敢大胆地接受它，毕竟经典信念在他的心中比任何人都更加根深蒂固。然而，爱因斯坦所坚持的经典理想并非完全没有道理，也不能全部加以抛弃，客观实在性就是这样一个科学理想。 　　现在，让我们寻着历史的足迹去回顾爱因斯坦对量子力学正统观点的微讽严批，让我们同样以孩子般的质朴心情去品味他在那孤寂的岁月中时常表露出的孩子般的顽皮和任性。 　　人们实在应当为它的成功而感到羞愧，因为它是根据耶稣会的格言“不可让你的左手知道你的右手所做的事”而获得的。 　　——爱因斯坦致玻恩，1919年6月4日 　　关于因果性问题也使我非常烦恼。光的量子吸收和发射究竟能否完全按照因果性要求去理解呢？还是一定要留下一点统计性的残余呢？我必须承认，在这里，我对自己的信仰缺乏勇气。但是，要放弃完全的因果性，我会是很难过的。 　　——爱因斯坦致玻恩，1920年1月27日 　　我决不愿意被迫放弃严格的因果性，而对它不进行比我迄今所进行过的更强有力的保卫。我觉得完全不能容忍这样的想法，即认为电子受到辐射的照射后，不仅它的跳跃时刻，而且它的方向，都由它自己的自由意志去选择。在那种情况下，我宁愿做一个补鞋匠，或者甚至做一个赌场里的雇员，而不愿意做一个物理学家。固然，我要给量子以明确形式的尝试再三失败了，但是我决不放弃希望。况且即使永远行不通，总还有那样的安慰：这种不成功完全是属于我的。 　　——爱因斯坦致玻恩，1924年4月29日 　　你能够以更精确的方式来描述从一个定态到另一个定态的跃迁吗？ 　　——爱因斯坦致海森伯，1926年春 　　我确信，通过你的关于量子条件的公式表述，你已作出了决定性的进展；我同样确信，海森怕一玻恩的路线已经走向歧途。 　　——爱因斯坦致薛定谔，1926年4月26日 　　在这些对量子规则作深刻阐明的新尝试中，我最满意的是薛定谔的表述方式。但愿那里所引进的波场是能够从n维坐标空间移植到 3 维或 4 维坐标空间的，海森伯—狄拉克的理论我固然不得不钦佩，但是我却闻不到真理的气味。 　　——爱因斯坦致索末菲，1926年8月21日 　　薛定谔理论的这些成就留下了巨大的印象，虽然我不知道，它比老的量子规则是不是会讲出更多的东西，即讲出某些符合实际事件方面的东西。人们是否真的已接近解决这个谜了呢？我寄上一篇小作品给您，其实它不过是往日希望的一个雅致的坟墓而已。 　　——爱因斯坦致索末菲，1926年11月 28日 　　量子力学固然是堂皇的，可是有一种内在的声音告诉我，它还不是那真实的东西。这理论说得很多，但是一点也没有真正使我们更加接近于“上帝”的秘密。我无论如何深信上帝不是在掷骰子。 　　——爱因斯坦致玻恩，1926年12月4日 　　许多物理学家断言——而且有许多有利于他们的有力论据——在这些事实面前，不仅微分定律，而且因果律本身（直到现在，这是一切自然科学的终极的基本假设）也已经破产了……德布罗意—薛定谔方法在某种意义上是具有场论特征的，它确实推算出只存在分立的状态，这同经验事实取得了惊人的一致……但是它必须放弃质点的定位和严格的因果律……谁敢在今天断定这样的问题：因果律和微分定律这两条牛顿自然观的终极前提是不是一定要放弃呢？ 　　——爱因斯坦，1927年3月20日 　　如果只从薛定谔波来考虑，那么就我所知，哥本哈根解释（量子力学完备地描述单个过程）是同相对性假设相矛盾的。 　　——爱因斯坦，1927年第五届索尔维会议发言 　　我认为，就有重物质来说，量子力学所包含的真理差不多同古典光学理论一样多。它们似乎都是一种正确的统计理论，但对于单个基元过程还缺乏充分的理解。 　　——爱因斯坦致索末菲，1927年11月9日 　　你主张p、q的概念应当放弃，如果它们只能具有这样一种“动摇不定的意义”的话。这在我看来是完全合理的。 　　——爱因斯坦致薛定谔，1928年5月31日 　　海森伯—玻尔的绥靖哲学——或绥靖宗教？——是如此精心策划的，使它得以向那些信徒暂时提供了一个舒适的软枕。那种人不是那么容易从这个软枕上惊醒的，那就让他们躺着吧。 　　——爱因斯坦致薛定谔，1928年5月31日 　　像现在所用的这种原则上是统计性的描述方法，只能是一种暂时的过渡状态。 　　——爱因斯坦，1935年　　 　　我坚定地相信，有人会发现一种比我的命运所能找到的更加合乎实在论的方法，或者说得妥当点，会发现一种更加明确的基础。 　　——爱因斯坦，1944年 　　当今则过分地受到一种主观主义和实证论的统治，对于把自然界看成是客观实在的观点，人们现在认为它是一种过时了的偏见，而认为量子理论家们的观点是天经地义的。 　　——爱因斯坦，1944年 　　不能相信：我们必须实际地并且永远地放弃那种在空间和时间里直接表示物理实在的想法。 　　——爱因斯坦致玻恩，1947年3月3日 　　我完全相信，终究会有人提出一种理论，在这个理论中用定律联系起来的对象，并不是几率。 　　——爱因斯坦致玻恩，1947年3月3日 　　他（玻尔）认为离开可能出现的主体而独立的实在是不存在的。 　　——爱因斯坦致玻恩，1953年 　　函数不能认为是对体系的完备描述，而只是一种不完备的描述。 　　——爱因斯坦致玻恩，1954年 　　这样的方案（即量子力学）不可能是自然的最终描述。 　　——爱因斯坦，1954年 　　爱因斯坦一生都坚持实在论，而反对具有实证论倾向的量子力学的哥本哈根解释。爱因斯坦对这一解释提出了很多反对意见，而玻尔等人正是通过分析这些反对意见才进一步完善了他们关于量子力学的正统观点。因此，爱因斯坦在很大程度上促进了量子力学解释的不断清晰和完善，同时，他对量子力学哥本哈根解释的批判也一直在激励人们去发展更为完善的量子理论。这一贡献的影响是最为深远的，因为爱因斯坦所关心的量子问题至今依然存在，量子力学仍然没有被真正理解，量子力学与相对论的不相容问题也仍然没有得到解决。 　　爱因斯坦于1905年创立了狭义相对论，于1915年建立了广义相对论，然而，他一生的大部分时间都在思索量子的神秘本质，并试图建立一种更完备的量子理论。爱因斯坦晚年承认，“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案”。今天，人们更没有理由骄傲自满，我们必须完成爱因斯坦未竟的科学事业，而在这一探索旅程中，他的探索精神和深邃思想仍将一直激励并指引我们前进。 　　[后记] 　　1975年8月25日，狄拉克在澳大利亚新南威尔大学作了题为“量子力学的发展”的演讲，其中他评论道，“我认为也许结果最终会证明爱因斯坦是正确的，因为不应认为量子力学的目前形式是最后的形式。关于现在的量子力学，存在一些很大的困难，……它是到现在为止人们能够给出的最好的理论，然而不应当认为它能永远地存在下去。”  图4-5 爱因斯坦与玻尔的最早论战   　　 [爱因斯坦与玻尔的最早论战] 　　爱因斯坦与玻尔之间的论战被称为是一场“关于物理学灵魂的论战”5。这场论战开始于1920年，那年5月2日，玻尔第一次与爱因斯坦在柏林会面，他们就量子论的最新发展交换了意见，谈论的主题是光的波粒二象性问题。当时，爱因斯坦主张，完备的光理论必须以某种方式将波动性和粒子性有机地结合起来，并且波和粒子这两个侧面可以因果性地相互联系起来；而玻尔却坚持光的经典波动理论，否认光量子假设的有效性。后来，爱因斯坦在给玻尔的信中深情地写到，“我一直在学习你的伟大著作——当然是在我自己的研究受到挫折时——现在我很高兴地看到你年轻友好的面庞正在我面前微笑着、解释着。”  　　注1、艾伦菲斯特的描述。 　　注2、斯特恩的描述。 　　注3、爱因斯坦本来打算将自己的想法论述得更加简单和清晰，然而他的合作者却在EPR文章中将它复杂化了。EPR文章的具体分工为：E（爱因斯坦）负责思想表达，P（波多尔斯基）负责逻辑论证，R（罗森）负责数学处理。这里给出的论证采用的是爱因斯坦最初设想的更简单的形式。 　　注4、EPR是三位作者名字首字母的缩写。 　　注5、英国物理学史家惠塔克（Andrew Whitaker）语。 回到经典 《量子》历史之旅（五） 高山 　　对经典思想的留恋使一些物理学家不能容忍正统观点的独断专行，他们渴望回到熟悉的经典家园。尽管这可能会走弯路，但他们无疑抓住了实在性，而没有让量子世界消失在互补性的迷雾之中。50年代初，玻姆终于找到了一条返回经典家园的隐变量之河，他的理论再一次唤起人们对真实的实在世界的向往。 　　 　　1947年，第二次世界大战在烈火和硝烟中结束了。对于量子理论而言，新一代物理学家正成长起来，他们没有经历过创立者们所走过的艰难岁月，也没有体验到理论建立时的心灵震撼。对于他们来说，量子力学和正统解释已经现成地摆在那里，只需要学习和接受而已。然而，人类固有的反叛天性却使他们成为了反对正统解释的“量子异教徒”，并沿着EPR所指引的方向继续前进。 　　 　　从量子理论建立伊始，人们就意识到由波函数所描述的系统一般不具有确定的性质，只有我们对这种性质进行测量后才能得到一个唯一的确定值。这一事实似乎意味着在测量之前不存在真实的、确定的世界。一种最直接的补救办法就是给波函数增加额外的隐变量，从而可以赋予系统的性质以确定值，为系统提供更完备的描述，例如，这些隐变量可以同时提供粒子于任意时刻的位置和动量。1952年，玻姆果真给出了一个隐变量理论，并将人们重又带回到那个确定性的经典世界中。 　　玻姆出场 　　1951年，普林斯顿高等研究院 　　 　　玻姆刚刚从爱因斯坦的办公室里走出来，他的心情有些激动，爱因斯坦不仅喜欢他写的书，而且也承认他和自己一样对量子理论不满意。“我从未看到量子理论被如此清晰地表述出来。。。量子理论包含了一部分真理，但它却是不完备的”，爱因斯坦的赞同和鼓励给了玻姆更大的信心和勇气，他决心找到通往量子实在的道路。 　　  图5-1 玻姆    　　在大学时代，玻姆就开始深深迷恋上量子理论。1939年，他来到加利福尼亚大学伯克利分校攻读物理学博士学位。在那里他参加了奥本海默的量子力学讲习班，并在业余时间经常与同宿舍的博士生温伯格讨论量子问题。1946年，玻姆成为了普林斯顿大学的一名助教，然而，量子问题却始终萦绕在玻姆的心头，为了理解量子概念的精确本性，他决定写一本关于量子力学的书。 　　 　　五年后，玻姆终于完成了《量子理论》一书，这本书后来成为最好的量子力学教科书之一。尽管玻姆在书中采用了正统的哥本哈根解释1，但是在这本书的写作过程中，他开始对正统观点产生怀疑。玻姆无法接受正统观点的下述教义，即微观粒子没有客观的存在性，只有当人们测量和观察它们时才具有确定的性质，同时，他也不愿相信量子世界是由纯粹的几率所统治的。玻姆逐渐相信，在量子世界表面上的随机性底下隐藏着更深刻的原因。 　　 　　爱因斯坦对玻姆的书给予了很高的评价，他热情地给玻姆打了电话，并说他想和玻姆讨论一下那本书。于是，玻姆来到了爱因斯坦的办公室，与他进行了那次终生难忘的谈话。爱因斯坦说自己从未看到量子理论被如此清晰地表述出来，同时，他也表达了对量子理论正统解释的不满。爱因斯坦认为，尽管量子理论取得了惊人的成功，但它仍然是不完备的，人们通过它不能获得对量子过程的更清晰的理解。爱因斯坦的话深深影响了玻姆，并进一步激励他去发现隐藏在量子现象背后的可能的经典世界。 　　 　　为粒子找回轨迹 　　1952年，玻姆的思索终于有了结果，他在《物理学评论》上连续发表两篇文章，提出了量子力学的隐变量解释。 　　 　　玻姆认为，在量子世界中粒子仍然是沿着一条精确的连续轨迹运动的，只是这条轨迹不仅由通常的力来决定，而且还受到一种更微妙的量子势的影响。量子势由波函数产生，它通过提供关于整个环境的能动信息来引导粒子运动，正是它的存在导致了微观粒子不同于宏观物体的奇异的运动表现。通俗地讲，这有些类似于雷达波引导轮船的情况，雷达从周围的环境收集信息，然后指引轮船航行，但轮船航行的动力则来自它本身的发动机。 　　  图5-2 粒子通过双缝后的玻姆轨迹 (G. Bauer提供)     　　在玻姆的隐变量理论中，粒子与波函数同时存在，其中波函数被看作是一种存在于数学配置空间中的物理场，满足连续的薛定谔方程，并且从不坍缩，而粒子则由波函数引导进行连续运动，同时具有确定的位置和速度。因此，玻姆的隐变量理论（在经典意义上）提供了比量子力学更为完备的描述。 　　 　　但是，它却不可见！ 　　玻姆理论的最引人注目之处在于它对测量的处理。在这一理论中，量子系统的性质不只属于系统本身，它的演化即取决于系统也取决于测量仪器。因此，关于隐变量的测量结果的统计分布将随实验装置的不同而不同。正是这个整体性特征保证了玻姆的隐变量理论与量子力学（对于测量结果）具有完全相同的预测3。然而，它也导致了一个令人极不舒服的结果。 　　 　　根据玻姆理论的预言，尽管它为粒子找回了轨迹，但却是一条永远不可见的轨迹，理论中引入的隐变量---粒子的确定的位置和速度都是原则上不可测知的。人们永远无法知道粒子实际的运动轨迹，对它们的测量将总是产生与量子力学相一致的结果，例如，这些结果总满足不确定关系。此外，玻姆理论所假设的另一物理实在---波函数或Ψ场同样是不可探测的隐变量，因为对单个粒子的物理测量一般只产生一个关于粒子性质的确定的结果，而根本测不到任何Ψ场的性质4。 　　 　　第一个实在模型 　　无论如何，玻姆理论都是一个极佳的实在范例，它第一次真正打破了正统观点的“清规戒律”，并让我们看到量子现象背后的微观实在是可以存在的。可以说，玻姆理论巧妙地综合了爱因斯坦和玻尔的思想5，一方面，它保留了爱因斯坦所坚持的实在性、因果性和决定论，这体现在粒子的客观存在和它的连续运动轨迹上；另一方面，它又保留了玻尔的整体性思想，这体现在作为客观场的波函数和它所产生的量子势上。 　　 　　正如玻姆晚年（1987）所言，他的隐变量解释“打开了通往更微妙的实在底层的大门”。的确，这一解释给那些坚持实在性观念的人们以更加坚定的信心，而这种信心必将指引他们最终发现量子实在的真实图像。 [评论] 　　玻姆理论所提供给我们的两种物理实在---粒子轨迹和Ψ场都是不可测知的，因而只是一种理论虚幻，一种比互补性更美好的虚幻。更为重要的是，玻姆理论并没有为波函数这一数学实体及其演化规律——薛定谔方程提供进一步的物理解释。在这一理论中，波函数被直接当做是存在于数学配置空间中的物理场，并且只是简单地假设它满足薛定谔方程。因此，严格地说，玻姆理论并没有为隐藏在波函数背后的神秘的微观实在提供一幅清晰的物理图象，从而它或许并不能称为量子力学的实在解释，甚至不能称为量子力学的解释。 　　 　　 [补充材料] 　　玻姆对量子力学的另一个重要贡献是，在爱因斯坦等人的EPR论证的基础上，他进一步提出了EPR实验的自旋版本。这一版本现在被称为EPRB实验，它的提出使EPR实验可以更容易地在实验室中进行。另一方面，EPRB实验也大大简化了理论分析，后来贝尔提出的著名不等式正是基于这个实验，而关于贝尔不等式的检验，如1982年阿斯派克特等人的实验，则正是EPRB实验的最终实现。 　　 　　插曲：爱因斯坦的评价 　　玻姆的隐变量理论一开始就受到了冷遇。正统一派自然对他的“异端邪说”进行猛烈的反击，因为它竟敢抛弃他们的教义---互补性原理，而最让玻姆感到失望的是，爱因斯坦竟然也不赞同他的解释，也许是因为这一解释与统一场论的方向并不一致。爱因斯坦在1952年5月2日给玻恩的信中说，“你曾听说过玻姆认为---就象德布罗意25年前一样---他已能用决定论的精神来解释量子理论了吗？我觉得这种办法似乎太廉价了。”实际上，爱因斯坦在整个研究生涯中从未提到过隐变量一词。此外，让玻姆感到同样意外的是，德布罗意也认为他的理论“将会遇到不可克服的困难，主要是由于不可能赋予Ψ波以物理实在性”。 　　 　　然而，玻姆的理论却深深吸引了另一个同样为量子力学着迷的物理学家贝尔，他决心探寻隐变量是否真的存在，并因此发现了被称为“科学的最深远的发现”的贝尔不等式6。 　　 　　两难局面  图5-3 贝尔    贝尔是欧洲高能物理实验室(CERN)的一名物理学家，他的专职工作是加速器设计和粒子物理学研究，而量子力学研究只是他的业余爱好。然而，也正是这一业余研究使贝尔的名字永远留在物理学，甚至科学的史册上。 　　 　　从大学时代起，贝尔就对量子力学和它的隐含产生了浓厚的兴趣，这些问题在当时已为爱因斯坦和玻尔激烈地争论过，但没有结论。贝尔深为下述的两难局面所困扰，一方面，根据玻尔一派的看法，以及冯诺依曼1932年的不可能性证明，量子力学拒绝隐变量的存在，而根据爱因斯坦等人1935年的EPR论证，量子力学必定是不完备的，从而应当存在隐变量以完备地描述量子系统的状态。那么，这两种观点中哪一个是正确的呢？或者说，隐变量究竟是否存在呢？ 　　 　　当贝尔在40年代为这些量子问题苦恼时，他并没有十分明确的想法，只是更倾向于爱因斯坦的观点7。贝尔认为，引入决定论隐变量可能是非常自然的，原因主要有三个，一是它可以消除模糊的量子边界，从而可以恢复实在论，二是它可以恢复确定性和决定论，第三个原因与EPR论证有关，贝尔认为爱因斯坦所要求的量子力学的完备化就是简单地增加隐变量。然而，冯诺依曼的不可能性证明却始终像一团阴云，使贝尔对隐变量的热情不得不有所减弱。 　　 　　1952年，当玻姆提出他的隐变量理论时，贝尔终于惊喜地“看到这种不可能性被实现了”，当时他也许是玻姆理论的唯一支持者。然而，贝尔的本职工作并不允许他花费更多的时间来考虑这些量子问题。十年转瞬即逝，当贝尔达到了他作为高能物理学家的职业顶峰时，他才有时间思考那些使他着迷的量子问题。1963年，贝尔到位于加利福尼亚的斯坦福直线加速器中心（SLAC）做为期一年的访问休假，这使贝尔有时间重又回到隐变量问题上。 　　 　　遭遇不可能性 　　贝尔在玻姆理论的基础上重新考察了冯诺依曼的不可能性定理。由于玻姆的理论过于复杂，他自己找到了一个非常简单的隐变量模型，并基于这个模型重新分析了冯诺依曼的证明。贝尔很快意识到，冯诺依曼的证明所依据的可加性假设是有问题的8，它并不适用于所有的隐变量理论。由于这一假设是证明的关键，它的无效立刻就推翻了冯诺依曼关于隐变量不可能性的证明。 　　 　　贝尔将他的这些想法写成了一篇文章，并于1964年投寄给《现代物理评论》杂志，但由于刊物主编的疏忽，直到1966年才发表。在这篇文章中，贝尔还讨论了隐变量理论的两个令人不安的特征，第一个是关联性，即一个变量的测量结果将依赖于哪个其他变量被同时测量，第二个就是非定域性，即一个粒子的行为依赖于所有其它粒子的行为，无论相距多远。 　　 　　在贝尔看来，非定域性明显与爱因斯坦的相对论相抵触，是应当避免的。于是，贝尔试图进一步找到一个类似于玻姆理论的隐变量模型，但其中没有恼人的非定域性。然而，贝尔没有成功，相反，通过对EPRB实验所进行的更深入的分析，他却意外地发现了那个后来以他的名字命名的不等式——贝尔不等式，并“建立了一个不可能性证明”9。贝尔发现，量子力学竟然禁止定域隐变量理论的存在！这一结论今天被称为贝尔定理，它告诉我们任何与量子力学具有相同预测的理论将不可避免地具有非定域性特征，或者说必将包含某种“心灵感应”特性。具体地说，量子力学预言在相互纠缠的微观粒子（如电子、光子等）之间存在某种非定域关联，如果我们对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的状态变化，无论它们相距多远。 　　 　　贝尔不等式的发现被称为“科学的最深远的发现”之一，它首次清晰地揭示了量子世界的奇妙特征---非定域性，并使人们第一次有可能通过实验来直接证实这种量子非定域性的存在。至今，人们已进行了大量实验来证明贝尔定理，其中最有说服力的是法国物理学家阿斯派克特等人于1982年所做的实验，这些实验的结果再次证实了量子力学的预言。 　　 　　 [评论] 　　贝尔关于量子力学的文章是清晰透彻的，他将正统的哥本哈根解释称为罗曼蒂克的、非物理的。除了他于1990年写的最后一篇文章“反对测量”外，贝尔关于量子力学的看法都收录在《量子力学中可言说的与不可言说的》一书中。非常值得一读！ 　　 　　残留的隐变量 　　贝尔定理排除了人们最熟悉、也最直观的一类隐变量---定域隐变量，它告诉我们，隐变量如果存在将必然包含一种难以理解的非定域性，这种隐变量被称为非定域隐变量。此外，这种非定域隐变量理论还必须以超决定论为基础，即假设一切都由宇宙初始条件和超决定论的演化方程预先决定。于是，量子随机性以及我们人类的自由意志都将消失在决定论的迷雾之中，而且这些还不够，非定域隐变量理论还必须在超决定论的基础上再假定宇宙从大爆炸经过一百多亿年的演化进化出我们地球上的人类，而人类再走过几千年的文明历程，于21世纪的某一天在他们的量子实验中，在他们可任意选择的测量之间仍然存在着简单的、可辨认的超决定论的关联，它们竟没有淹没在自宇宙创生以来所不断积累的噪声之中，并且反而愈加如隐变量理论所需要的那样明显。无疑，这是极不自然的，也是极不可能的。 　　 　　可以说，正是由于贝尔深信隐变量的存在，他才会去认真地找寻它们，并因此发现了那个美妙的贝尔不等式。然而，这个不等式的发现对于贝尔来说却是事与愿违，它让量子巨轮离开隐变量的经典之岸愈来愈远了。 　　 　　今天，尽管大多数物理学家都不愿沿着玻姆所发现的隐变量之河返回昔日的经典家园，但是他们相信，一定存在通往量子世界的实在之路。而贝尔的发现进一步显示，隐藏在量子现象背后的物理实在将更加微妙，也更加不可捉摸，而量子探险之路无疑也将更加艰辛。然而物理学家们不愿服输，他们准备付出一切代价，甚至不惜冒险进入令人迷幻的多世界丛林。 注： 　　1、玻姆在这本书的序言中说，“关于一条精确确定的连续轨道的经典概念，由于引进一系列单次跃迁的运动描述方式而被根本地改变了”。 　　2、尽管双缝后面为真空，但是由于受到量子势的作用粒子将不走直线，从而可以产生干涉图像。 　　3、应当指出，玻姆的隐变量理论需要假设粒子与某种未知背景系统之间存在随机相互作用，即需要假设背景随机涨落的存在。因此，对于一些特殊情况玻姆理论与量子力学具有不同的预测，并且可以通过实验来区分。 　　4、应当指出，玻姆理论还存在其他一些问题。例如，在玻姆理论中，粒子之间存在一种瞬时的联系，每一个粒子的速度都瞬时地依赖于其他粒子的位置和速度，从而粒子的连续运动将明显违反相对论要求。此外，还有粒子与波函数之间的相互作用缺乏对称性，以及空波问题等等。具体论述可参见《量子运动与超光速通信》。 　　5、当然，玻姆理论也不可避免地舍弃了他们两人所最珍爱的一些东西，如爱因斯坦所坚持的定域性和玻尔所强调的非连续性。 　　6、这一评价来自于美国物理学家斯塔普(Henry Stapp)，他目前工作于加利福尼亚的劳伦斯伯克利国家实验室。 　　7、贝尔认为自己是爱因斯坦的追随者。他后来对好友伯恩斯坦（Jeremy Bernstein）解释说，“我认为，在这个问题上，爱因斯坦比玻尔具有更大的智力优越性，在那些清楚地看到需要什么的人与蒙昧主义者之间存在一个巨大的隔阂。” 对于玻尔，贝尔则认为他是两个分离的人。贝尔一方面强烈支持玻尔的下述观点，即测量仪器的纯经典性以及单次测量中的整体性观念，但是，另一方面，贝尔认为玻尔的互补性原理一点也不清晰，他更喜欢称之为矛盾性原理。此外，贝尔认为玻尔对EPR悖论的解决也是不一致的。 　　8、据说，在冯诺依曼的证明发表后不久，爱因斯坦就在一次讨论中指出了这一可加性问题。 　　9、贝尔的证明发表于1964年的《物理》杂志上，文章只有5页长，其中关键的一节“矛盾”只有两页，共有大约12个方程，论证十分简单、清晰。这篇文章后来被认为是20世纪物理学领域中最著名的文章之一。有趣的是，《物理》杂志只出版了一年就停刊了，从而成为历史上“寿命”最短的物理学杂志，但由于贝尔不等式它却广为人知。 多世界 《量子》历史之旅（六） 高山 　　有谁曾梦想过我们所生活的世界只是无数个世界中的一个，又有谁梦想过这些其他的世界就在我们的身边，它们与我们共有同样的时间和空间。然而，量子理论却似乎预言了这样一种多世界丛林的存在。 　　 　　20世纪保守最好的机密 　　1957年，普林斯顿大学的研究生艾弗雷特三世公布了一个将令所有人为之震惊的新理论，它就是量子力学的多世界解释。后来的科学评论家称之为“20世纪保守最好的机密之一”1。　 　　艾弗雷特三世（Hugh Everett III）毕业于美国天主教大学2化学工程专业。1950年代，他在普林斯顿大学攻读数学物理专业的博士研究生，导师是著名的物理学家惠勒。在研究生期间，艾弗雷特学习了冯诺依曼和玻姆的量子力学课本，并经常与其他同学就量子力学问题进行讨论。在他看来，“下述情况似乎是不真实的：一方面，应当有一种‘魔法式’的过程，在这个过程中发生某种剧烈变化（波函数坍缩）；而另一方面，在所有时间里又假设系统服从完全自然的连续定律。”3 经过长时间的独立思索，艾弗雷特逐渐形成了自己的看法，他认为正统解释中的波函数坍缩是不必要的观念，并重新给出了量子力学的相对态表述。 　　 　　艾弗雷特假设，所有孤立系统的演化都遵循薛定谔方程，波函数坍缩从不发生。但是，如果波函数不发生坍缩，为什么我们对具有不确定性（即处于叠加态）的量子系统的测量只能得到一个确定的结果呢？艾弗雷特意识到，另一个可能的出路在于：作为相互作用的结果，测量仪器与被测系统的状态之间发生关联，从而测量仪器的状态不再能够被独立地定义，而只能相对于被测系统的状态来定义，艾弗雷特称之为相对态。进一步地，当观察者对测量仪器进行读数时，他的状态也与测量仪器，进而与被测系统的状态关联起来。这三者形成了一个复合系统的整体，而根据薛定谔方程被测系统的不确定性将传递给整个复合系统，即它也处于叠加态。 　　 　　现在到了问题的最关键之点，艾弗雷特在此迈出了最大胆的一步。他认为，由于在复合系统的叠加态中，每一个成员态包含一个确定的观察者态、一个具有确定读数的测量仪器态，以及一个确定的被测系统态，因此，作为叠加态中的每一个成员态描述一个感知到一个确定结果的观察者，对于这个观察者被测系统的状态似乎已经被转换成对应的坍缩态。于是，对于每个由叠加态中的一个成员态所描述的观察者来说，波函数坍缩似乎已经在一个主观水平上发生，而他只感知到一个确定的结果。这的确是一个极其大胆而新颖的想法！ 　　  图6-1 艾弗雷特的导师惠勒     　　艾弗雷特将他的想法写成了一篇博士论文，他的导师惠勒对这一工作表示赞许，论文的预印本也从1956年初开始在一些物理学家中间传阅。1957年1月，在北卡罗莱纳大学举行的主题为“引力在物理学中的角色”的会议上，艾弗雷特宣读了他的论文，论文的简略版随后发表在《物理学评论》上。 　　 　　重见天日 　　艾弗雷特的新解释公布之后，物理学界的反应是异常的冷淡。正统一派对此漠然置之，据说艾弗雷特曾经到哥本哈根去约见玻尔，但是遭到了完全的拒绝。此后，艾弗雷特解释在物理学界沉寂了十余年。直到1968年，量子引力理论的主要奠基者之一狄维特（Bryce S DeWitt）4才让这一解释重见天日。 　　  图6-2 狄维特    　　 狄维特和他的学生格拉汉姆（N.Graham）在一系列文章中发展了艾弗雷特的理论，并给出了更为清晰的表述。他们认为，在测量过程中，由初始波函数描述的世界分裂为许多个相互不可观察但同样真实的世界分支，它们中的每一个都对应于整个系统叠加态中的一个确定的成员态。于是，在每个单独的世界分支中，一次测量只产生一个确定的结果，虽然各个世界分支中的结果并不相同。狄维特进一步强调，“在当前接受的形式体系框架内，它是唯一允许量子理论在宇宙学的基础中起作用的观念。”这样，艾弗雷特的相对态表述便以多世界解释的新名称开始广为人知。 　　 　　1973年，艾弗雷特应惠勒和狄维特的邀请，在德克萨斯州的奥斯汀大学作了一系列关于量子力学的演讲。艾弗雷特的演讲非常成功，他表述准确，充满热情，并极有预见力。在演讲总结中他宣称，“我们将被引向一个新的情况，其中上述理论（即多世界理论）是客观上连续的、因果的，而主观上是非连续的、几率的。” 　　 　　[后记] 　　 　　也许是由于对如此冷漠的学术界的失望，艾弗雷特在博士毕业后即离开了物理学领域。他先是作为美国五角大楼武器系统评估小组的一名防御分析家，后来成为了一名私营承包商，并由于事业的巨大成功而成为了千万富翁。1970年代后期，随着人们对多世界解释的兴趣不断增长，艾弗雷特准备重新回到物理学界，对量子理论中的测量问题进行更深入的研究。然而，不幸的是，他于1982年死于心脏病。 　　 　　去相干与超脑 　　多世界解释的确是一个革命性的看法，它否定了一个单独的经典世界的存在，而认为实在是一种包含有很多世界的实在，它的演化是严格决定论的。然而，多世界解释仍然存在许多恼人的问题5，其中之一就是优选基问题，为什么我们只能感知到确定的经典世界，而没有感知到宏观物体的叠加态呢？ 　　 　　1970年，海德伯格大学的泽（H.D.Zeh）发表了一篇重要文章，首次清晰地阐述了去相干（decoherence）理论。去相干是指系统波函数的各个分支之间的相干性被破坏。根据去相干理论，当系统与测量仪器和外界环境相互作用后，就会发生去相干过程，从而导致我们在实际中只能感知到彼此已无相干性的经典分支，而无法感知到具有相干性的量子叠加态。这样，去相干理论将可以FAPP地解决上述优选基问题6，从而成为了多世界解释中一个必不可少的组成部分。1980年代之后，去相干理论又被朱瑞克，泽以及其他人更深入地研究，并发展出了环境去相干等新观点，而大量新的量子实验也证实了去相干理论，如单原子的薛定谔猫实验等。 　　  图6-3 德义奇    　　1985年，英国物理学家、量子计算理论的奠基人之一德义奇（D.Deutsch）又一个举起了多世界的大旗，并对多世界解释做出了进一步的澄清。德义奇首次指出了多世界解释与正统解释具有不同的实验预测，并提出一个大胆的超脑实验以检验孰是孰非。在这一实验中，人们首先制备一种具有量子记忆能力的超脑，然后观察超脑的不同记忆状态之间的干涉效应。如果多世界理论是正确的，那么将会观察到干涉现象，同时超脑也会在效果上感觉到自己的分裂和合并；而如果正统解释是正确的，将不会观察到干涉现象。 　　 　　此外，德义奇用数目不变的世界出现差别来代替世界不断分裂的说法。根据他的新表述，存在一些平行的完全的世界，它们在某种确定的意义上在相同的时间和空间中存在着，尤其是，它们与我们共享同样的时间和空间。不同的平行世界是通过它们作为一个公共的物理实体的一部分而关联在一起的，物理实在就是纠缠在一起的所有世界的集合。在理论上，多平行世界是与波函数的各个“坍缩”分支相联系的，当世界面临一种量子选择时，它就分裂成两个不同的世界7。 　　 　　然而，大多数物理学家仍表示怀疑，是否有必要采取如此“歪曲”我们感觉的极端措施来解决量子理论的逻辑困难呢？把目前的薛定谔方程绝对化是完全合理的吗？为什么不对它进行可能的扩展呢？ 　　 　　插曲：解救薛定谔猫8 　　有一个称为薛定谔猫的著名理想实验。一只猫被置于一个密封的盒子中，有一杆枪瞄准着猫，如果一颗放射性核子衰变就开枪。发生此事的概率为百分之五十。 　　 　　如果人们开启盒子，就会发现该猫非死即生。但是在此之前，猫的量子态应是死猫状态与活猫状态的混合。有些科学哲学家觉得这很难接受，他们断言，正如没人处于半怀孕状态一样，猫不能一半被杀死另一半没被杀死。使他们为难的原因在于，他们隐含地利用了实在的一个经典概念，即一个对象只能有一个单独的确定的历史。量子力学的全部要点在于，它对实在有不同的观点，根据这种观点，一个对象不仅有单独的历史，而且有所有可能的历史。在大多数情形下，具有特定历史的概率会和具有稍微不同历史的概率相抵消，但是在一定情形下，邻近历史的概率会相互加强。我们正是从这些相互加强的历史中的一个观察到该对象的历史的。 　　在薛定谔猫的情形，存在两种被加强的历史，猫在一种历史中被杀死，在另一种历史中仍然存活，两种可能性可以在量子理论中共存。因为有些哲学家隐含地假定猫只能有一个历史，所以他们就陷入了一个死结而无法自拔。 　　 　　多世界的信徒们 　　1988年，政治学者鲍伯（L. D. Raub）对72位宇宙学家和量子物理学家进行了一次关于多世界解释的调查，结果如下： 对多世界解释的看法 比例数  是的，我认为多世界解释是正确的 58%  不，我不同意多世界解释 18%  可能它是正确的，但现在我并不确信 13%  我不知道 11%   表1 1988年关于多世界解释的看法调查  图6-4 多世界迷霍金    　　多世界解释在弦理论家、量子引力和量子宇宙学家中最受欢迎，相信它的著名物理学家有霍金、费曼、盖尔曼和温伯格等，其中后三位都是诺贝尔物理学奖获得者。坚决反对多世界解释的物理学家以彭罗斯为首，他们在科学界的其他领域中为数众多。霍金是众所周知的多世界迷，费曼一直强调坍缩过程只能通过薛定谔方程来说明。温伯格则断言，“最终的途径是将薛定谔方程认真地当作是对测量过程的描述……我更喜欢这种最终步骤。”9 在《夸克与美洲豹》一书中，他将自己描述成了多世界解释的信徒。 　　 　　1997年8月，在美国马里兰大学（UMBC）举行的量子力学讨论会上，物理学家们对他们所认可的量子力学解释进行了投票表决，下表是投票结果： 量子力学的解释 投票数  哥本哈根解释 13  多世界解释 8  隐变量解释 4  一致历史 4  修正的量子动力学（GRW等） 1  其他解释（包括未决定者） 18   表2 1997年量子力学解释排名 　　1999年7月，在剑桥的牛顿研究所举行了一次关于量子计算的会议，其间人们对量子力学解释再一次进行了投票表决，结果如下： 量子力学的解释 投票数  多世界解释 30  哥本哈根解释 4  修正的量子动力学（GRW等） 4  隐变量解释 2  其他解释（包括未决定者） 50   表3 1999年量子力学解释排名 　　2001年2月，惠勒和泰格马克（Max Tegmark）在《科学美国人》上发表了一篇纪念量子发现一百周年的文章。在这篇文章中，他们认为，去相干理论和最新的实验表明，多世界解释已经取代了正统的哥本哈根解释，而成为了大多数物理学家都认可的量子力学的新的正统解释。然而惠勒也承认，一个基本的问题仍然存在，即量子力学能否通过一个更深层的原理来解释？或者说，为什么存在量子？ 　　 　　[评论] 　　 　　很多物理学家认为多世界解释是目前最好的解释，这并不是因为它就是正确的解释，而是因为他们确信正统的哥本哈根解释已成昔日黄花，但是手头又没有更好的解释来替代它。由于人们至今尚未发现波函数坍缩过程的真实物理起源，也未能建立一种自恰的理论来描述这一过程，于是，大多数人便采取了最偷懒的方法---否认坍缩过程的存在，这便导致了多世界解释在正统观点衰落之后大受欢迎。然而，多世界解释本身所固有的缺陷已注定了它的失败，它只是绝望的人们所能抓到的最近的一根救命稻草。 　　 　　插曲：勇敢者的游戏 　　为了证实多世界理论的正确性，一位勇敢的多世界信徒亲自进行了一个被称为量子自杀的实验10。然而，可惜的是，他却永远无法将他的发现告诉我们。 　　 　　实验的主要仪器是一台量子枪，它的扳机由处于量子叠加态，如自旋叠加态 |上>+|下> 的粒子的测量结果控制。如果测量结果是“上”，则枪射出一个子弹，如果测量结果是“下”，则子弹不被射出，而只是发出一声“咔嚓”声。现在，勇敢的实验者将量子枪对准自己。 　　 　　根据多世界解释，在一次实验之后，世界将分裂成两个，其中一个分支中实验者仍然活着，而另一个分支中实验者已经死亡。然后，在实验者仍然活着的世界分支中，这个实验者继续进行实验，之后，这个世界分支又将分裂成两个，其中一个分支中实验者仍然活着，而另一个分支中实验者已经死亡。实验可以依此不断进行下去，很明显，总存在一个世界分支，在其中实验者仍然活着，并且他可以听到扣动扳机的接连不断的“咔嚓”声。于是，这个实验者将确信多世界解释是正确的，而其他解释都是错误的。 　　  图6-5 如果存在多世界     　　当然，在最后的量子叠加态中，实验者于其中存活的那个世界分支只占很小的一部分，例如，如果进行了N次实验，这个分支所占的比例就只为1/2N。于是，具有讽刺意味的是，在我们所在的更可能的世界分支中11，勇敢的实验者已经死去，他因此也就无法将他的发现告诉我们，更无法说服我们多世界解释是对的。 　　 　　一个美丽的谎言 　　如果说正统观点只是伟人的呓语，那么多世界解释则是一个美丽的谎言。正如贝尔所言，“人们相信多世界，是因为他们并未看清它，而一旦看清楚了，它也就不存在了。” 　　 　　在多世界解释中，波函数被直接看做是一种勿需任何解释的物理实体12。因此，不论多世界解释是否优越，也不论它是否已为大多数物理学家所认可，多世界解释都没有为波函数这一数学实体及其演化规律---薛定谔方程提供进一步的物理解释，同时，它也没有为隐藏在波函数背后的神秘的量子实在提供一幅清晰的物理图象。 　　 　　此外，正如正统解释不能告诉我们波函数为什么，以及何时发生坍缩一样，多世界解释也不能告诉我们宇宙为什么，以及何时发生分裂。多世界解释认为，当发生一次测量时，宇宙就分裂一次，或者说，不同的宇宙分支才出现差别13，但是对于什么是一次测量它却说不清楚，而如果不能精确定义和描述测量，这一解释仍然是没有意义的。20世纪80年代以来，人们进行了各种努力来完善多世界解释，如提出去相干历史方法、一致历史方法等，但是这些努力的最终结果仍然是不能令人满意的，它们所完成的仍然是贝尔意义上的FAPP（为了一切实用的目的）。这些理论只能减弱多世界解释的暂时伤痛，并不能从根本上治愈它的测量顽疾。说到底，人们最终仍然逃不过去描述测量过程，即描述从量子到经典的转变过程，而多世界只不过是用宇宙分裂来代替波函数坍缩，它仍未解决（测量）问题。 　　 　　测量究竟是在什么时候发生的呢？又是如何发生的呢？所有解释都无法逃避这个问题。它是在粒子通过双缝时就发生了呢？还是在粒子于屏幕上打出一个亮点时发生的呢？抑或是直到观察者意识到亮点的存在时才发生呢？你必须回答！而一旦发现答案，你也就解决了至今仍困扰人类的量子谜题。要知道，它已难倒了20世纪的所有伟大人物。 　　 　　今天，很多物理学家仍然被困在令人迷幻的多世界丛林中，他们自以为找到了真正的量子，并确信只有在那里才能更深入地探查我们的宇宙。然而，清醒的人们已经绕过了这片丛林，他们终于踏上了通往量子实在的统一之路。 注： 　　1、科学史家雅墨（M.Jammer）在他那本著名的书《量子力学的哲学》中引述了这句评论。 　　2、Catholic University of America。 　　3、摘自艾弗雷特1972年9月19日致雅墨的信。 　　4、狄维特曾是1957年“引力在物理学中的角色”会议的组织者之一，后来任教于德克萨斯州的奥斯汀大学，现已退休。 　　5、关于这些问题的详细论述请参见文献[18]。 　　6、FAPP是英文For All Practical Purpose的缩写，意识为‘为了一切实用的目的’。这个词是贝尔为了批驳多世界解释而发明的。 　　7、请参见《原子中的幽灵》中德义奇的论述。 　　8、这一节是从《霍金讲演录》中摘录的多世界迷霍金关于薛定谔猫佯缪的解释，以此作为用多世界理论来解释量子佯缪的一个典型范例。 　　9、请参见《科学美国人》1994年10月号。 　　10、这一量子自杀实验由泰格马克于1998年提出并讨论，它可以说是薛定谔猫实验的真人版。 　　11、然而，按照目前的认识，人类却生活在一个非常不可能的世界分支中，其他世界分支中要么没有人，要么人类以其他方式存在和生活。但是，为什么在人类出现以后我们现在所处的分支（其中出现了核武器和互联网）的比例最大呢？这尚未得到解释。 　　12、多世界解释的提出者艾弗雷特在他的原始文章中写道，“the wave function is taken as the basic physical entity with no a priori interpretation。” 　　13、这种差别具有可测量的物理效应。相对于观察者而言，“没有差别”意味着粒子仍处于叠加的量子态，而“产生差别”则意味着粒子已处于确定的经典态，这种差别的产生正对应于坍缩过程的完成。因此，整个宇宙的分裂实际上是一种强烈的非定域性作用，从而在多世界解释中仍然存在量子非定域性，只不过是以一种更模糊的形式存在而已。