第十一章 上帝的判決
一
|Pxz-Pzy|≤1+Pxy
嗯,這個不等式看上去普普通通,似乎不見得有什麼神奇的魔力,更不用說對於我們宇宙的本質作出終極的裁決。它真的有這樣的威力嗎?
我們還是先來看看,貝爾不等式究竟意味着什麼。我們在上一章已經描述過了,Pxy代表了A粒子在x方向上為+,而同時B粒子在y方向上亦為+這兩個事件的相關性。相關性是一種合作程度的體現(不管是雙方出奇地一致還是出奇地不一致都意味着合作程度很高),而合作則需要雙方都了解對方的情況,這樣才能夠有效地協調。在隱變量理論中,我們對於兩個粒子的描述是符合常識的:無論觀察與否,兩個粒子始終存在於客觀現實之內,它們的狀態從分裂的一霎那起就都是確定無疑的。假如我們禁止宇宙中有超越光速的信號傳播,那麼理論上當我們同時觀察兩個粒子的時候,它們之間無法交換任何信息,它們所能達到的最大協作程度僅僅限於經典世界所給出的極限。這個極限,也就是我們用經典方法推導出來的貝爾不等式。
如果世界的本質是經典的,具體地說,如果我們的世界同時滿足:1.定域的,也就是沒有超光速信號的傳播。2.實在的,也就是說,存在着一個獨立於我們觀察的外部世界。那麼我們任意取3個方向觀測A和B的自旋,它們所表現出來的協作程度必定要受限貝爾不等式之內。也就是說,假如上帝是愛因斯坦所想象的那個不擲骰子的慈祥的“老頭子”,那麼貝爾不等式就是他給這個宇宙所定下的神聖的束縛。不管我們的觀測方向是怎麼取的,在EPR實驗中的兩個粒子決不可能冒犯他老人家的尊嚴,而膽敢突破這一禁區。事實上,這不是敢不敢的問題,而是兩個經典粒子在邏輯上根本不具有這樣的能力:它們之間既然無法交換信號,就決不能表現得親密無間。
但是,量子論的預言就不同了!貝爾證明,在量子論中,只要我們把a和b之間的夾角θ取得足夠小,則貝爾不等式是可以被突破的!具體的證明需要用到略微複雜一點的物理和數學知識,我在這裡略過不談了,但請諸位相信我,在一個量子主宰的世界裡,A和B兩粒子在相隔非常遙遠的情況下,在不同方向上仍然可以表現出很高的協作程度,以致於貝爾不等式不成立。這在經典圖景中是決不可能發生的。
我們這樣來想象EPR實驗:有兩個罪犯搶劫了銀行之後從犯罪現場飛也似地逃命,但他們慌不擇路,兩個人沿着相反的兩個方向逃跑,結果於同一時刻在馬路的兩頭被守候的警察分別抓獲。現在我們來錄取他們的口供,假設警察甲問罪犯A:“你是帶頭的那個嗎?”A的回答無非是“是”,或者“不是”。在馬路另一頭,如果警察乙問罪犯B同一個問題:“你是帶頭的那個嗎?”那麼B的回答必定與A相反,因為大哥只能有1個,不是A帶着B就是B帶着A。兩個警察問的問題在“同一方向”上,知道了A的答案,就等於知道了B的答案,他們的答案,100%地不同,協作率100%。在這點上,無論是經典世界還是量子世界都是一樣的。
但是,回到經典世界裡,假如兩個警察問的是不同角度的問題,比如說問A:“你需要自己聘請律師嗎?”問B:“你現在要喝水嗎?”這是兩個彼此無關的問題(在不同的方向上),A可能回答“要”或者“不要”,但這應該對B怎樣回答問題毫無關係,因為B和A理論上已經失去了聯繫,B不可能按照A的行動來斟酌自己的答案。
不過,這只是經典世界裡的罪犯,要是我們有兩個“量子罪犯”,那可就不同了。當A決定聘請律師的時候,B就會有更大的可能性想要喝水,反之亦然!看起來,似乎是A和B之間有一種神奇的心靈感應,使得他們即使面臨不同的質詢時,仍然回答得出奇地一致!量子世界的Bonnie&Clyde,即使他們相隔萬里,仍然合作無間,按照哥本哈根解釋,這是因為在具體地回答問題前,兩個人根本不存在於“實在”之中,而是合為一體,按照波函數瀰漫。用薛定諤發明的術語來說,在觀測之前,兩個人(粒子)處在一種“糾纏”(entanglement)的狀態,他們是一個整體,具有一種“不可分離性”(inseparability)!
這樣說當然是簡單化的,具體的條件還是我們的貝爾不等式。總而言之,如果世界是經典的,那麼在EPR中貝爾不等式就必須得到滿足,反之則可以突破。我們手中的這個神秘的不等式成了判定宇宙最基本性質的試金石,它仿佛就是那把開啟奧秘之門的鑰匙,可以帶領我們領悟到自然的終極奧義。
而最叫人激動的是,和胡思亂想的一些實驗(比如說瘋狂的量子自殺)不同,EPR不管是在技術或是倫理上都不是不可實現的!我們可以確實地去做一些實驗,來看看我們生活其中的世界究竟是如愛因斯坦所祈禱的那樣,是定域實在的,還是它的神奇終究超越我們的想象,讓我們這些凡人不得不懷着更為敬畏的心情去繼續探索它那深深隱藏的秘密。
1964年,貝爾把他的不等式發表在一份名為《物理》(Physics)的雜誌的創刊號上,題為《論EPR佯謬》(On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox)。這篇論文是20世紀物理史上的名篇,它的論證和推導如此簡單明晰卻又深得精髓,教人拍案叫絕。1973年諾貝爾物理獎得主約瑟夫森(Brian D. Josephson)把貝爾不等式稱為“物理學中最重要的新進展”,斯塔普(Henry Stapp,就是我們前面提到的,鼓吹精神使波函數坍縮的那個)則把它稱作“科學中最深刻的發現”(the most profound discovery in science)。
不過,《物理》雜誌卻沒有因為發表了這篇光輝燦爛的論文而得到什麼好運氣,這份期刊只發行了一年就倒閉了。如今想要尋找貝爾的原始論文,最好還是翻閱他的著作《量子力學中的可道與不可道》(Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics, Cambridge 1987)。
在這之前,貝爾發現了馮諾伊曼的錯誤,並給《現代物理評論》(Reviews of Modern Physics)雜誌寫了文章。雖然因為種種原因,此文直到1966年才被發表出來,但無論如何已經改變了這樣一個尷尬的局面,即一邊有馮諾伊曼關於隱函數理論不可能的“證明”,另一邊卻的確存在着玻姆的量子勢!馮諾伊曼的封咒如今被摧毀了。
現在,貝爾顯得躊躇滿志:通往愛因斯坦夢想的一切障礙都已經給他掃清了,馮諾伊曼已經不再擋道,玻姆已經邁出了第一步。而他,已經打造出了足夠致量子論以死命的武器,也就是那個威力無邊的不等式。貝爾對世界的實在性深信不已,大自然不可能是依賴於我們的觀察而存在的,這還用說嗎?現在,似乎只要安排一個EPR式的實驗,用無可辯駁的證據告訴世人:無論在任何情況下,貝爾不等式也是成立的。粒子之間心靈感應式的合作是純粹的胡說八道,可笑的妄想,量子論已經把我們的思維搞得混亂不堪,是時候回到正常狀況來了。量子不確定性……嗯,是一個漂亮的作品,一種不錯的嘗試,值得在物理史上獲得它應有的地位,畢竟它管用。但是,它不可能是真實,而只是一種近似!更為可靠,更為接近真理的一定是一種傳統的隱變量理論,它就像相對論那樣讓人覺得安全,沒有骰子亂飛,沒有奇妙的多宇宙,沒有超光速的信號。是的,只有這樣才能恢復物理學的光榮,那個值得我們驕傲和炫耀的物理學,那個真正的,莊嚴的宇宙的立法者,而不是靠運氣和隨機性來主宰一切的投機販子。
真的,也許只差那麼小小的一步,我們就可以回到舊日的光輝中去了。那個從海森堡以來失落已久的極樂世界,那個宇宙萬物都嚴格而絲絲入扣地有序運轉的偉大圖景,叫懷舊的人們痴痴想念的古典時代。真的,大概就差一步了,也許,很快我們就可以在管風琴的伴奏中吟唱彌爾頓那神聖而不朽的句子:
昔有樂土,歲月其徂。
有子不忠,天赫斯怒。
彷徨放逐,維罪之故。
一人皈依,眾人得贖。
今我來思,詠彼之復。
此心堅忍,無入邪途。
孽愆盡洗,重歸正路。
瞻彼伊甸,崛起荒蕪。
(《復樂園》卷一,1-7)
只是貝爾似乎忘了一件事:威力強大的武器往往都是雙刃劍。
*********
飯後閒話:玻姆和麥卡錫時代
玻姆是美國科學家,但他的最大貢獻卻是在英國作出的,這還要歸功於40年代末50年代初在美國興起的麥卡錫主義(McCarthyism)。
麥卡錫主義是冷戰的產物,其實質就是瘋狂地反共與排外。在參議員麥卡錫(Joseph McCarthy)的煽風點火下,這股“紅色恐懼”之風到達了最高潮。幾乎每個人都被懷疑是蘇聯間諜,或者是陰謀推翻政府的敵對分子。玻姆在二戰期間曾一度參予曼哈頓計劃,但他沒幹什麼實質的工作,很快就退出了。戰後他到普林斯頓教書,和愛因斯坦一起工作,這時他遭到臭名昭著的“非美活動調查委員會”(Un-American Activities Committee)的傳喚,要求他對一些當年同在伯克利的同事的政治立場進行作證,玻姆憤然拒絕,並引用憲法第五修正案為自己辯護。
本來這件事也就過去了,但麥卡錫時代剛剛開始,恐慌迅即蔓延整個美國。兩年後,玻姆因為拒絕回答委員會的提問而遭到審判,雖然他被宣判無罪,但是普林斯頓卻不肯為他續簽合同,哪怕愛因斯坦請求他作為助手留下也無濟於事。玻姆終於離開美國,他先後去了巴西和以色列,最後在倫敦大學的Birkbeck學院安頓下來。在那裡他發展出了他的隱函數理論。
麥卡錫時代是一個瘋狂和恥辱的時代,2000多萬人接受了所謂的“忠誠審查”。上至喬治•馬歇爾將軍,中至查理•卓別林,下至無數平民百姓都受到巨大的衝擊。人們神經質地尋找所謂共產主義者,就像中世紀的歐洲瘋狂地抓女巫一樣。在學界,近百名教授因為“觀點”問題離開了崗位,有華裔背景的如錢學森等遭到審查,著名的量子化學大師鮑林被懷疑是美共特務。越來越多的人被傳喚去為同事的政治立場作證,這裡面芸芸眾生象,有如同玻姆一般斷然拒絕的,也有些人的舉動出乎意料。最著名的可能就算是奧本海默一案了,奧本海默是曼哈頓計劃的領導人,連他都被懷疑對國家“不忠誠”似乎匪夷所思。所有的物理學家都站在他這一邊,然而愛德華•泰勒(Edward Teller)讓整個物理界幾乎不敢相信自己的耳朵。這位匈牙利出生的物理學家(他還是楊振寧的導師)說,雖然他不怎麼覺得奧本海默會做出不利於國家的事情來,但是“如果讓公共事務掌握在別人的手上,我個人會感覺更安全些的。”奧本海默的忠誠雖然最後沒有被責難,但他的安全許可證被沒收了,絕密材料不再送到他手上。雖然有人(如惠勒)對泰勒表示同情,但整個科學界幾乎不曾原諒過他。
泰勒還是氫彈的大力鼓吹者和實際設計者之一(他被稱為“氫彈之父”),他試圖阻止《禁止地上核試驗條約》的簽署,他還向里根兜售了“星球大戰”計劃(SDI Defence)。他去年(2003年)9月去世了,享年95歲。卡爾•薩根在《魔鬼出沒的世界》一書裡,曾把他拉出來作為科學家應當為自己的觀點負責的典型例子。
泰勒自己當然有自己的理由,他認為氫彈的製造實際上使得人類社會“更安全”。作為我們來說,也許只能衷心地希望科學本身不要受到政治的過多干涉,雖然這也許只是一個烏托邦式的夢想,但我們仍然如此祝願。
二
玻爾還是愛因斯坦?那就是個問題。
物理學家們終於行動起來,準備以實踐為檢驗真理的唯一標準,確確實實地探求一下,究竟世界符合兩位科學巨人中哪一位的描述。玻爾和愛因斯坦的爭論本來也只像是哲學上的一種空談,泡利有一次對波恩說,和愛因斯坦爭論量子論的本質就像以前人們爭論一個針尖上能坐多少個天使一般虛無飄渺,但現在已經不同,我們的手裡現在有了貝爾不等式。兩個粒子究竟是乖乖地臣服於經典上帝的這條神聖禁令,還是它們將以一種量子革命式的躁動蔑視任何桎梏,突破這條看起來莊嚴而不可侵犯的規則?如今我們終於可以把它付諸實踐,一切都等待着命運之神最終的判決。
1969年,Clauser等人改進了玻姆的EPR模型,使其更容易實施。隨即人們在伯克利,哈佛和德州進行了一系列初步的實驗,也許出乎貝爾的意料之外,除了一個實驗外,所有的實驗都模糊地指向量子論的預言結果。但是,最初的實驗都是不嚴密的,和EPR的原型相去甚遠,人們使原子輻射出的光子對通過偏振器,但技術的限制使得在所有的情況下,我們只能獲得單一的+的結果,而不是+和-,所以要獲得EPR的原始推論仍然要靠間接推理。而且當時使用的光源往往只能產生弱信號。
隨着技術的進步,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(Institut d’Optique Théorique et Appliquée, Orsay Cédex)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(Alain Aspect)。
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,人們似乎已經在忙着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,議論着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,倒映着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着這次實驗的結果吧?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着信守的那個夢想!
阿斯派克特等人的報告於當年12月發表在《物理評論快報》(Physics Review Letters)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?這意味着什麼?難道這個世界真的比我們所能想象的更為神秘和奇妙,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“在那裡存在着”,這不是明擺着的事情嗎?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着無法彌補的鴻溝?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。在阿斯派克特實驗裡,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!
1990年,Greenberger,Horne和Zeilinger等人向人們展示了,就算不用到貝爾不等式,我們也有更好的方法來昭顯量子力學和一個“經典理論”(定域的隱變量理論)之間的尖銳衝突,這就是著名的GHZ測試(以三人名字的首字母命名),它牽涉到三個或更多光子的糾纏。2000年,潘建偉、Bouwmeester、Daniell等人在Nature雜誌上報道,他們的實驗結果再次否決了定域實在,也就是愛因斯坦信念的可能性——8個標準方差!
2001年,Rowe等人描述了更加精密的Be 離子捕獲實驗。2003年,Pittman和Franson報道了產生於兩個獨立源的光子對於貝爾不等式的違反;而Hasegawa等人更是在單中子的干涉測量中發現了突破類貝爾關係的結果。
在世界各地的實驗室里,粒子們都頑強地保持着一種微妙而神奇的聯繫。仿佛存心要炫耀它們的能力般地,它們一再地嘲笑經典世界給它們定下的所謂不可突破的束縛,一次又一次把那個被宣稱是不可侵犯的教條踩在腳下。這一現象變得如此地不容置疑,在量子信息領域已經變成了測試兩個量子比特是否仍然處在糾纏狀態的一種常規方法(有一個好處是可以知道你的信息有否被人中途竊聽!)。
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。
三
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,沒有多少人會想象,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,能閉口不談的就儘量不去討論。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,阿斯派克特終於逼着人們要攤牌了: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:
定域的隱變量理論是不存在的!
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,可以為隱變量所確定地描述)。定域實在性(local realism)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”(當然是疊加着的),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,MWI究竟算不算一個定域的(local)理論,各人之間的說法還是不盡相同的。除去Stapp這樣的反對者不談,甚至在它的支持者(比如Deutsch,Tegmark或者Zeh)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(Zeh,Found. of Physics Letters 13,2000,p22),但大家都同意,MWI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着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量理論,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着,因為他的“量子勢”的確暗含着這樣的超距作用。
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,那意味着什麼?想一想愛因斯坦對此會怎麼說吧,超光速意味着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,想象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,儘管存在着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着超光速的信號,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匯集起來,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,他想象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,但接着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!我們在史話的後面再來詳細地介紹系綜解釋。
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。
我們沿着這條路走來,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,也使我們喪失了沿着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。