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第十一章 上帝的判决二
castor_v_pollux
玻尔还是爱因斯坦？那就是个问题。 物理学家们终于行动起来，准备以实践为检验真理的唯一标准，确确实实地探求一下 ，究竟世界符合两位科学巨人中哪一位的描述。玻尔和爱因斯坦的争论本来也只像是哲学 上的一种空谈，泡利有一次对波恩说，和爱因斯坦争论量子论的本质就像以前人们争论一 个针尖上能坐多少个天使一般虚无飘渺，但现在已经不同，我们的手里现在有了贝尔不等 式。
两个粒子究竟是乖乖地臣服于经典上帝的这条神圣禁令，还是它们将以一种量子革命式的 躁动蔑视任何桎梏，突破这条看起来庄严而不可侵犯的规则？如今我们终于可以把它付诸 实践，一切都等待着命运之神最终的判决。 1969年，Clauser等人改进了玻姆的EPR模型，使其更容易实施。随即人们在伯克利， 哈佛和德州进行了一系列初步的实验，也许出乎贝尔的意料之外，除了一个实验外，所有 的实验都模糊地指向量子论的预言结果。但是，最初的实验都是不严密的，和EPR的原型 相去甚远，人们使原子辐射出的光子对通过偏振器，但技术的限制使得在所有的情况下， 我们只能获得单一的＋的结果，而不是＋和…，所以要获得EPR的原始推论仍然要靠间接推 理。而且当时使用的光源往往只能产生弱信号。 随着技术的进步，特别是激光技术的进步，更为精确严密的实验有了可能。进入80年 代，法国奥赛理论与应用光学研究所（Institut d’Optique Théorique et Appliquée； Orsay Cédex）里的一群科学家准备第一次在精确的意义上对EPR作出检验，领导这个小组 的是阿莱恩？阿斯派克特（Alain Aspect）。 法国人用钙原子作为光子对的来源，他们把钙原子激发到一个很高的量子态，当它落 回到未激发态时，就释放出能量，也就是一对对光子。实际使用的是一束钙原子，但是可 以用激光来聚焦，使它们精确地激发，这样就产生了一个强信号源。阿斯派克特等人使两 个光子飞出相隔约12米远，这样即使信号以光速在它们之间传播，也要花上40纳秒（ns）的 时间。光子经过一道闸门进入一对偏振器，但这个闸门也可以改变方向，引导它们去向两 个不同偏振方向的偏振器。如果两个偏振器的方向是相同的，那么要么两个光子都通过， 要么都不通过，如果方向不同，那么理论上说（按照爱因斯坦的世界观），其相关性必须符 合贝尔不等式。为了确保两个光子之间完全没有信息的交流，科学家们急速地转换闸门的 位置，平均10ns就改变一次方向，这比双方之间光速来往的时间都要短许多，光子不可能 知道对方是否通过了那里的偏振器。 作为对比，我们也考察两边都不放偏振器，以及只 有一边放置偏振器的情况，以消除实验中的系统误差。 那么，现在要做的事情，就是记录两个光子实际的协作程度。如果它符合贝尔不等式
，则爱因斯坦的信念就得到了救赎，世界回复到独立可靠，客观实在的地位上来。反之， 则我们仍然必须认真地对待玻尔那看上去似乎神秘莫测的量子观念。 时间是1982年，暮夏和初秋之交。七月流火，九月授衣，在时尚之都巴黎，人们似乎 已经在忙着揣摩今年的秋冬季将会流行什么样式的时装。在酒吧里，体育迷们还在为国家 队魂断西班牙世界杯而扼腕不已。那一年，在普拉蒂尼率领下的，被认为是历史上最强的 那届国家队在一场经典赛事中惊心动魄地击败了巴西，却终于在点球上败给了西德人。高 贵的绅士们在沙龙里畅谈天下大势，议论着老冤家英国人是如何在马岛把阿根廷摆布得服 服帖帖。在卢浮宫和奥赛博物馆，一如既往地挤满了来自世界各地的艺术爱好者，塞纳河 缓缓流过市中心，倒映着艾菲尔铁塔和巴黎圣母院的影子，也倒映出路边风琴手们的清澈 眼神。 只是，有多少人知道，在不远处的奥赛光学研究所，一对对奇妙的光子正从钙原子中 被激发出来，冲向那些命运交关的偏振器；我们的世界，正在接受一场终极的考验，向我 们揭开她那隐藏在神秘面纱后面的真实面目呢？ 如果爱因斯坦和玻尔神灵不昧，或许他们也在天国中注视着这次实验的结果吧？要是 真的有上帝的话，他老人家又在干什么呢？也许，连他也不得不把这一切交给命运来安排 ，用一个黄金的天平和两个代表命运的砝码来决定这个世界本性的归属，就如同当年阿喀 琉斯和赫克托耳在特洛伊城下那场传奇的决斗。 一对，两对，三对……数据逐渐积累起来了。1万2千秒，也就是3个多小时后，结果 出来了。科学家们都长出了一口气。 爱因斯坦输了！实验结果和量子论的预言完全符合，而相对爱因斯坦的预测却偏离了 5个标准方差——这已经足够决定一切。贝尔不等式这把双刃剑的确威力强大，但它斩断 的却不是量子论的辉光，而是反过来击碎了爱因斯坦所执着信守的那个梦想！ 阿斯派克特等人的报告于当年12月发表在《物理评论快报》（Physics Review Letters）上，科学界最初的反应出奇地沉默。大家都知道这个结果的重要意义，然而似乎 都不知道该说什么才好。 爱因斯坦输了？这意味着什么？难道这个世界真的比我们所能想象的更为神秘和奇妙 ，以致于我们那可怜的常识终于要在它的面前破碎得七零八落？这个世界不依赖于你也不 依赖于我，它就是“在那里存在着”，这不是明摆着的事情吗？为什么站在这样一个基本 假设上所推导出来的结论和实验结果之间有着无法弥补的鸿沟？是上帝疯了，还是你我疯 了？ 全世界的人们都试图重复阿斯派克特的实验，而且新的手段也开始不断地被引入，实 验模型越来越靠近爱因斯坦当年那个最原始的EPR设想。马里兰和罗切斯特的科学家们使 用了紫外光，以研究观测所得到的连续的，而非离散的输出相关性。在英国的Malvern， 人们用光纤引导两个纠缠的光子，使它们分离4公里以上，而在日内瓦，这一距离达到了 数十公里。即使在这样的距离上，贝尔不等式仍然遭到无情的突破。 另外，按照贝尔原来的设想，我们应该不让光子对“事先知道”观测方向是哪些，也 就是说，为了确保它们能够对对它们而言不可预测的事件进行某种似乎不可思议的超距的 合作（按照量子力学的预测），我们应该在它们飞行的路上才作出随机的观测方向的安排。 在阿斯派克特实验里，我们看到他们以10ns的速度来转换闸门，然而他们所能够使两光子 分离的距离12米还是显得太短，不太保险。1998年，奥地利因斯布鲁克（Innsbruck）大学 的科学家们让光子飞出相距400米，这样他们就有了1。3微秒的时间来完成偏振器的随机安 排。这次时间上绰绰有余，其结果是如此地不容置疑：爱因斯坦这次输得更惨——30个标 准方差！ 1990年，Greenberger，Horne和Zeilinger等人向人们展示了，就算不用到贝尔不等 式，我们也有更好的方法来昭显量子力学和一个“经典理论”（定域的隐变量理论）之间的 尖锐冲突，这就是著名的GHZ测试（以三人名字的首字母命名），它牵涉到三个或更多光子 的纠缠。2000年，潘建伟、Bouwmeester、Daniell等人在Nature杂志上报道，他们的实验 结果再次否决了定域实在，也就是爱因斯坦信念的可能性——8个标准方差！ 2001年，Rowe等人描述了更加精密的Be＋离子捕获实验。2003年，Pittman和Franson 报道了产生于两个独立源的光子对于贝尔不等式的违反；而Hasegawa等人更是在单中子的 干涉测量中发现了突破类贝尔关系的结果。 在世界各地的实验室里，粒子们都顽强地保持着一种微妙而神奇的联系。仿佛存心要 炫耀它们的能力般地，它们一再地嘲笑经典世界给它们定下的所谓不可突破的束缚，一次 又一次把那个被宣称是不可侵犯的教条踩在脚下。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。
第十一章 上帝的判决三
castor_v_pollux
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�