量子物理史话-第31部分
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来的“H”,在他没告诉你怎么看之前,这个问题是没有定论的。现在,你被告知:“这个图案的看法应该是横过来看。”这下我们明确了:这是一个大写字母H。只有观测手段明确之后,答案才有意义。
测量!在经典理论中,这不是一个被考虑的问题。测量一块石头的重量,我用天平,用弹簧秤,用磅秤,或者用电子秤来做,理论上是没有什么区别的。在经典理论看来,石头是处在一个绝对的,客观的外部世界中,而我——观测者——对这个世界是没有影响的,至少,这种影响是微小得可以忽略不计的。你测得的数据是多少,石头的“客观重量”就是多少。但量子世界就不同了,我们已经看到,我们测量的对象都是如此微小,以致我们的介入对其产生了致命的干预。我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性,从原则上都无法克服。采取不同的手段,往往会得到不同的答案,它们随着不确定性原理摇摇摆摆,你根本不能说有一个客观确定的答案在那里。在量子论中没有外部世界和我之分,我们和客观世界天人合一,融和成为一体,我们和观测物互相影响,使得测量行为成为一种难以把握的手段。在量子世界,一个电子并没有什么“客观动量”,我们能谈论的,只有它的“测量动量”,而这又和我们的测量手段密切相关。
各位,我们已经身陷量子论那奇怪的沼泽中了,我只希望大家不要过于头昏脑涨,因为接下来还有无数更稀奇古怪的东西,错过了未免可惜。我很抱歉,这几节我们似乎沉浸于一种玄奥的哲学讨论,而且似乎还要继续讨论下去。这是因为量子革命牵涉到我们世界观的根本变革,以及我们对于宇宙的认识方法。量子论的背后有一些非常形而上的东西,它使得我们的理性战战兢兢,汗流浃背。但是,为了理解量子论的伟大力量,我们又无法绕开这些而自欺欺人地盲目前进。如果你从史话的一开始跟着我一起走到了现在,我至少对你的勇气和毅力表示赞赏,但我也无法给你更多的帮助。假如你感到困惑彷徨,那么玻尔的名言“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”或许可以给你一些安慰。而且,正如我们以后即将描述的那样,你也许应该感到非常自豪,因为爱因斯坦和你是一个处境。
但现在,我们必须走得更远。上面一段文字只是给大家一个小小的喘息机会,我们这就继续出发了。
如果不定义一个测量动量的方式,那么我们谈论电子动量就是没有意义的?这听上去似乎是一种唯心主义的说法。难道我们无法测量电子,它就没有动量了吗?让我们非常惊讶和尴尬的是,玻尔和海森堡两个人对此大点其头。一点也不错,假如一个物理概念是无法测量的,它就是没有意义的。我们要时时刻刻注意,在量子论中观测者是和外部宇宙结合在一起的,它们之间现在已经没有明确的分界线,是一个整体。在经典理论中,我们脱离一个绝对客观的外部世界而存在,我们也许不了解这个世界的某些因素,但这不影响其客观性。可如今我们自己也已经融入这个世界了,对于这个物我合一的世界来说,任何东西都应该是可以测量和感知的。只有可观测的量才是存在的!
卡尔•;萨根(Karl Sagan)曾经举过一个很有意思的例子,虽然不是直接关于量子论的,但颇能说明问题。
“我的车库里有一条喷火的龙!”他这样声称。
“太稀罕了!”他的朋友连忙跑到车库中,但没有看见龙。“龙在哪里?”
“哦,”萨根说,“我忘了说明,这是一条隐身的龙。”
朋友有些狐疑,不过他建议,可以撒一些粉末在地上,看看龙的爪印是不是会出现。但是萨根又声称,这龙是飘在空中的。
“那既然这条龙在喷火,我们用红外线检测仪做一个热扫描?”
“也不行。”萨根说,“隐形的火也没有温度。”
“要么对这条龙喷漆让它现形?”——“这条龙是非物质的,滑不溜手,油漆无处可粘。”
反正没有一种物理方法可以检测到这条龙的存在。萨根最后问:“这样一条看不见摸不着,没有实体的,飘在空中喷着没有热度的火的龙,一条任何仪器都无法探测的龙,和‘根本没有龙’之间又有什么差别呢?”
现在,玻尔和海森堡也以这种苛刻的怀疑主义态度去对待物理量。不确定性原理说,不可能同时测准电子的动量p和位置q,任何精密的仪器也不行。许多人或许会认为,好吧,就算这是理论上的限制,和我们实验的笨拙无关,我们仍然可以安慰自己,说一个电子实际上是同时具有准确的位置和动量的,只不过我们出于某种限制无法得知罢了。
但哥本哈根派开始严厉地打击这种观点:一个具有准确p和q的经典电子?这恐怕是自欺欺人吧。有任何仪器可以探测到这样的一个电子吗?——没有,理论上也不可能有。那么,同样道理,一个在臆想的世界中生存的,完全探测不到的电子,和根本没有这样一个电子之间又有什么区别呢?
事实上,同时具有p和q的电子是不存在的!p和q也像波和微粒一样,在不确定原理和互补原理的统治下以一种此长彼消的方式生存。对于一些测量手段来说,电子呈现出一个准确的p,对于另一些测量手段来说,电子呈现出准确的q。我们能够测量到的电子才是唯一的实在,这后面不存在一个“客观”的,或者“实际上”的电子!
换言之,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够明确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的绝对自然,只有我们和那些复杂的测量关系,熙熙攘攘纵横交错,构成了这个令人心醉的宇宙的全部。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。
*********饭后闲话:奥卡姆剃刀
同时具有p和q的电子是不存在的。有人或许感到不理解,探测不到的就不是实在吗?
我们来问自己,“这个世界究竟是什么”和“我们在最大程度上能够探测到这个世界是什么”两个命题,其实质到底有多大的不同?我们探测能力所达的那个世界,是不是就是全部实在的世界?比如说,我们不管怎样,每次只能探测到电子是个粒子或者是个波,那么,是不是有一个“实在”的世界,在那里电子以波…粒子的奇妙方式共存,我们每次探测,只不过探测到了这个终极实在于我们感观中的一部分投影?同样,在这个“实在世界”中还有同时具备p和q的电子,只不过我们与它缘悭一面,每次测量都只有半面之交,没法窥得它的真面目?
假设宇宙在创生初期膨胀得足够快,以致它的某些区域对我们来说是如此遥远,甚至从创生的一刹那以光速出发,至今也无法与它建立起任何沟通。宇宙年龄大概有150亿岁,任何信号传播最远的距离也不过150亿光年,那么,在距离我们150亿光年之外,有没有另一些“实在”的宇宙,虽然它们不可能和我们的宇宙之间有任何因果联系?
在那个实在世界里,是不是有我们看不见的喷火的龙,是不是有一匹具有“实在”颜色的马,而我们每次观察只不过是这种“实在颜色”的肤浅表现而已。我跟你争论说,地球“其实”是方的,只不过它在我们观察的时候,表现出圆形而已。但是在那个“实在”世界里,它是方的,而这个实在世界我们是观察不到的,但不表明它不存在。
如果我们运用“奥卡姆剃刀原理”(Occam's Razor),这些观测不到的“实在世界”全都是子虚乌有的,至少是无意义的。这个原理是14世纪的一个修道士威廉所创立的,奥卡姆是他出生的地方。这位奥卡姆的威廉还有一句名言,那是他对巴伐利亚的路易四世说的:“你用剑来保卫我,我用笔来保卫你。”
剃刀原理是说,当两种说法都能解释相同的事实时,应该相信假设少的那个。比如,地球“本来”是方的,但观测时显现出圆形。这和地球“本来就是圆的”说明的是同一件事。但前者引入了一个莫名其妙的不必要的假设,所以前者是胡说。同样,“电子本来有准确的p和q,但是观测时只有1个能显示”,这和“只存在具有p或者具有q的电子”说明的也是同一回事,但前者多了一个假设,我们应当相信后者。“存在但观测不到”,这和“不存在”根本就是一码事。
同样道理,没有粒子…波混合的电子,没有看不见的喷火的龙,没有“绝对颜色”的马,没有150亿光年外的宇宙(150亿光年这个距离称作“视界”),没有隔着1厘米四维尺度观察我们的四维人,没有绝对的外部世界。史蒂芬•;霍金在《时间简史》中说:“我们仍然可以想像,对于一些超自然的生物,存在一组完全地决定事件的定律,它们能够观测宇宙现在的状态而不必干扰它。然而,我们人类对于这样的宇宙模型并没有太大的兴趣。看来,最好是采用奥卡姆剃刀原理,将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。”
你也许对这种实证主义感到反感,反驳说:“一片无人观察的荒漠,难道就不存在吗?”以后我们会从另一个角度来讨论这片无人观察的荒漠,这里只想指出,“无人的荒漠”并不是原则上不可观察的。
五
正如我们的史话在前面一再提醒各位的那样,量子论革命的破坏力是相当惊人的。在概率解释,不确定性原理和互补原理这三大核心原理中,前两者摧毁了经典世界的因果性,互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。新的量子图景展现出一个前所未有的世界,它是如此奇特,难以想象,和人们的日常生活格格不入,甚至违背我们的理性本身。但是,它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。这种主流解释被称为量子论的“哥本哈根”解释,它是以玻尔为首的一帮科学家作出的,他们大多数曾在哥本哈根工作过,许多是量子论本身的创立者。哥本哈根派的人物除了玻尔,自然还有海森堡、波恩、泡利、狄拉克、克莱默、约尔当,也包括后来的魏扎克和盖莫夫等等,这个解释一直被当作是量子论的正统,被写进各种教科书中。
当然,因为它太过奇特,太教常人困惑,近80年来没有一天它不受到来自各方面的置疑、指责、攻击。也有一些别的解释被纷纷提出,这里面包括德布罗意…玻姆的隐函数理论,埃弗莱特的多重宇宙解释,约翰泰勒的系综解释、Ghirardi…Rimini…Weber的“自发定域”(Spontaneous Localization),Griffiths…Omnès…GellMann…Hartle的“脱散历史态”(Decoherent Histories; or Consistent Histories),等等,等等。我们的史话以后会逐一地去看看这些理论,但是公平地说,至今没有一个理论能取代哥本哈根解释的地位,也没有人能证明哥本哈根解释实际上“错了”(当然,可能有人争辩说它“不完备”)。隐函数理论曾被认为相当有希望,可惜它的胜利直到今天还仍然停留在口头上。因此,我们的