時間的量子躍遷(1 / 3)

薛定諤的貓生動地把測量問題擺到我們的麵前。看來我們得要相信,係統的狀態被觀測本身改變了。然而這顯然又太離奇。如愛因斯坦所說:“我不可能想象,隻是由於看了它一下,一隻老鼠就會使宇宙發生劇烈的改變。”然而,即使是量子力學的先驅們,也沒有把這當做必定是一件壞事。正像玻爾在與瑞士理論物理學家泡利(WolfgangPauli)的一次交談中,對泡利說道,泡利的的一個想法“是狂想,但狂得還不夠”。

魏格納的朋友

有兩種簡單通俗的辦法,試圖去對付愛因斯坦的異議。其中之一根據的是這樣一種觀念,即對量子係統進行測量的,不是貓或者老鼠,而是富於意識的人。這種想法的提出者中間,包括紐曼和魏格納(EugeneWigner),他們認為需要具有意識的觀測者去“看”,從而影響波函數的坍縮;根據他們的看法,貓不具備觀測者的資格以使波函數坍縮到生和死的真實情況,因為它並沒有足夠聰穎可以區分出這兩種狀態。按照這種觀點,精神和物質是完全不同的觀念,而且量子論隻對後者有用。隻有具有意識能力的精神才可以觸動波函數。

這樣就產生了一個推斷,薛定諤的那可憐的貓,並不知道它自己是活著還是死了(縱然大多數寵愛貓的主人都聲言,他們的寵物有和人類相近的智慧)。然而,動物是不是具有意識,這是一個極有爭論的問題,起碼這也是因為,意識這個詞本身就很難科學地下定義。它通常用來指人類那樣的智慧,雖然這樣一個涇渭分明的概念在這裏很可能無助於事。

現在我們再來看“魏格納的朋友”,他是這位諾貝爾獎獲得者想象中的熟人。他的這位朋友戴著防毒麵具,吃力不討好地和貓一起關在箱子裏。當他睜開眼睛時,貓的波函數就坍縮了。在薛定諤往裏麵窺視之前,這位朋友可以回答在箱子裏麵的感受。他可以用習慣的語言來報告發生了什麼事--在箱蓋未打開之前,他跟本沒有被卷入所有可能的實驗結果的量子迭加狀態。這樣,按照魏格納的說法,當人類的智能也包括到所研究的係統之中時,通常的那種量子描述就不能再用了。根據這種基於意識的量子理論解釋,時間的流逝隻不過是一種心理效果,它相應於不斷地觸動波函數。

人們可能會問道,魏格納的朋友要喝多少升啤酒以後才失去知覺,從而失去觸動波函數的能力。看來,我們現在很有回到一個極其主觀的世界觀的危險。正像雷(AlastairRae)在他的《量子物理學:幻覺還是現實?》一書中所寫道的:“自從現代科學四、五百年前開創以來,科學思想似乎已經把人類和意識從世界中心遠遠移開了。宇宙中越來越多的事物,變得可以用力學和客觀的術語來解釋,即使人類本身,生物學家和行為科學家正在用科學的方法加以了解。而現在我們卻發現,物理學--以前被認為是所有科學中最客觀的科學,正在重新需要人的靈魂,並把它放置在我們對於宇宙理解的中心!”科學所積累的證據是如此之多,有利於一個獨立於意識之外的現實存在,這使我們很難重視一個基於意識的處理量子理論的辦法。確實,也許有一天,意識本身都會用物理學術語加以解釋。

平行的宇宙

為了“解決”量子力學中的測量問題,埃弗雪特(HughEverettⅢ)1957年提出了另一個大膽的辦法。他這個後來被科學幻想作家經常采用的想法,萌生於他在普林斯頓大學做博士研究期間,當時熱心指導他的是惠勒教授。讓我們回到楊氏狹縫實驗並來考慮這兩難推理,即光子到底是從兩條狹縫中哪一條中經過。波函數中包含了光子從兩條狹縫中經過的所有可能的結果,然而在最基本的層次上,對光子所經過的狹縫是要有一個選擇。哥本哈根解釋說,這就是按照幾率法則對不可逆坍縮的選擇。

然而,埃弗雪特的解釋說,電子不是選擇狹縫,而是選擇宇宙。在選擇其中一條狹縫而不是另一條時,宇宙就一分為二。這條被選擇的狹縫決定於我們處在哪個宇宙。此後這兩個宇宙就完全分開了,並且越分越多,每做一次測量,宇宙就分裂一次。埃弗雪特的想法關鍵是,宇宙自身是由一個波函數描述的,這個波函數中包含任何實驗結果的組成部分。他的解釋中有一個異乎尋常的含義--獨立存在著無數“平行的”宇宙,每一個宇宙都像我們的宇宙那樣真實。你做的最荒唐的夢,也許就發生在另一個世界。一個被定義在某個宇宙中的觀測者,他所做的每次測量,都使這整個宇宙萌發出無數多個新宇宙(即“多重世界”),每一個新宇宙代表一個不同的、可能的觀測結果(例如一活著的或死了的貓)。沒有波函數的坍縮發生,隻有新分支出的宇宙的無窮盡的增殖和萌發:不需要有一個宇宙之外的觀測者。埃弗雪特的論文,與九世紀伊斯蘭經院神學卡拉姆派的教義很有些相似:按照這個教義,隨著每一個事件的出現,世界得以再生。

宇宙學家德威特(BryceDeWitt)這樣描述過他第一次聽到埃弗雪特主張時所受到的震驚:“我仍然清晰地記得,當我第一次遇到多重世界概念時所受到的震動。100個略有缺陷的自我考貝,都在不停地分裂成進一步的考貝,而最後麵目全非。這個想法是很難符合常識的。這是一種徹頭徹尾的精神分裂症……”

許多宇宙學家偏愛埃弗雪特的多重世界量子力學解釋,因為它不再明顯地需要有一個外部觀測者。這一點是重要的,因為如果采用魏格納的解釋,能夠使傳統的宇宙波函數坍縮的唯一觀測者,必定是上帝。相比之下,埃弗雪特的主張看來是“在假設方麵代價低廉,而在宇宙方麵代價高昂”。有意思的是牛津大學的道奇(DavidDeutsch),他認為他所提出的量子計算機,一旦建造完畢,將可以從實驗上驗證埃弗雪特猜想的正確性。這種計算機具有許多新奇的性質,包括一種量子並行機製,使許多計算可以同時進行,而且計算速度也比通常的計算機快得多。道奇聲稱,這種奇跡般的快速計算,將需要把不同的計算部分放在一些平行的宇宙中進行。他的說法引起了很多爭論,因為沒有科學證據支持埃弗雪特的猜想,並且即使這樣一種計算機造出來,也未必能證明多重世界一定就比其它解釋優越。除此以外,多重世界的解釋具有很多技術性的困難,特別是,它沒有說明究竟是什麼特殊原因,使得測量過程會導致宇宙的分裂。總而言之,它給人的印象是:殺雞用牛刀。

讀者存照

量子力學基於意識的解釋和多重世界的解釋,它們的牽強附會,反映著在現有的量子論的框架中,測量問題所引起的困難。基本問題被搞得含混不清,原因是人們廣泛地、但錯誤地認為,傳統的哥本哈根解釋需要“觀測者”的存在--這“觀測者”被假定為人類,從而使主觀因素乘虛而入。但是,其實並不需要有“意識”的生物參與:隻要放上一套測量儀器,記錄實驗的結果就足夠了。例如,這套儀器可以是由一台計算機,一個熒光屏,一張攝影感光乳膠片或是一個氣泡室組成。人的意識與之無關。波函數的坍縮是不可逆的並且是完全客觀的。

EPR佯謬

如果否定基於意識的解釋和平行宇宙的解釋,我們仍然麵臨著一個主要困難,即如何說明波函數的坍縮。這種坍縮看來違背了因果律常識--即果起於因,因果事件在空間上必需足夠接近,以使得它們之間發生因果性聯係。

考慮一個量子法則支配的係統,比如一個朝著熒光屏飛去的電子。它隨時間的演化由一個量子力學波函數來描述,其演化規律遵從薛定諤方程。當在屏幕上做測量,以確定電子的位置時,波函數就坍縮了。雖然測量是在局部地點進行的,但是波函數的坍縮卻改變了電子在此瞬間在空間所有地方的物理狀態--要記得,波函數中包含了電子在空間和時間中的每一種可能性,並不隻是波函數坍縮時的那一種可能性。

這種非局部的坍縮意味著違背了因果律。有一些時空區域,它們不能與屏上觀測到電子的那個點有因果聯係,即使信號以光速傳播也不行。然而它們卻可以在瞬間,和在這個地點所做的測量發生關聯!電子發出的作用瞬時間達到宇宙的盡頭,這聽起來就像一位巫術師,能用針剌臘像而傷害幾英裏以外的人一樣,純屬天方夜譚。這一獨特性質出現的原因,是由於波函數實際上是一種彌漫於整個空間的抽象場。一個在任何一個給定地點所做的觀測,會引起一個潛在的狀態(所有可能的結果)坍縮到一個現實的狀態(觀測到的結果),這個現實狀態在宇宙中所有各處,並在同一時刻被固定下來。

這種離奇的非因果性的相關性,是1935年首次由愛因斯坦和俄國的波多爾斯基(BorisPodolsky),以及羅森(NathanRosen)在一篇論文中強調指出的,後麵這兩個人後來都成了普林斯頓高級研究所的成員。愛因斯坦本人是在1932年獲得這個研究所的一個終生職位的,這使他逃脫了戰前德國日益高漲的反猶太浪潮。這篇文章發表的時候他已經在普林斯頓定居,他的狹義相對論問世也差不多三十年了。但是量子論仍然使他苦惱不安,一是量子論中的內稟隨機性,二是現實看來是由觀測者而“創生”的。對愛因斯坦來說,這種說法像是把人又推回到五百年前宇宙中心的地位,而哥白尼當時就是把人從這個地位拉了下來。因而,愛因斯坦極力要把量子力學的這種觀念推翻。

愛因斯坦和他的同事所構想的“思維實驗”--取他們三個人名字的第一個字母,因而叫做EPR佯謬,是設想兩個有旋轉的粒子,它們相互作用並分離到無限遠的距離。我們從它們相互作用的方式知道,每一個粒子具有一個等量但符號相反的“自旋”值:如果一個的自旋是“向上”,則另一個的就“向下”。這樣,粒子A的自旋,就可以從粒子B的自旋推斷出來。但是在量子力學中,兩個粒子的自旋都處在一種不定的狀態--“向上並且向下”--直到測量做出為止。測量使得粒子A的自旋在測量時刻成為“向上”或者“向下”,但是由於量子相關性,粒子B必須也立刻被迫接受一個確定的自旋,即與A的自旋相反。這一結果確保成立,不論粒子B與A的距離已經是多少個光年。我們不需要去測量B的自旋,因為一旦A的自旋測出,B的自旋也就知道了。這種遙遠距離上鬼使神差般的作用看上去意味著,兩個粒子之間的聯係,是由一種傳播得比光還快的物理作用來進行的。

由這一分析可以看到,EPR佯謬的論點是,量子論不能給出一個現實存在的客觀描述,並且,量子論也是不完備的,因為它包含了如此非物理的、“非局部的”相關性。從那以後,很多研究都在探尋量子描述的某種更深一層的基礎--即一種“隱變量理論”,它或許會以一種決定性方式說明這種相關性,並且可能進一步接受最後仲裁--即實驗驗證。這樣的驗證已經按照一個實際的EPR實驗的路子搞了起來,它的結果會由於隱變量所支配或者是量子論所支配而有所不同。