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真实性的另一面

没有人真正想把一只猫按这种方式锁起来,然后看一下到底会发生什么情况,但这却表明了物理学的发展是多么具有戏剧性。就在薛定谔设计出他的盒子中的猫的迷惑之前,爱因斯坦已经构想出另一个思想实验,这个思想实验在20世纪80年代已经变成了现实。然而,爱因斯坦却没能活到这个思想实验变成现实。盒子中的猫这类迷惑设计出来仅仅是为了突出量子理论的悖论性。当爱因斯坦的思想实验最终被真正实现的时候,量子理论已经取得了辉煌的成就。

并非是爱因斯坦独自一人提出这个奇特想法。这个思想是在20世纪30年代早期他来到普林斯顿后不久,与玻利斯·波多斯基和内森·罗森共同发展的。这个迷惑于1935年以他们三个人的名义发表。就在同一年,薛定谔发表了他的盒子中的猫的悖论。爱因斯坦等人的这个思想被称为“EPR悖论”,因为它揭示了量子真实性的非逻辑性(不符合常识)。

美国物理学家戴维·鲍姆于1951年定居英国。他对这个迷惑进行了提炼与加工,但在那个时候这仍然是一个纯粹的思想实验。然后,到了20世纪60年代中期,工作在日内瓦欧洲原子能中心(CERN)的爱尔兰物理学家约翰·贝尔发现了一种根据实验来表述这种迷惑的方式。其实验基础为在原则上,光子可以自动地由原子朝两个方向成对地发射。那时,即使是贝尔本人也没有认为这个实验是切实可行的。但是在20年之后,几个研究人员接受了这一挑战,测量贝尔所描述的关系。这些实验中最全面的和最富结论性的部分是由工作在巴黎奥森的艾斯派克特与其同事在20世纪80年代早期完成的。他们不容置疑地证明:是常识(和爱因斯坦)错了,非局域性确实在支配着量子世界。艾斯派克特检验的是我将要在这里描述的“EPR悖论”的贝尔版本。

在艾斯派克特实验中测量的是光的偏振。偏振是指光的每个光子都携带着一个箭头,这个箭头朝上、朝下、朝旁边或两者之间的某个方向。偏振光具有很多奇怪的特性,其中的一部分放在后面讲述,我在这里所强调的是有可能测量光子偏振的不同方面,并且这些特性与量子规则相关,并与量子规则一致。将实际情况略作简化一下,一个光子必定朝上,而另一个光子指向另一边就有可能是真的。但是在规则当中并没有说明哪一个光子指向哪一个方向。当两个光子从原子发射出去以后,就像薛定谔的猫一样,在有人测量它们的偏振之前其以叠加态的形式存在。只有在有人测量它们偏振时,那个光子的波函数才坍塌成一种可能的状态——可能指向上方。同时另一个光子的波函数坍塌为其他状态——在这种情形,指向另一边。没有人在观察另一个光子,在进行测量的时候这两个光子可能相距非常遥远(原则上在世界的两极),然而,当一个波函数发生坍塌时,另一个也同时坍塌,这就是爱因斯坦所称的“幽灵般的超距作用”。就好像是这两个实体(在这里是两个光子)永远地纠缠在一起,所以当其中一个受到刺激时,另一个同时发生颤动,不管它们相距多远。

爱因斯坦特别讨厌这一点,因为他的相对论就是建立在这样一个基础之上:光总是以同样的速度传播。任何东西的传播速度都不能由低于光速提高到高于光速。根据相对论,没有任何东西能瞬时穿过空间连接两个粒子。我们将会看到,相对论的含义甚至超出了爱因斯坦的认识。但是就在那个时候,特别是对爱因斯坦来说,相对论不允许这种超距作用的存在。

但是,怎么才能从实验上获得支持(或反对)这种“幽灵”般的超距作用的证据呢?测量两个光子是没有用的。你总能够得到正确的答案(在这个实验当中,一个朝上,一个朝一边),但你决不会看到“这种瞬间连接的过程”。通过这些测量,你能够说的是,正如常识告诉我们:每个光子的特性在它离开原子的时刻已经被决定了。这种超距作用——非局域性——与三个相连接的测量(在艾斯派克特的实验中是三个偏振的角度)有关,但实际上只测量了其中的两次,每个光子一次。

因为偏振是大家不熟悉的一种特性。按颜色来考虑可能会有所帮助。艾斯派克特小组曾被警告说,他们通过这种方式测量的并不真正是颜色。假设原子发射的不是成对的光子,而是成对的带颜色的粒子,就像小的台球一样。每个小球的颜色可以是红的、黄的,或者是蓝的,但在成对的小球中,其颜色肯定是不一样的。

还是回到用量子的语言来描述,当一个原子沿相反方向射出两个小球时,哥本哈根解释告诉我们,任何一个小球都没有确定的颜色,而是处在三种可能状态的叠加态。当实验者看其中一个小球时,它的波函数发生坍塌,便具有了确定的颜色。同时,另一个小球的波函数发生坍塌,它呈现的颜色是剩余的两种之一——但是从我们的单个测量中,却无法知道是哪一种。

现在,我们有可能测量出一个小球的颜色是蓝的。这个问题的答案给了我们一个信息——另一个小球的波函数坍塌了,这是关于另一个小球的状态的信息,但绝不是关于另一个小球的状态的完整信息。假设我们测量的结果是蓝色,那么另一种小球的颜色就必定为“红”或者“黄”。我们测量的唯一的另外一种可能就是它的颜色“不是蓝”。在这种情形下,我们没有确定小球的颜色是红还是黄,那么另一个小球可以呈现的颜色就是这三种可能之一。但是出于下面的原因,它更可能是蓝,而不是红或黄。

如果第一个小球是蓝色的,那么第二个小球要么是“红色的”,要么是“黄色的”。因此,第二个小球是红色或黄色的概率都是50%。然而,如果第一个小球的颜色“不是蓝色的”,那么它自身的状态就有两种不同的可能性。首先,它可能是红色的。如果是这样,那么第二个小球要么是蓝色的,要么是黄色的。其次,第一个小球可能是黄色的。如果是这样,那么第二个小球要么是蓝色的,要么是红色的。因此,对于第二个小球来说,现在有四种可能。其中有两种都是蓝色,一种为红色,一种为黄色。即第二个小球为蓝色的可能性为50%,而为红色或黄色的可能性各为25%。当然,它必定是三种颜色之一。它们一旦被观察,那么有把握,概率便立即上升为100%。

对第一个小球状态的测量,改变了当我们测量第二个小球时发现一种特定颜色的优势。为了看到这个优势是如何随着对第一个小球的测量方式的改变而改变,你不得不对许多小球做许多次测量。就像是为了看到硬币的正面和背面出现的概率相等,你必须抛掷许多次一样。但是关键问题是,贝尔证明如果非局域性在起作用,那么就应该出现统计图样与每个小球在离开原子时就“选择”自己的颜色,并在以后的时间保持不变时应该出现的图样不一致。

根据这个术语,在实验中沿着下面这样一条线对两个光子同时询问一对问题:“一个光子是否是蓝色的,另一个光子是否是黄色的?”我们也可以这样问:“一个光子是否是蓝色的,另一个光子是否是红色的?”对许多对粒子将这种测量重复许多次,你就会得到一系列答案。这些答案确定了一对粒子的颜色分别是“蓝色和不是红色”的概率有多高,一对粒子的颜色分别为“不是蓝色和不是黄色”的概率有多高,一对粒子的颜色分别为“蓝色和不是黄色”的概率有多高,等等。贝尔证明,对于这样的问题,你如果对许多对粒子询问许多次,那么,你所得到的答案就会呈现出一个统计图样。通过这个统计图样,我们就可以看到与“不是蓝色和不是红色”这种组合以及所有其他可能的各种组合相比较,“蓝色和不是黄色”这种组合出现的概率是高还是低。我所强调的是,在你看它们之前,量子物体不决定自己呈现出哪种颜色,而日常生活中的粒子在离开原子的那个时刻就选择了自己的颜色,并且在以后的时间里一直保持不变。量子世界的统计图样与日常生活中的统计图样不一致。

贝尔证明,如果常识是对的,那么,如果某一套测量——第一个图案,我们称其为图样A——出现的概率,总比另一套测量——第二个图样,我们称其为图样B——出现的概率高,那么通常的逻辑告诉我们,图样A比图样B更为一般。但是艾斯派克特的实验(以及许多其他的同类实验)证明这个不等式被违反了。图样A出现的次数少于图样B出现的次数。

尽管使用数学语言来表达,但是这个论断是基于常识中的逻辑的。例如,常识中的逻辑告诉你全世界十几岁的总人数必定小于十几岁的女人的人数加上所有年龄的男人的数目。用术语来描绘就是,艾斯派克特的实验结果发现全世界十几岁的人的总数比十几岁的女人数与所有年龄的男人的数目之和还要多。贝尔不等式的违反意味着非局域性在起作用,这样量子理论就被证明了,尽管我们仍然不知道这到底意味着什么。

贝尔本人将量子理论称为“仅仅是一个临时性的尝试”。 他一直希望物理学家们能够提出一个理论,这个理论甚至能够根据真实的世界来解释这些奇怪的性质,而真实世界在我们没有对它进行观测时也是存在的。但是在这个意义上,艾斯派克特的实验结果正好与他的期望相反(根据量子理论以前取得的成功,这并不与他的期望相反)。后来,他对物理学家尼克·赫伯特说,他“非常高兴地看到在一个粗糙和模糊的领域中,有一些东西是坚固的和清晰的”,即使有些事情已经跑到了常识和他自己成见的对立面。

将艾斯派克特的实验翻译成简单一点的例子,那就是如果一个原子沿不同的方向发射两个粒子,那么量子规则要求其中一个是红的,另一个是黄的,但是规则中并没有指明哪一个是哪一种颜色。这两个粒子都处于叠加态,直到有意识的观察者注意到其中一个的颜色是什么为止。就在那个时刻,那个粒子的波函数发生坍塌,另一个粒子的波函数坍塌成另一种颜色。值得再一次强调的是,这不仅仅是疯狂的理论家的一些狂妄的梦想,也不仅仅是精心设计出来的思想实验。这个非局域行为已经在一个光子实验中得到了验证。将这个实验轻微地重新设计一下,使其涉及一个电子和一对小猫。我们可以更新薛定谔的著名的思想实验,使其能够考虑艾斯派克特的违反贝尔不等式的测量,来彻底地看一下非局域性和超距作用到底意味着什么。 BImgK6EDEHYqRJmlBK8/yd8CqCbryzzni41J4O8rOaZmcZWKaIfcpOMuPlbzjylT

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