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的、经典的框架所替代,但在这个框架里有非常之多的“隐变量”(hiddenvariables)。这些变量可以想像成是一些看不见的苍蝇,在宇宙各处嗡嗡地飞来飞去,近乎随机地与基本粒子相互作用,并影响基本粒子的行为。只要这些苍蝇不能被探察到,理论物理学家们能做出的预言,最多也只是对苍蝇的运动作出平均的统计。但这些看不见的苍蝇可以引起无法预言的涨落,而这些涨落又造成了不确定性。希望在于这些不确定性能以某种方式与量子力学相适应,从而使这种图式的预言与量子力学的预言相一致,而我们知道,后者的预言得到了众多观测的证实。玻姆和爱因斯坦
我知道有一位理论物理学家至少在一段时间内,在下述两种情况下犹豫不决:一方面相信量子力学,另一方面又想也许可以用一种像“隐变量”之类的东西替代量子力学。这位物理学家就是戴维·玻姆(David Bohm),他用毕生的精力试图了解量子力学的意义。
1951 年,当我刚拿到博士学位并在普林斯顿高级研究所做博士后的时候,戴维是普林斯顿大学的助理教授。我们俩都是单身汉,常常在傍晚绕着普林斯顿散步,并讨论物理学的问题。戴维告诉我,他作为一个马克思主义者很难相信量子力学(马克思主义者倾向于认为他们的理论是完全决定论的)。既然量子力学取得了巨大的成功,而且又不与任何观测相矛盾,他曾经试图承认量子力学在哲学上终究是可以接受的。在试图让量子力学与他的马克思主义信仰相协调时,他曾就量子理论写过一本基础教科书,强调诠释问题。当这本书快出版时,戴维焦急地想把有关章节拿给爱因斯坦看,看他能否说服这个伟人的反对意见。戴维请我安排一次会见。我回答说,我不合适做这件事,因为我跟爱因斯坦很不熟悉,但我可以和杜卡斯(Dukas)小姐谈一下,她是爱因斯坦的秘书,虽然很难对付,但是看她能做点什么。
过了一两天后,当我遇见戴维时我告诉他,我正在为约会努力,但他激动地打断我的话,说约会完全不必要了。他的书已经出版了,而且爱因斯坦已经读过了,并打电话告诉戴维说在所有反对他的论著中,戴维的书是他见过的最好的礼物,并且说他们应该在一起共同讨论一下。当我再次见到戴维时,当然急于想知道他们的谈话情况,因此我问了他。他似乎很腼腆地对我说:“他和我作了详谈。我要回到写书以前的我。”从那以后大约40 年,戴维试图对量子力学作再次详细阐述和诠释,以消除他的疑惑。最近,我非常伤心地得知他去世了。EPRB 试验
多年以前,戴维·玻姆建议用一个改变了的和更实际的试验,代替爱因斯坦、玻多尔斯基和罗森的假想的“完备性”实验(这个实验这儿不再多说)。玻姆的实验(又称EPRB 试验,以纪念这4 位物理学家)涉及一个粒子衰变为两个光子。假设这个粒子静止,也没有内部的“自旋”(internal“spin”),然后,两个光子向相反方向运动,它们有相同的能量和同样的偏振。如果一个光子是左圆偏振的(向左旋转),另一个也必将如此;同样,如果一个光子是右圆偏振的(向右旋转),那另一个也将如此。更有甚者,如果一个光子沿一特定轴的平面偏振(即电场沿这个轴振荡),那另一个光子也必然如此。
假定光子在进入探测器以前不受任何干扰,进入探测器后如果测出一个光子的圆偏振,那么另一个光子的偏振就确定了——相同。类似地,如果测出一个光子的平面偏振,那么另一个光子的偏振也就确定下来——仍然相同。爱因斯坦的完备性应该意味着:能够对第二个光子的圆偏振和平面偏振这两者都给出确定的值。但是,一个光子的圆偏振和平面偏振不可能同时给出精确的值(正像一个粒子的位置和动量也不可能同时精确给出一样)。因此,按量子力学的观点,完备性的要求在这种情形也仍然不合理,如爱因斯坦和他的同事当年讨论的结果一样。这两个测量,一个是圆偏振,另一个是平面偏振,是两个可供选择的测量;它们出现在不同的历史分枝上,我们没有理由期望同时考虑两者的结果。EPRB 和隐变量的可选择性
以后,约翰·贝尔(John Bell)的理论研究揭示出,用某些测量两个光子偏振的方法,EPRB 实验的装置可以用来区分量子力学和假定的隐变量理论。贝尔的定理(也称贝尔不等式)涉及到一个特殊的量,这个量可以给出两个光子偏振间的相关性。在量子力学里,这个量可以测出它的值,但经典隐变量理论却不容许。
贝尔的书出版以后,各个小组的实验物理学家都开始做EPRB 实验。大家都急切地等待结果,不过实际上所有的物理学家都一直断定量子力学是正确的,因为它已被许多事实所证实。人们可以料到,当世界上所有对这个实验感兴趣的人听到实验结果后,会轻松地叹一口气,然后又像往日那样生活下去。但是出现了意料之外的情况,有一阵子各种实验报告纷至沓来,断定量子力学已被证明有一些离奇古怪和令人不安的特性。当然,量子力学还是原来的那个量子力学。除了进一步证实了量子力学和接着而来的心慌意乱的傻话以外,并没有出现什么新东西。故事被歪曲了
在新闻媒介和各种各样的书中,主要的歪曲是这些传播暗示,有的甚至明确断言,在测量一个光子的偏振(圆和平面两者)时,不知由于什么原因,影响到了另一个光子。事实上,测量并没有引起任何从一个光子传到另一个光子的物理效应。那么,到底发生了什么?如果在一个特定的历史分枝上,一个光子的平面偏振被测量了,并因此给出了确定性,那么,在相同的历史分枝上,另一个光子的平面偏振也就被确定地给出。在一个不同的历史分枝上,一个光子的圆偏振可能被测量,在这种情形下,两个光子的圆偏振都被确定地给出。在每个分枝上,这种情形犹如贝尔在他论文中提到的伯特曼(Bertlmann)的短袜。伯特曼是一位数学家,他经常一只脚穿粉红色短袜,而另一只脚穿绿色短袜。如果你只看到他的一只脚,穿的是绿色短袜,那你立即知道他的另一只脚穿的是粉红色短袜。这时,并没有任何信号从一只脚传到另一只脚。同样,在证实量子力学的实验中,并没有信号从一个光子传给另一光子。没有发生超距作用。上述测定一个光子会立即影响另一个光子的虚假的报导,引出了所有各种各样令人遗憾的结论。首先,断定效应是瞬时的,这违背了相对论的要求:没有任何一种信号——即物理效应,能传播得比光速还快。如果真有这样一种信号,那么当观察者正要测量这运动中的信号时,信号却正好归来了!这正如一首打油诗中所描述的那样:少妇名叫布赖特,走得比光还要快。今天出门去旅行,相对论道上向前迈;可是昨晚已回家,瞧这事情怪不怪?
其次,某些作者声称在量子力学里可以接受“超自然”现象,例如预知,即某些“通灵”(psychicindividuals)人可以预先知道一些偶然过程的结果。无需多说,这些现象会扰乱量子力学,正像它曾扰乱过经典物理学一样。如果说坦率一点,这些人实际上想如我们所知那样,将自然界的定律作一次彻底的修改。
第三种傻话的表现是屈服于某些建议,如美国国防部建议利用量子力学达到在军事上用超光速通讯的目的。人们会奇怪,这些远离常规的新事物,在比较过时的领域里(如反引力、永恒运动)是否意味着其数量应该逐渐减少。如果不是这样,那一定是处理这类事件的官僚机构在增加。EPRB 重要的潜在应用
与此同时,严肃的研究者们开始思考,EPRB 效应也许可以实际地加以利用。他们没有陷入空想,而是提出一些令人神往的潜在应用。例如,贝纳特(Charles Bennett)、布拉萨德(GillesBrassard)和埃克特(ArturEkert)曾经想发明一种量子密码,在这种密码里EPRB 效应一再用来让一根随机弦产生一些二进制码,只让两个人知道,其他任何人都不可能知道,这种弦因此可用来作为传递信息的不可识破的密码,仅在两个人之间秘密使用。
这种方法的大致原理如下。假定只有阿丽丝和玻普两人可以得到EPRB光子对稳定的供应。每一对光子中,一个光子到阿丽丝那儿去,另一个到玻普那儿去。他们两人事先就同意对各自的光子,作了长系列的平面偏振测量,区别两个垂直方向的一半机会称为x 和y,区别另两个相互垂直方向的另一半机会称为X 和Y(x 和y 轴旋转45°就成了X 和Y 轴,如图12—1 所示)。阿丽丝随机选择了她的光子,并不关心它将经受x…y 的测量还是X…Y 的测量。玻普也单独一人作了同样的选择。
上述过程结束后,阿丽丝告诉玻普,她选择了哪种测量她的每个光子的方式,x…y 或X…Y;玻普也给了爱丽丝类似的信息(这种对话可以通过公用电话,被间谍偷听到了也毫无关系)。他们知道在哪种情形下他们两人用了相同的测量(大约有一半时间发生)。由于EPRB 效应,对每个同样的测量,阿丽丝和玻普得到的结果一定完全相同。而这些同样测量的结果,却只有阿丽丝和玻普两人知道,其他任何人都不知道(当然假定每人都秘密地进行测量,并且不宣布测量结果)。这些结果可以用一串1(代表x或X)和一串0(代表y 或Y)来表示,这也只有他们两人知道。这些数串可以作为不可识破的密码基础,在他们两人中使用。
如果他们两人对安全性还不放心,他们可以废弃少数他们共同测量的结果,在公共电话中比较一下对应的一些1 和0 是否真的一致。其他剩下的1 和0 串仍可继续用于秘密通信。任何