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《上帝掷骰子吗—量子物理史话》读书笔记

《上帝掷骰子吗—量子物理史话》读书笔记

作者: 马文Marvin | 来源:发表于2016-07-29 10:31 被阅读211次

    作者:曹天元
    版本:辽宁教育出版社 具体版本未知
    来源:下载的PDF版本

    作者有丰富的物理学背景,所以作为科普作品而言,内容是相当合格的,许多以前朦朦胧胧的概念读了以后都有拨云见日的感觉,唯一的缺憾是作者写作风格略带武侠气息,经常会自high一下,然后我就会跟着“出戏”,联想到某几个总和我唠叨武侠的朋友。

    “量子”这个词听说了太多次了,读了此书以后终于知道了这是一个什么东西,原来“量子”就是把物质、力、能量理解成一份一份(而不是可以无限拆分)的最小单元,书里面有一个形象的例子,理论上“钱”可以是1.000001元,但是在货币里面最小单元就是0.01元,所谓“量子”,就是表示0.01元这样的最小单元概念,不能再向下继续拆分了。

    “芝诺悖论”在量子的概念下也得到了解答,因为时间和距离是不可以无限拆分下去的,所以在某个不可拆分的单位以后,阿喀琉斯就会超过乌龟。

    因为是科普的缘故,书里面没有特别复杂的内容,最复杂的部分莫过于线性代数里面的矩阵乘法,讲的非常浅显易懂,比我大学的老师强太多了。

    摘录:

    1900年的4月27日,伦敦的天气还是有一些阴冷。马路边的咖啡店里,人们兴致勃勃地谈论着当时正在巴黎举办的万国博览会。街上的报童在大声叫卖报纸,那上面正在讨论中国义和团运动最新的局势进展以及各国在北京使馆人员的状况。一位绅士彬彬有礼地扶着贵妇人上了马车,赶去听普契尼的歌剧《波希米亚人》。两位老太太羡慕地望着马车远去,对贵妇帽子的式样大为赞叹,但不久后,她们就找到了新的话题,开始对拉塞尔伯爵的离婚案评头论足起来。看来,即使是新世纪的到来,也不能改变这个城市古老而传统的生活方式。
    相比之下,在阿尔伯马尔街皇家研究所(Royal Institution,Albemarle Street)举行的报告会就没有多少人注意了。伦敦的上流社会好像已经把他们对科学的热情在汉弗来·戴维爵士(Sir Humphry Davy)那里倾注得一干二净,以致在其后几十年的时间里都表现得格外漠然。不过,对科学界来说,这可是一件大事。欧洲有名的科学家都赶来这里,聆听那位德高望重,然而却以顽固出名的老头子——开尔文男爵(Lord Kelvin)的发言。
    开尔文的这篇演讲名为《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》。当时已经76岁,白发苍苍的他用那特有的爱尔兰口音开始了发言,他的第一段话是这么说的:
    “动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了......”(‘The beauty and clearness of the dynamical theory,which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds.’)
    这个乌云的比喻后来变得如此出名,以致于在几乎每一本关于物理史的书籍中都被反复地引用,成了一种模式化的陈述。联系到当时人们对物理学大一统的乐观情绪,许多时候这个表述又变成了“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云”。这两朵著名的乌云,分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体一些,指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射研究中的困境。

    我们今天来谈谈物理史上的那些著名的“意外”实验。用“意外”这个词,指的是实验未能取得预期的成果,可能在某种程度上,也可以称为“失败”实验吧。
    我们在上面已经谈到了迈克尔逊-莫雷实验,这个实验的结果是如此地令人震惊,以致于它的实验者在相当的一段时期里都不敢相信自己结果的正确性。但正是这个否定的证据,最终使得“光以太”的概念寿终正寝,使得相对论的诞生成为了可能。这个实验的失败在物理史上却应该说是一个伟大的胜利,科学从来都是只相信事实的。
    近代科学的历史上,也曾经有过许多类似的具有重大意义的意外实验。也许我们可以从拉瓦锡(A.L.Laroisier)谈起。当时的人们普遍相信,物体燃烧是因为有“燃素”离开物体的结果。但是1774年的某一天,拉瓦锡决定测量一下这种“燃素”的具体重量是多少。他用他的天平称量了一块锡的重量,随即点燃它。等金属完完全全地烧成了灰烬之后,拉瓦锡小心翼翼地把每一粒灰烬都收集起来,再次称量了它的重量。
    结果使得当时的所有人都瞠目结舌。按照燃素说,燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻。退一万步,就算燃素完全没有重量,也应该一样重。可是拉瓦锡的天平却说:灰烬要比燃烧前的金属重,测量燃素重量成了一个无稽之谈。然而拉瓦锡在吃惊之余,却没有怪罪于自己的天平,而是将怀疑的眼光投向了燃素说这个庞然大物。在他的推动下,近代化学终于在这个体系倒台的轰隆声中建立了起来。
    到了1882年,实验上的困难同样开始困扰剑桥大学的化学教授瑞利(J.W.S Rayleigh)。他为了一个课题,需要精确地测量各种气体的比重。然而在氮的问题上,瑞利却遇到了麻烦。事情是这样的:为了保证结果的准确,瑞利采用了两种不同的方法来分离气体。一种是通过化学家们熟知的办法,用氨气来制氮,另一种是从普通空气中,尽量地除去氧、氢、水蒸气等别的气体,这样剩下的就应该是纯氮气了。然而瑞利却苦恼地发现两者的重量并不一致,后者要比前者重了千分之二。
    虽然是一个小差别,但对于瑞利这样的讲究精确的科学家来说是不能容忍的。为了消除这个差别,他想尽了办法,几乎检查了他所有的仪器,重复了几十次实验,但是这个千分之二的差别就是顽固地存在在那里,随着每一次测量反而更加精确起来。这个障碍使得瑞利几乎要发疯,在百般无奈下他写信给另一位化学家拉姆塞(William Ramsay)求救。后者敏锐地指出,这个重量差可能是由于空气里混有了一种不易察觉的重气体而造成的。在两者的共同努力下,氩气(Ar)终于被发现了,并最终导致了整个惰性气体族的发现,成为了元素周期表存在的一个主要证据。
    另一个值得一谈的实验是1896年的贝克勒尔(Antoine Herni Becquerel)做出的。当时x射线刚被发现不久,人们对它的来由还不是很清楚。有人提出太阳光照射荧光物质能够产生x射线,于是贝克勒尔对此展开了研究,他选了一种铀的氧化物作为荧光物质,把它放在太阳下暴晒,结果发现它的确使黑纸中的底片感光了,于是他得出初步结论:阳光照射荧光物质的确能产生x射线。
    但是,正当他要进一步研究时,意外的事情发生了。天气转阴,乌云一连几天遮蔽了太阳。贝克勒尔只好把他的全套实验用具,包括底片和铀盐全部放进了保险箱里。然而到了第五天,天气仍然没有转晴的趋势,贝克勒尔忍不住了,决定把底片冲洗出来再说。铀盐曾受了一点微光的照射,不管如何在底片上应该留下一些模糊的痕迹吧?
    然而,在拿到照片时,贝克勒尔经历了每个科学家都梦寐以求的那种又惊又喜的时刻。他的脑中一片晕眩:底片曝光得是如此彻底,上面的花纹是如此地清晰,甚至比强烈阳光下都要超出一百倍。这是一个历史性的时刻,元素的放射性第一次被人们发现了,虽然是在一个戏剧性的场合下。贝克勒尔的惊奇,终究打开了通向原子内部的大门,使得人们很快就看到了一个全新的世界。
    在量子论的故事后面,我们会看见更多这样的意外。这些意外,为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩,也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃。那也是科学给我们带来的快乐之一啊。

    1896年,他读到了维恩关于黑体辐射的论文,并对此表现出了极大的兴趣。在普朗克看来,维恩公式体现出来的这种物体的内在规律——和物体本身性质无关的绝对规律——代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在,不受外部世界的影响,是科学追求的最崇高的目标。普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格,对绝对严格规律的一种崇尚。这种古典而保守的思想经过了牛顿、拉普拉斯和麦克斯韦,带着黄金时代的全部贵族气息,深深渗透在普朗克的骨子里面。

    现代科学创立之初,也就是17,18世纪的时候,英国是毫无争议的世界科学中心(以前是意大利)。牛顿作为一代科学家的代表自不用说,波义耳、胡克、一直到后来的戴维、卡文迪许、道尔顿、法拉第、托马斯·杨,都是世界首屈一指的大科学家。但是很快,这一中心转到了法国。法国的崛起由伯努利(Daniel Bernoulli)、达朗贝尔(J. R. d'alembert)、拉瓦锡、拉马克等开始,到了安培(Andre Marie Ampere)、菲涅耳、卡诺(Nicolas Carnot)、拉普拉斯、傅科、泊松、拉格朗日的时代,已经在欧洲独领风骚。不过进入19世纪的后半,德国开始迎头赶上,涌现出了一大批天才,高斯、欧姆、洪堡、沃勒(Friedrich Wohler)、赫尔姆霍兹、克劳修斯、玻尔兹曼、赫兹......虽然英国连出了法拉第、麦克斯韦、达尔文这样的伟人,也不足以抢回它当初的地位。到了20世纪初,德国在科学方面的成就到达了最高峰,成为了世界各地科学家心目中的圣地,柏林、慕尼黑和哥廷根成为了当时自然科学当之无愧的世界性中心。我们在以后的史话里,将会看到越来越多德国人的名字。不幸的是,纳粹上台之后,德国的科技地位一落千丈,大批科学家出逃外国,直接造成了美国的崛起,直到今日。

    古希腊有个学派叫作爱利亚派,其创建人名叫巴门尼德(Parmenides)。这位哲人对运动充满了好奇,但在他看来,运动是一种自相矛盾的行为,它不可能是真实的,而一定是一个假相。为什么呢?因为巴门尼德认为世界上只有一个唯一的“存在”,既然是唯一的存在,它就不可能有运动。因为除了“存在”就是“非存在”,“存在”怎么可能移动到“非存在”里面去呢?所以他认为“存在”是绝对静止的,而运动是荒谬的,我们所理解的运动只是假相而已。
    巴门尼德有个学生,就是大名鼎鼎的芝诺(Zeno)。他为了为他的老师辩护,证明运动是不可能的,编了好几个著名的悖论来说明运动的荒谬性。我们在这里谈谈最有名的一个,也就是“阿喀琉斯追龟辩”,这里面便牵涉到时间和空间的连续性问题。
    阿喀琉斯是史诗《伊利亚特》里的希腊大英雄。有一天他碰到一只乌龟,乌龟嘲笑他说:“别人都说你厉害,但我看你如果跟我赛跑,还追不上我。”
    阿喀琉斯大笑说:“这怎么可能。我就算跑得再慢,速度也有你的10倍,哪会追不上你?”
    乌龟说:“好,那我们假设一下。你离我有100米,你的速度是我的10倍。现在你来追我了,但当你跑到我现在这个位置,也就是跑了100米的时候,我也已经又向前跑了10米。当你再追到这个位置的时候,我又向前跑了1米,你再追1米,我又跑了1/10米......总之,你只能无限地接近我,但你永远也不能追上我。”
    阿喀琉斯怎么听怎么有道理,一时丈二和尚摸不着头脑。
    这个故事便是有着世界性声名的“芝诺悖论”(之一),哲学家们曾经从各种角度多方面地阐述过这个命题。这个命题令人困扰的地方,就在于它采用了一种无限分割空间的办法,使得我们无法跳过这个无限去谈问题。虽然从数学上,我们可以知道无限次相加可以限制在有限的值里面,但是数学从本质上只能告诉我们怎么做,而不能告诉我们能不能做到。
    但是,自从量子革命以来,学者们越来越多地认识到,空间不一定能够这样无限分割下去。量子效应使得空间和时间的连续性丧失了,芝诺所连续无限次分割的假设并不能够成立。这样一来,芝诺悖论便不攻自破了。量子论告诉我们,“无限分割”的概念是一种数学上的理想,而不可能在现实中实现。一切都是不连续的,连续性的美好蓝图,其实不过是我们的一种想象。

    卢瑟福本人是一位伟大的物理学家,这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师,他以敏锐的眼光去发现人们的天才,又以伟大的人格去关怀他们,把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们,后来绝大多数都出落得非常出色,其中更包括了为数众多的科学大师们。
    我们熟悉的尼尔斯·玻尔,20世纪最伟大的物理学家之一,1922年诺贝尔物理奖得主,量子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。
    保罗·狄拉克(Paul Dirac),量子论的创始人之一,同样伟大的科学家,1933年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的(那时卢瑟福接替了J. J.汤姆逊成为这个实验室的主任)。狄拉克获奖的时候才31岁,他对卢瑟福说他不想领这个奖,因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道,如果不领奖的话,那么这个名声可就更响了。
    中子的发现者,詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福的实验室里。他于1935年获得诺贝尔物理奖。
    布莱克特(Patrick M. S. Blackett)在一次大战后辞去了海军上尉的职务,进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室,并在宇宙线和核物理方面作出了巨大的贡献,为此获得了1948年的诺贝尔物理奖。
    1932年,沃尔顿(E.T.S Walton)和考克劳夫特(John Cockcroft)在卢瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器,并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在1951年分享了诺贝尔物理奖金。
    这个名单可以继续开下去,一直到长得令人无法忍受为止:英国人索迪(FrederickSoddy),1921年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西(Georg von Hevesy),1943年诺贝尔化学奖。德国人哈恩(Otto Hahn),1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔(Cecil Frank Powell),1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特(Hans Bethe),1967年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查(P.L.Kapitsa),1978年诺贝尔化学奖。
    除去一些稍微疏远一点的case,卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主(还不算他自己本人)。当然,在他的学生中还有一些没有得到诺奖,但同样出色的名字,比如汉斯·盖革(Hans Geiger,他后来以发明了盖革计数器而著名)、亨利·莫斯里(Henry Mosely,一个被誉为有着无限天才的年轻人,可惜死在了一战的战场上)、恩内斯特·马斯登(ErnestMarsden,他和盖革一起做了α粒子散射实验,后来被封为爵士)......等等,等等。
    卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值——100元上面,作为国家对他最崇高的敬意和纪念。

    我们已经看到,海森堡发明了这种奇特的表格,I×II≠II×I,连他自己都没把握确定这是个什么怪物。当他结束养病,回到哥廷根后,就把论文草稿送给老师波恩,让他评论评论。波恩看到这种表格运算大吃一惊,原来这不是什么新鲜东西,正是线性代数里学到的“矩阵”!回溯历史,这种工具早在1858年就已经由一位剑桥的数学家Arthur Cayley所发明,不过当时不叫“矩阵”而叫做“行列式”(determinant,这个字后来变成了另外一个意思,虽然还是和矩阵关系很紧密)。发明矩阵最初的目的,是简洁地来求解某些微分方程组(事实上直到今天,大学线性代数课还是主要解决这个问题)。但海森堡对此毫不知情,他实际上不知不觉地“重新发明”了矩阵的概念。波恩和他那精通矩阵运算的助教约尔当随即在严格的数学基础上发展了海森堡的理论,进一步完善了量子力学,我们很快就要谈到。
    数学在某种意义上来说总是领先的。Cayley创立矩阵的时候,自然想不到它后来会在量子论的发展中起到关键作用。同样,黎曼创立黎曼几何的时候,又怎会料到他已经给爱因斯坦和他伟大的相对论提供了最好的工具。
    乔治·盖莫夫在那本受欢迎的老科普书《从一到无穷大》(One, Two, Three......Infinity)里说,目前数学还有一个大分支没有派上用场(除了智力体操的用处之外),那就是数论。古老的数论领域里已经有许多难题被解开,比如四色问题,费马大定理。也有比如著名的哥德巴赫猜想,至今悬而未决。天知道,这些理论和思路是不是在将来会给某个物理或者化学理论开道,打造出一片全新的天地来。

    EPR出台的时候,薛定谔大为高兴,称赞爱因斯坦“抓住了量子论的小辫子。”受此启发,他在1935年也发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik),文中的口气非常讽刺。总而言之,是和哥本哈根派誓不两立的了。
    在论文的第5节,薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验。好,哥本哈根派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加,是吧?比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才随机选择一种状态而出现。
    好得很,那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激发一连串连锁反应,最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶,而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了,那么毒气瓶就被打破,猫就被毒死。要是原子没有衰变,那么猫就好好地活着。
    自然的推论:当它们都被锁在箱子里时,因为我们没有观察,所以那个原子处在衰变/不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们打开箱子察看,事情才最终定论:要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了,要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是,当我们没有打开箱子之前,这只猫处在什么状态?似乎唯一的可能就是,它和我们的原子一样处在叠加态,这只猫当时陷于一种死/活的混合。
    现在就不光光是原子是否幽灵的问题了,现在猫也变成了幽灵。一只猫同时又是死的又是活的?它处在不死不活的叠加态?这未免和常识太过冲突,同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫,那么要是它能说话,它会不会描述那种死/活叠加的奇异感受?恐怕不太可能。
    薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界,现在量子的奇特性质牵涉到我们的日常生活了,牵涉到我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题。这个实验虽然简单,却比EPR要辛辣许多,这一次扎得哥本哈根派够疼的。他们不得不退一步以咽下这杯苦酒:是的,当我们没有观察的时候,那只猫的确是又死又活的。
    不仅仅是猫,一切的一切,当我们不去观察的时候,都是处在不确定的叠加状态的,因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子组成,所以一切都不能免俗。量子派后来有一个被哄传得很广的论调说:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。这稍稍偏离了本意,准确来说,因为月亮也是由不确定的粒子组成的,所以如果我们转过头不去看月亮,那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎,月亮的边缘开始显得模糊而不确定,它逐渐“融化”,变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长很长时间的,不过问题的实质是:要是不观察月亮,它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时,一个确定的,客观的月亮是不存在的。但只要一回头,一轮明月便又高悬空中,似乎什么事也没发生过一样。
    不能不承认,这听起来很有强烈的主观唯心论的味道。虽然它其实和我们通常理解的那种哲学理论有一定区别,不过讲到这里,许多人大概都会自然而然地想起贝克莱(George Berkeley)主教的那句名言:“存在就是被感知”(拉丁文:Esse Est Percipi)。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量”,那就和哥本哈根派的意思差不离了。贝克莱在哲学史上的地位无疑是重要的,但人们通常乐于批判他,我们的哥本哈根派是否比他走得更远呢?好歹贝克莱还认为事物是连续客观地存在的,因为总有“上帝”在不停地看着一切。而量子论?“陛下,我不需要上帝这个假设”。
    与贝克莱互相辉映的东方代表大概要算王阳明。他在《传习录•下》中也说过一句有名的话:“你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来......”如果王阳明懂量子论,他多半会说:“你未观测此花时,此花并未实在地存在,按波函数而归于寂;你来观测此花时,则此花波函数发生坍缩,它的颜色一时变成明白的实在......”测量即是理,测量外无理。
    当然,我们无意把这篇史话变成纯粹的乏味的哲学探讨,经验往往表明,这类空洞的议论最终会变成毫无意义,让人昏昏欲睡的鸡肋文字。我们还是回到具体的问题上来,当我们不去观察箱子内的情况的时候,那只猫真的“又是活的又是死的”?
    这的确是一个让人尴尬和难以想象的问题。霍金曾说过:“当我听说薛定谔的猫的时候,我就跑去拿枪。”薛定谔本人在论文里把它描述成一个“恶魔般的装置”(diabolische,英文diabolical,玩Diablo的人大概能更好地理解它的意思)。我们已经见识到了量子论那种种令人惊异甚至瞠目结舌的古怪性质,但那只是在我们根本不熟悉也没有太大兴趣了解的微观世界而已,可现在它突然要开始影响我们周围的一切了?一个人或许能接受电子处在叠加状态的事实,但一旦谈论起宏观的事物比如我们的猫也处在某种“叠加”状态,任谁都要感到一点畏首畏尾。不过,对于这个问题,我们现在已经知道许多,特别是近十年来有着许多杰出的实验来证实它的一些奇特的性质。但我们还是按着我们史话的步伐,一步步地来探究这个饶有趣味的话题,还是从哥本哈根解释说起吧。
    猫处于死/活的叠加态?人们无法接受这一点,最关键的地方就在于:经验告诉我们这种奇异的二重状态似乎是不太可能被一个宏观的生物,比如猫或者我们自己,所感受到的。还是那句话:如果猫能说话,它会描述这种二象性的感觉吗?如果它侥幸幸存,它会不会说:“是的,我当时变成了一缕概率波,我感到自己弥漫在空间里,一半已经死去了,而另一半还活着。这真是令人飘飘然的感觉,你也来试试看?”这恐怕没人相信。
    好,我们退一步,猫不会说话,那么我们把一个会说话的人放入箱子里面去。当然,这听起来有点残忍,似乎是纳粹的毒气集中营,不过我们只是在想象中进行而已。这个人如果能生还,他会那样说吗?显然不会,他肯定无比坚定地宣称,自己从头到尾都活得好好的,根本没有什么半生半死的状态出现。可是,这次不同了,因为他自己已经是一个观察者了啊!他在箱子里不断观察自己的状态,从而不停地触动自己的波函数坍缩,我们把一个观测者放进了箱子里!
    可是,奇怪,为什么我们对猫就不能这样说呢?猫也在不停观察着自己啊。猫和人有什么不同呢?难道区别就在于一个可以出来愤怒地反驳量子论的论调,一个只能“喵喵”叫吗?令我们吃惊的是,这的确可能是至关重要的分别!人可以感觉到自己的存活,而猫不能,换句话说,人有能力“测量”自己活着与否,而猫不能!人有一样猫所没有的东西,那就是“意识”!因此,人能够测量自己的波函数使其坍缩,而猫无能为力,只能停留在死/活叠加任其发展的波函数中。
    意识!这个字眼出现在物理学中真是难以想象。如果它还出自一位诺贝尔物理学奖得主之口,是不是令人晕眩不已?难道,这世界真的已经改变了么?
    半死半活的“薛定谔的猫”是科学史上著名的怪异形象之一,和它同列名人堂的也许还有芝诺的那只永远追不上的乌龟,拉普拉斯的那位无所不知从而预言一切的老智者,麦克斯韦的那个机智地控制出入口,以致快慢分子逐渐分离,系统熵为之倒流的妖精,被相对论搞得头昏脑涨,分不清谁是哥哥谁是弟弟的那对双生子,等等等等。薛定谔的猫在大众中也十分受欢迎,常常出现在剧本,漫画和音乐中,虽然比不上同胞Garfield或者Tom,也算是有点人气。有意思的是,它常常和“巴甫洛夫的狗”作为搭档一唱一和出现。它最长脸的一次大概是被“恐惧之泪”(Tears for Fears),这个在80年代红极一时的乐队作为一首歌的标题演唱,虽然歌词是“薛定谔的猫死在了这个世界”。

    1979年是爱因斯坦诞辰100周年,在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在会上,爱因斯坦的同事,也是玻尔的密切合作者之一约翰·惠勒(John Wheeler)提出了一个相当令人吃惊的构想,也就是所谓的“延迟实验”(delayed choice experiment)。在前面的章节里,我们已经对电子的双缝干涉非常熟悉了,根据哥本哈根解释,当我们不去探究电子到底通过了哪条缝,它就同时通过双缝而产生干涉,反之,它就确实地通过一条缝而顺便消灭干涉图纹。惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出,我们可以“延迟”电子的这一决定,使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后,再来选择究竟是通过了一条缝还是两条!
    这个实验的基本思路是,用涂着半镀银的反射镜来代替双缝。一个光子有一半可能通过反射镜,一半可能被反射,这是一个量子随机过程,跟它选择双缝还是单缝本质上是一样的。把反射镜和光子入射途径摆成45度角,那么它一半可能直飞,另一半可能被反射成90度角。但是,我们可以通过另外的全反射镜,把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观察光子飞来的方向,我们可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。
    但是,我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜,这又会造成光子的自我干涉。如果我们仔细安排位相,我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消,而在一个确定的方向输出。这样的话我们每次都得到一个确定的结果(就像每次都得到一个特定的干涉条纹一样),根据量子派的说法,此时光子必定同时沿着两条途径而来!
    总而言之,如果我们不在终点处插入半反射镜,光子就沿着某一条道路而来,反之它就同时经过两条道路。现在的问题是,是不是要在终点处插入反射镜,这可以在光子实际通过了第一块反射镜,已经快要到达终点时才决定。我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生!如果说我们是这出好戏的导演的话,那么我们的光子在其中究竟扮演了什么角色,这可以等电影拍完以后再由我们决定!
    虽然听上去古怪,但这却是哥本哈根派的一个正统推论!惠勒后来引玻尔的话说,“任何一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”,我们是在光子上路之前还是途中来做出决定,这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。更精确地说,光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里,是个什么,是一个无意义的问题,我们没有权利去谈论它,它不是一个“客观真实”!惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点,龙的头和尾巴(输入输出)都是确定的清晰的,但它的身体(路径)却是一团迷雾,没有人可以说清。
    在惠勒的构想提出5年后,马里兰大学的卡洛尔·阿雷(Carroll O Alley)和其同事当真做了一个延迟实验,其结果真的证明,我们何时选择光子的“模式”,这对于实验结果是无影响的(和玻尔预言的一样,和爱因斯坦的相反!),与此同时慕尼黑大学的一个小组也作出了类似的结果。
    这样稀奇古怪的事情说明了什么呢?
    这说明,宇宙的历史,可以在它实际发生后才被决定究竟是怎样发生的!在薛定谔的猫实验里,如果我们也能设计某种延迟实验,我们就能在实验结束后再来决定猫是死是活!比如说,原子在1点钟要么衰变毒死猫,要么就断开装置使猫存活。但如果有某个延迟装置能够让我们在2点钟来“延迟决定”原子衰变与否,我们就可以在2点钟这个“未来”去实际决定猫在1点钟的死活!
    这样一来,宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙的行为在道理上讲已经演化了几百亿年,但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观察才成为确定。我们的观测行为本身参予了宇宙的创造过程!这就是所谓的“参予性宇宙”模型(The Participatory Universe)。宇宙本身没有一个确定的答案,而其中的生物参予了这个谜题答案的构建本身!
    这实际上是某种增强版的“人择原理”(anthropic principle)。人择原理是说,我们存在这个事实本身,决定了宇宙的某些性质为什么是这样的而不是那样的。也就是说,我们讨论所有问题的前提是:事实上已经存在了一些像我们这样的智能生物来讨论这些问题。我们回忆一下笛卡儿的“第一原理”:不管我怀疑什么也好,有一点我是不能怀疑的,那就是“我在怀疑”本身。“我思故我在”!类似的原则也适用于人择原理:不管这个宇宙有什么样的性质也好,它必须要使得智能生物可能存在于其中,不然就没有人来问“宇宙为什么是这样的?”这个问题了。随便什么问题也好,你首先得保证有一个“人”来问问题,不然就没有意义了。
    举个例子,目前宇宙似乎是在以一个“恰到好处”的速度在膨胀。只要它膨胀得稍稍快一点,当初的物质就会四散飞开,而无法凝聚成星系和行星。反过来,如果稍微慢一点点,引力就会把所有的物质都吸到一起,变成一团具有惊人的密度和温度的大杂烩。而我们正好处在一个“临界速度”上,这才使得宇宙中的各种复杂结构和生命的诞生成为可能。这个速度要准确到什么程度呢?大约是1055分之一,这是什么概念?你从宇宙的一端瞄准并打中在另一端的一只苍蝇(相隔300亿光年),所需准确性也不过1030分之一。类似的惊人准确的宇宙常数,我们还可以举出几十个。
    我们问:为什么宇宙以这样一个速度膨胀?人择原理的回答是:宇宙必须以这样一个速度膨胀,不然就没有“你”来问这个问题了。因为只有以这样一个速度膨胀,生命和智慧才可能诞生,从而使问题的提出成为可能!显然不会有人问:“为什么宇宙以1米/秒的速度膨胀?”因为以这个速度膨胀的宇宙是一团火球,不会有人在那里存在。
    参予性宇宙是增强的人择原理,它不仅表明我们的存在影响了宇宙的性质,更甚,我们的存在创造了宇宙和它的历史本身!可以想象这样一种情形:各种宇宙常数首先是一个不确定的叠加,只有被观测者观察后才变成确定。但这样一来它们又必须保持在某些精确的范围内,以便创造一个好的环境,令观测者有可能在宇宙中存在并观察它们!这似乎是一个逻辑循环:我们选择了宇宙,宇宙又创造了我们。这件怪事叫做“自指”或者“自激活”(self-exciting),意识的存在反过来又创造了它自身的过去!

    但量子计算机实现的可能使得所有的这些算法在瞬间人人自危。量子计算机的并行机制使得它可以同时处理多个计算,这使得大数不再成为障碍!1994年,贝尔实验室的彼得·肖(Peter Shor)创造了一种利用量子计算机的算法,可以有效地分解大数(复杂性符合多项式!)。比如我们要分解一个250位的数字,如果用传统计算机的话,就算我们利用最有效的算法,把全世界所有的计算机都联网到一起联合工作,也要花上几百万年的漫长时间。但如果用量子计算机的话,只需几分钟!一台量子计算机在分解250位数的时候,同时处理了10^500个不同的计算!

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        本文标题:《上帝掷骰子吗—量子物理史话》读书笔记

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