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量子纠缠背后的故事(卌三):维格纳的朋友 精选

已有 2983 次阅读 2021-4-18 07:43 |个人分类:科学历史|系统分类:科普集锦

1962年,正值不惑之年的库恩(Thomas Kuhn)写作出版了《科学革命的结构》(The Structure of Scientific Revolutions)。因为提出科学思想发展中的“范式转移”(paradigm shift)概念,这本书风靡一时。

库恩是哈佛毕业的理论物理博士,在取得学位后移情别恋,专注于物理学史和科学哲学的研究。那时他已经是伯克利的科学历史教授,在那里创办了一个“量子物理历史档案”(Archive for History of Quantum Physics)项目,带领着一个团队满世界收集早期量子力学的原始资料。爱因斯坦、泡利、薛定谔已经相继作古。他们抓紧时间当面采访德布罗意、玻恩、海森堡、狄拉克等依然在世的人物。当然,还有77岁高龄的玻尔。

那年11月17日,库恩再一次来到哥本哈根的嘉士伯府邸。作为丹麦最杰出的公民,玻尔一家已经在这座豪华公馆中居住了整整30年。在过去的三个星期里,库恩已经来过四次。他估计还要跑好些趟才能完成录制玻尔口述历史的任务。

这天的话题是玻尔与爱因斯坦在索尔维会议期间的争论。面对着库恩带来的录音机,玻尔又一次打开了话匣子。

在回顾了他一战结束时与爱因斯坦第一次见面时的交谈后,玻尔抱怨“与爱因斯坦的那整个过程对我来说非常困难,因为爱因斯坦总是在不断地批评。在我看来,他已经在每一个论点上被证明是完全错误的。可他却接受不了。”(The whole thing with Einstein is so difficult to me because really Einstein had a lot of criticism, and he was shown at every single point, to my mind, that he was entirely wrong. But he did not like it.)他为自己的老朋友深为惋惜,觉得爱因斯坦最后在那篇EPR论文上是完全落入了波多尔斯基的圈套。回顾那个年月,玻尔又说罗森其实更为差劲,因为他至今还相信着那个假想试验。而据玻尔所知,波多尔斯基自己倒已经放弃了。玻尔强调,那EPR论文中的内容实在不可能构成什么问题。

爱因斯坦已经去世七年了。他在玻尔心中依然栩栩如生。每当考虑一个新问题时,玻尔总是不由自主地首先设想爱因斯坦会如何反应。然后,他在脑子里悄悄、平静地与老对手你来我往。

那天晚上,意犹未尽的玻尔在黑板上又画出爱因斯坦32年前在第六届索尔维会议中提出的光子箱,独自对之思忖良久。他还是无法理解爱因斯坦为什么不能接受互补原理,为什么终其一生顽固地质疑着量子力学。

第二天中午,玻尔饭后照例午睡。当妻子玛格丽特听到突然的一声大叫赶进楼上卧室时,她发现丈夫已经心脏病发作撒手人寰。

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1962年,玻尔逝世时留下的黑板一角。右下是爱因斯坦的光子箱。

库恩没能完成他的采访计划。更没有人能够知道玻尔与爱因斯坦是否会在另一个世界中再度重逢,继续他们那延续了几乎半辈子的争论。

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波多尔斯基其实也没有像玻尔以为的那样放弃了他主笔的EPR观点。只是没有了爱因斯坦,他和罗森在物理学界不再能有影响。也是1962年,在俄亥俄州一所学院担任教职的波多尔斯基组织了一次学术会议,讨论量子力学的基础问题。他能邀请到的人很少,但有从以色列前来的罗森。在英国的玻姆依然无法回国,由他的学生、也已经在美国任教的阿哈罗诺夫代表。

比较出乎意料的是狄拉克和他的内兄维格纳一起从普林斯顿赶来,为这个小地方的小聚会带来名人风采。

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1962年,参加在俄亥俄州举行的一次量子力学基础会议的物理学家合影。前排从左到右:维格纳、罗森、狄拉克、波多尔斯基、阿哈罗诺夫。

会议刚开始,他们就讨论起波函数坍缩。有人提出艾弗雷特有一个可以完全避免这个奇葩概念的理论。在座的却没有人了解那个理论,包括曾与艾弗雷特同校的维格纳。于是他们紧急联系上已经离开了物理学界的艾弗雷特。他也爽快地临时乘坐飞机赶来与会。

五年前,艾弗雷特还在导师惠勒压力下大举删节毕业论文时已经联系好了下一步的工作:加入美国军方研究所,应用他最爱的博弈论于战略、战术决策。那时惠勒曾极力鼓动他前往哥本哈根与玻尔等人当面探讨,也许能澄清彼此之间的误解。艾弗雷特未能成行。

1959年3月,已经毕业三年、在职业上得心应手的艾弗雷特借携家人去欧洲旅行的机会来到哥本哈根。玻尔和几个助手一起礼貌地接待了他,进行了一整天毫无结果的辩论。那天晚上,艾弗雷特独自回到旅馆,在吧台上猛抽香烟、狂饮烈酒,脑海里逐渐浮现起一个清晰、崭新的念头。不过,他那时的思路已经与玻尔、惠勒、量子力学不再有任何关系。他发现了一个优化军事资源的新算法。回到美国后,他申请了专利。在为国防事业做出重大贡献的同时,他自己也获利甚丰,成为一个大富翁。

在俄亥俄这个会议上,他的多世界诠释得到与会者认真的讨论,但也仅此而已。

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当物理学界同行来家里拜访时,狄拉克会习惯性地介绍妻子曼琪为“维格纳的妹妹”,仿佛那是一个比“狄拉克夫人”更为合适的头衔。

维格纳出生于1902年的维也纳。在那个世纪之交前后,匈牙利的一些犹太人取得显著的经济、社会地位,养育出一拨出类拔萃的后代。以年龄而论,在维格纳之前有着冯·卡门(Theodore von Karman;在加州理工学院期间是胡宁、钱学森、郭永怀、林家翘等中国留学生的导师)、诺贝尔化学奖获得者德海韦西(George de Hevesy)和著名物理化学家波拉尼(Michael Polanyi),在他之后则跟着有冯·诺伊曼、西拉德和泰勒。有人把这个群体统称为“火星人”。因为匈牙利人无论说什么外语都会带有浓重的口音。天外来客选择这一身份容易蒙混过关:这几个人在成年之际都离开了匈牙利,操着带奇怪口音的外语在各地游荡。

维格纳的父亲是皮革厂业主。虽然不如作为银行家、册封贵族后代的冯·诺伊曼背景显赫,维格纳也是在富足的环境中长大,而且与冯·诺伊曼在同一个贵族中学。两人都酷爱数学,很快结成形影不离的好朋友。不过,维格纳渐渐地意识到这个比他低一年级的伙伴才是真正的数学天才,不禁自愧不如。在务实的父亲坚持下,维格纳放弃数学梦想,选择了更为实用的化学工业。1924年,他在波拉尼的指导下获得了化工博士学位。

学成归家的维格纳协助父亲从事皮革鞣制的工业生产。但他已经心不在焉。在柏林求学期间,他曾频繁参与德国物理学会的活动,亲耳聆听过普朗克、能斯特、爱因斯坦、劳厄、海森堡、泡利在那里指点量子江山。那个激动人心的场面时刻在召唤着他。两年后,他离开了父亲的工厂,回到柏林投身物理研究。又一年后,他来到哥廷根担任索末菲的助手。

维格纳年龄上只比狄拉克小三个月、比约旦小一个月,与新量子力学弄潮儿泡利和海森堡相比也只小了一两年。但他已经错过了那个黄金年月。在哥廷根,他跟着约旦推广刚出现的狄拉克方程,发展量子场论。

冯·诺伊曼那时也在哥廷根大张旗鼓地研究数学(他也同样为父亲获得过化工学位)。他们俩再度携手,共同钻研量子力学背后的数学基础。当冯·诺伊曼在1932年出版那本奠定量子力学根基、证明隐变量理论不可能存在的教科书时,维格纳也硕果累累,出版了自己的《群论和在量子力学原子光谱中的应用》。与大数学家外尔同时,维格纳将属于纯数学工具的群论引进物理学,系统、严谨地描述量子力学中的对称性。他也是在那时首先提出了宇称守恒的对称观念。

1930年,求贤若渴的普林斯顿大学同时招聘了冯·诺伊曼和维格纳,以振兴他们的数学和理论物理实力。这两位后起之秀因而得以逃避欧洲的纳粹和战争。在美国,他们也都全力以赴地投入曼哈顿工程。在以对称性研究原子核结构、反应的同时,维格纳还发挥自己兼备的化工特长主持核反应堆的设计。

战后的1957年,冯·诺伊曼因为癌症在53岁时英年早逝。受这位几十年朋友、同事影响,维格纳一直笃信着量子力学的哥本哈根诠释,虽然他自己从来未曾踏足过玻尔研究所(他自称“从来没接到过邀请”)。冯·诺伊曼的去世也唤起了维格纳对那个诠释中测量问题的兴趣(量子力学“测量问题”(measurement problem)这个术语就是维格纳首先提出的)。与他在普林斯顿曾经的同事玻姆一样,他的立场发生了动摇。

就在与狄拉克一起现身波多尔斯基的会议之前一年,维格纳发表了一篇题为《关于意识与物质问题的想法》(Remarks on the Mind-Body Question;这里的“mind”和“body”都有双关含义)的论文,系统地表述了对量子力学正统思想的质疑。

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在玻尔、冯·诺伊曼的测量理论中,观察者属于宏观世界,使用的是经典物理的仪器。被观察的则是微观的量子世界,它们的行为因观察方式的选择而异。这两者之间存在着一道彼此分离的鸿沟,只是测量的行为会导致被测量系统的波函数坍缩。

薛定谔打破了这个界限。他那个假想试验中箱子里宏观的猫与微观的放射性元素有着相互纠缠着的共同波函数,服从同样的量子规律。但即便如是,作为观察者的人和被观察的箱子也还是完全分离的两个世界。波函数的坍缩正是发生在箱子外的人打开箱子观察的那一瞬间。显然,薛定谔并不认为箱子里的猫——或爱因斯坦的老鼠——有能力造成波函数的坍缩。

维格纳觉得这便把人的意识引进了原本只是研究由物质组成的客观世界的物理学。他设想一个略微不同的情形:他让一位朋友去打开薛定谔的箱子观察,自己却置身事外。过了一段时间后,维格纳可以肯定他的朋友已经打开过箱子,自己却依然不知道猫是死是活。(这类似于球迷观看事先收录的球赛。球赛早已打完有了结局。但只要那球迷还不知道结果,他看球时仍然会有着与看实况转播时同样的悬念。)

那个时候,他朋友面前的箱子里波函数已然坍缩,那猫或者已经死去或者还活着,二者只居其一。但在维格纳的眼里,箱子和他的朋友构成一个量子系统,它们的波函数并未坍缩,仍然处于猫死去、朋友悲伤和猫活着、朋友高兴的叠加态中。

这样,对猫死活这个客观现象,维格纳和他的朋友有着完全不同的认识——他们看到的是两个截然不同的“现实”。而且,如果维格纳事后向朋友求证,朋友会告诉他打开箱子时的情形:曾经悲伤(或者高兴)过,却从来未曾处于悲伤与高兴的叠加态之中。

于是,维格纳对朋友的观察与朋友的实际经历完全不符。

在波函数坍缩这个关键环节,冯·诺伊曼的机制在这里也不再能自圆其说。在这个新版的假想试验中,那个朋友既是观测者也是被(维格纳)观察的对象。他在打开箱子的刹那已经知道猫的死活,也就有了悲伤或高兴的反应。如果他所在的波函数也是在那一刻坍缩,那么当时维格纳还未及观察,坍缩如何能够发生?反过来,如果那个波函数是在之后维格纳与朋友交谈时因为维格纳获得信息(观察)才发生的坍缩,那么如何能够保证这个信息传播是可靠的测量过程?他们两个人对猫死活的反应会完全一致吗?他们之间是否也会出现鸡同鸭讲的误会,或者朋友干脆没有说实话?

在维格纳看来,作为对客观世界描述的量子力学如此依赖于人类的意识和行为,无疑应该是一个大问题。

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玻姆提出他的隐变量理论后曾经期望能在苏联赢得共鸣。他这个粒子有着确定轨迹的理论与他信奉的唯物主义(materialism)相符。在他看来,哥本哈根对量子力学的诠释基于逻辑实证,不符合马克思的教义。在政治挂帅的苏联,量子力学和相对论的确都以其唯心主义(idealism)倾向在遭遇批判,但玻姆却没能得到支持。倒是他的激进左派立场迫使麦卡锡时代的美国物理学家退避三舍,在很大程度上限制了他可能有的影响。

维格纳没有这个负担。在意识形态光谱上,他正好是玻姆的反面。

移民美国时,维格纳和冯·诺伊曼都入境随俗,分别采用了“尤金”、“约翰”这样常见的英语名字。他们也很快成为美国的忠诚爱国者,在曼哈顿计划之后还与泰勒、惠勒等少数物理学家一起研制了氢弹。因为在匈牙利、欧洲的个人经历,维格纳在美国是坚定的右派,或者说那时占主流的保守派。

他同时也是一个异常谦和的教授。物理学界有一个尽人皆知的事实:永远不可能在维格纳身后走过一道门——因为他总会坚决地扶着门留在最后。他是一个“固执地通情达理”(stubbornly reasonable)的人。(也是在维格纳的帮助下,库恩得以让个性最为隐秘的狄拉克第一次敞开心扉,录制了他人生经历的口述历史。)

1963年,维格纳因为“在原子核、基本粒子理论上的贡献,尤其是对基本对称性的发现和应用”赢得诺贝尔奖。他的影响力更上了一层楼。在爱因斯坦和薛定谔逝世后,对量子力学的质疑再一次有了重量级大师的参与,不只是玻姆、艾弗雷特的人微言轻。

然而,维格纳在那篇论文的结尾也曾无可奈何地承认他清楚自己并不是第一个讨论这个问题的人,在他之前的先行者们都已一概被否定或忽视。他也难逃同样的命运,只是依然觉得这个讨论至少会有启发意义,值得再度提起。

其实,他在1961年第一次提出这个后来被称为“维格纳的朋友”设想时并没有采用薛定谔的猫做例子。他只是描述了对量子系统中物理量的测量过程。他那篇文章发表在一本多学科论文集里,其读者中大概没有几个人听说过薛定谔的假想试验。

直到1965年,哈佛著名哲学家普特南(Hilary Putnam)从他物理同事那里听说了薛定谔和他的猫,经过一番思索发表《一个哲学家看量子力学》(A Philosopher Looks at Quantum Mechanics)论文,由此引领哲学家进入了这个旷日持久的物理争议。发行量相当大的普及性杂志《科学美国人》(Scientific American)随即发表评论予以介绍。整整30年后,“薛定谔的猫”终于开始浮出历史的尘封,进入大众的视野。


(待续)




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