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量子英雄传-EPR论文 精选

已有 7063 次阅读 2020-5-20 05:59 |个人分类:系列科普|系统分类:科普集锦

16.  爱氏使出EPR杀手锏

        玻尔反击经典哲学观

 

第五和第六次索尔维会议,分别成为了玻爱之争第一第二回合的两个战场。1933年,正值纳粹上台、战火纷纷的年代,尽管第七次索尔维会议按时在布鲁塞尔召开,但爱因斯坦和普朗克都未能参加。爱因斯坦因其犹太人身份被赶出了欧洲,当时正逢他辗转迂回忙于走访美国之际。普朗克那年已经74岁,作为一个德国人,对国家无条件忠诚的传统意识,经常冲击着这位正直科学家的良心。因此,经典保守派中只剩下战斗力不强的德布罗依和薛定谔出席了会议,双龙无首两人都不想发言,这令玻尔大大松了一口气。而出席会议的其他人员中,除了居里夫人、朗之万、卢瑟福等不感兴趣两派之争的老将外,多是当初热衷量子力学的年轻人马:海森堡、泡利、狄拉克、费米、克拉默斯等,如今好几位都升级坐到了第一排。因此,会议上哥本哈根派唱独角戏,似乎看起来量子论已经根基牢靠,论战尘埃落定。




·爱因斯坦在普林斯顿

其实不然,爱因斯坦身在曹营心在汉,即使是漂泊到了异国他乡,即使是妻子身染重病,但他依旧在苦苦思索量子力学的问题。

爱因斯坦最得意的是他的两个相对论,最令他头疼脑热又牵肠挂肚的,却是这个量子力学。如何诠释量子力学?这是他一个难治的心病。

1933年底,爱因斯坦成为普林斯顿高等研究院的常驻教授,他给自己招了两名助手。

16-1:EPR三位作者

鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky1896年-1966年)是一名生于俄国的犹太人,于1911年移民美国。1928年,波多尔斯基从加州理工学院获得博士学位之后,于1930年至1933年回到苏联,曾在乌克兰物理技术研究所担任理论物理主任。

纳森·罗森(Nathan Rosen,1909年-1995年)是出生於紐約布魯克林的犹太人,就读于MIT,开始学习电机工程,之后转行物理获得博士学位。(罗森的妻子汉娜是一位出色的钢琴家,曾用钢琴为爱因斯坦的小提琴演奏伴奏。)

有一次,在下午三点钟的传统茶会中,罗森向爱因斯坦提到了他1931年做过的一个关于氢分子基态的工作,其中涉及到与两个粒子相关的波函数。爱因斯坦立即得到启发,想到了他与玻尔的长期分歧,意识到可以由此设计一个思想实验,反映凸显出量子力学理论不完备的问题。当他们俩讨论问题时,波多尔斯基加入了对话,后来提议写一篇文章,爱因斯坦默许了。出于语言的原因,提交给《物理评论》的论文由波多尔斯基执笔,后来人们将其称为EPR论文,EPR是3位作者名字的第一个字母。

爱因斯坦起初对波多尔斯基的能力非常欣赏。但对他所写的EPR论文却不是十分满意,认为“不是我最初想要的那样”,但同意出版。后来,波多尔斯基同时在《纽约时报》发表了一篇有关EPR论文的预告,以某种方式暗示作者们发现了量子力学的瑕疵。爱因斯坦为此很生气,认为波多尔斯基过于夸大,他提出声明:“我的一贯做法是仅在适当的论坛上讨论科学问题,我不赞成在世俗媒体中提前发布有关此类问题的任何公告。”,此后,爱因斯坦不再与波多尔斯基说话。

还有一段无关主题的后话:波多尔斯基40年代(1943年)成为苏联间谍,向克格勃提供了原子弹爆炸的部分机密。克格勃想使用他来得到“曼哈顿计划”中有关原子弹的技术和实验数据,而波多尔斯基对曼哈顿项目不感兴趣,只是想借机返回俄罗斯成为一名领先的苏联理论物理学家。因此,他们缺乏共识而导致分歧并使得这种关系很快就结束了。

·EPR论文

爱因斯坦并不是一个头脑僵化的老顽固,实际上,他不停地在修正他对量子力学的看法。即使是对于他最难以接受的概率诠释,爱因斯坦的看法也有所改变。还在1931年,爱因斯坦就已经承认,当应用于多个粒子构成的统计系综时,概率诠释是正确的。但是他无论如何也不同意对单个粒子行为的概率描述。

与玻尔有过前两次交锋之后,爱因斯坦不得不承认量子力学在逻辑上是自洽的,从玻尔反击的论点中,挑不出很多毛病。爱因斯坦也不得不承认量子力学是正确的,因为判定一个物理理论正确与否是看它与实验符合的程度。量子力学得到了精确的实验验证,足以说明其正确性。

但爱因斯坦总觉得量子力学有什么地方不对劲,特别是那个不确定性原理!换句话说,爱因斯坦认为:量子力学是正确的、或许也是逻辑自洽的,但是并不完备。

爱因斯坦等3人的文章(EPR)便是要指出量子力学的不完备性,所以,文章的标题是:《描述物理实在的量子力学是完备的吗?》。

要证明量子力学不完备,首先需要解释“完备性”(completeness)。EPR文章的作者认为,一个完备的物理理论必须满足一个必要条件:“物理实在的每个元素都必须在理论中有它的对应物。”

这儿又产生了问题:什么是“物理实在”(或客观实在)?

于是,三个作者又给出客观实在的判断标准:如果在(不扰动系统的合理前提)下,可以准确地预测某个物理量,这个物理量就应该在完备的理论中有它的(能被准确预测)的对应物。

不扰动系统的合理前提,实际上就是爱因斯坦等人经常强调的局域实在性。

三个作者的EPR论文中,提到一个思想实验,之后被薛定谔命名为“量子纠缠”,这个现象与“局域实在性”有关,被爱因斯坦形容为“鬼魅般的超距作用”。

·量子纠缠

就量子力学的观点而言,薛定谔是爱因斯坦最忠实的信徒。1934年,薛定谔曾经到普林斯顿大学讲学,之后校方希望聘请他,但薛定谔拒绝了,回到了奥地利。EPR悖论一文发表后,和薛定谔经常书信往来的爱因斯坦,在1935年8月的信中提及了一个火药处于爆炸与不爆炸“叠加态”的“经典案例”,后来被薛定谔发展完善后用“死活”状态叠加的“猫”来描述,此即著名的“薛定谔猫”,见本系列文章第8节。

薛定谔猫的例子,用以比喻量子力学中对单个粒子“叠加态”的概率解释,亦即在测量之前,微观粒子的状态是不确定的,可能的本征态以一定的概率叠加起来。

如果考虑不止一个粒子的系统,则除了本征态叠加之外,粒子和粒子之间还有互相关联,量子纠缠便用来表述这种关联。

16-2:两个粒子的量子纠缠

如图16-2所示,量子纠缠中,描述了一个不稳定的大粒子衰变成两个小粒子(A和B)的情况。大粒子分裂成两个同样的小粒子。小粒子获得了动能,分别向相反的两个方向飞出去,A和B的位置和动量都保持等值反号。也就是说,两个构成量子纠缠态的粒子A和B,将会相距越来越远,越来越远……。但根据守恒定律,无论相距多远,只要不与别的“第三者”相互作用,它们的速度(位置)永远相等反向。

然后,观察者Alice和Bob分别在两边对两个粒子进行测量。例如,爱丽丝可以测量粒子A的速度(动量),她知道A的速度后,也就知道了B的速度,Bob无需再测量B的动量,而只需要精确地测量B的位置。这样的话,B在某一时刻的位置和动量就精确地被定义,违背了“不确定性原理”。这就是后人称为的EPR佯谬。

由上所述,位置和动量两者都是客观实在,但量子力学却不能给出它们确定的值,那么便能下结论说:在“局域实在性”的前提下量子力学是不完备的。

·波尔怎么说?

EPR论文在量子力学界掀起一阵风浪,泡利要求海森堡撰写了一篇反驳的草稿但并未发表。因为玻尔已经代表哥本哈根派表态了。对爱因斯坦的第三次挑战,玻尔不敢怠慢,立即放下手中所有其它的工作,认真阅读和思考EPR作者们提出的问题。这时的玻尔已经不比前两个回合那般地手脚无措,他深思熟虑之后,很快就明白了爱因斯坦的症结所在。几个月后,玻尔以同样的标题在《物理评论》发表了文章。玻尔更仔细地阐明了他的“互补性原理”,并以此出发反驳EPR关于物理实在性的描述。

玻尔认为EPR文章中提出的关于物理实在性的判据是站不住脚的。玻尔认为:量子现象是一种整体性的概念,测量手段会影响物理系统的波函数,只有在完成测量以后,物理现象才能称得上是一个现象。EPR文章中描述的A粒子和B粒子的双粒子纠缠态,是一个相互联系的整体,对其中任何一个粒子的测量,必定会扰动原先作为整体的另一个粒子的状态。因此,EPR的论证不能说明量子力学的不完备性。

总之,EPR论证未被玻尔接受,玻尔的反驳也不能令爱因斯坦信服。在EPR的“经典实在观”看来,量子力学是不完备的,而在玻尔的“量子实在观”看来,量子力学是非常完备和自洽的。这次论战将对量子力学的看法上升到哲学的层面,最后只能各自保留不同的观点,因为那是两人的哲学基础完全不同而造成的。哲学观的不同是根深蒂固、难以改变的。爱因斯坦最后被自己提出的量子纠缠所纠缠。即使在之后的二三十年中,玻尔的理论占了上风,量子论如日中天,它的各个分支高速发展,给人类社会带来了伟大的技术革命,爱因斯坦仍然固执地坚持他的经典信念,反对哥本哈根对量子论的诠释。

 

 




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