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这场旷日持久的争论到底谁赢了? 精选

已有 6627 次阅读 2022-12-29 09:32 |系统分类:科普集锦

         已经退烧了,只是目前还不时咳嗽有痰。手机中各种资讯令人应接不暇:从微信群亲友分享的偏方经验到传染科医生主任娓娓道来的短视频再到生物学家校长怒发冲冠的公众号,关于疫情的曾经、现状、前景究竟谁的判断更靠谱,居然也很成问题。我们所处的时代受过科学训练的知识分子应该具备科学讨论问题的能力,我只是相信,过于主观的臆断或资历上的有色眼镜都并非是正常的科学辩论,大字报式的揭短儿抑或某方沦为网暴的受害者也绝非公众喜闻乐见,我们都应引以为戒。即使将来人们回看今日的纷争是多么不值一提;当然也可能是非同寻常的重要。

   闲话少叙,物理学史上著名的争论有不少,比如十八世纪初牛顿与莱布尼兹曾为微积分的发明权的归属所引发的英国和欧洲大陆科学家之间的持久论战,战火一度从谁发明微积分蔓延到了真空引力与漩涡假说的争论,以及时空的绝对性、机械宇宙乃至宗教神学领域……以及同样来自伟大的牛顿与惠更斯间关于光是粒子还是波动的世纪分歧,这场波粒大战也超越光学的范畴深刻影响物理学的发展和人类认识史。与这些历史著名争论可以相提并论的,甚至有过之而无不及的,当然是发生在二十世纪初叶的爱因斯坦与玻尔间的关于量子力学诠释与哲学的相关争论,这场与波粒大战有着剪不断的历史纠葛并旷日持久绵延至今的争论对当代物理学发展与哲学领域的意义更加非同一般。

   2022年诺贝尔物理奖终于颁给了多年来呼声很高的量子纠缠实验领域。有朋友过于乐观的解读为这是权威的诺奖专业委员会作出了裁决:玻尔赢了,哥本哈根学派胜利,爱因斯坦错了。真是这样吗?先认真读一下阿兰·阿斯派克特(Alain Aspect)约翰·克劳泽(John F. Clauser)安东·塞林格(Anton Zeilinger)三位诺奖得主的获奖词,本次主要表彰他们在“用纠缠光子进行的实验,确证贝尔不等式的违反,并开创量子信息科学” (for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science)方面的贡献,这里当然涉及量子力学发展的重要成果和理论突破—贝尔不等式与贝尔定理,而对背景中玻尔爱因斯坦论战胜利的归属未置评判,这也相当正常,评奖委员会以一贯的谨慎老练顾左右而言他。也许在爱因斯坦玻尔获奖100周年(二人在1922年得知分获1921和1922年度诺贝尔物理奖)的特殊的时刻颁发这个奖有着耐人寻味的意义。

  时间回溯到1927年那次著名的索尔维会议召开之前的一个多月,在意大利的科莫湖畔也有一次颇为重要的会议,这是为纪念意大利著名物理学家伏打逝世100周年举办的物理界的一次盛会,作为哥本哈根学派的领袖玻尔在大会发言中首次提出了他的互补原理(complementarity principle),可惜爱因斯坦受邀而并未参会。玻尔用他所谓浅显的哲学语言阐述了头脑中还算不上十分成熟的思想,大意是量子理论与古典理论截然不同,必须是用互斥互补的概念来描述的,比如“时空协调”与“因果要求”与古典物理的差异。很难说与会者是否理解了玻尔的思想,甚至玻尔在后来的各种不同场合发言中也不断充实修改自己的理论。而爱因斯坦多年后曾这样抱怨:尽管我花了很大的努力,却一直未能获得玻尔互补原理的准确表述。这也为玻爱论战埋下了沟通方面鸡同鸭讲的伏笔。

   待到那年10月,两位在布鲁塞尔初次正面交锋。玻尔带领一群“男孩物理学家”在每天的丰盛餐桌旁讨论爱因斯坦对量子力学发起的各样的挑战,作为擅于运用物理思想模型的大师,爱因斯坦在会议间隙的茶余饭后也总能抛出刁钻的装置来向这群乐观的年轻人出招,当然很多模型都是针对海森堡不确定原理的。当会议上玻尔再次阐述他的互补原理后,爱因斯坦也终于起身发言,借助在黑板上画的一个光子或电子半圆形的传播示意图,爱因斯坦表达了他对量子力学与狭义相对论矛盾的看法,并指出这说明量子力学并不完备,但随即遭到反对者的反驳成为当然的少数派。这个问题后来成为玻爱论战的焦点。而这次会议后哥本哈根诠释基本被学界主流接受,风头正劲。

   三年后的第六届索尔维会议爱因斯坦有备而来,又提出了著名的光子箱实验。许多有关量子发展历史的作品都对其有详尽和戏剧化的描写,最终被玻尔以彼之道还施彼身而巧妙化解,借助爱因斯坦自己广义相对论的推导为能量与时间无法同时准确测定作了生动的注解,令爱因斯坦也哑口无言。这一幕成为玻尔一生引以自豪的荣耀时刻,以至去世前一晚还在黑板上画了一个类似的光子箱草图。两位大师思想中的玩具模型也成为物理学史上又一经典装置被后人不断重温与传颂。这里还要强调,二人的私人关系没有因激烈讨论而变的龃龉,相反他们始终视对方为终身的对手和朋友,尽管始终没有说服对方。爱因斯坦就这种争论曾感慨道:人们只会同他的兄弟或亲密的朋友发生真正的争吵。玻尔在老朋友去世后时常反问自己,如果爱因斯坦在世,会如何评论眼前的问题。

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          之后,爱因斯坦基本不再对不确定原理发起诘难,也承认量子力学是自洽的,但他的矛头仍然对准量子力学的完备性。1935年已经身在美国普林斯顿高等研究院的爱因斯坦和他两位名不见经传的年轻同事波多尔斯基和罗森合作发表了一篇论文《可以认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》,以三人名字首字母命名的EPR论文在明确什么是物理实在假设后,主要的质疑在于量子力学对于物理实在的描述并不完备。文中仍旧通过思想实验着力阐释所谓局域实在论与量子力学完备性之间的矛盾,因此后来被称为EPR悖论或EPR佯谬。同年玻尔立即以同样的论文题目在同一期刊做出回应,仍然强调测量与实在的关系,并否认有一个脱离测量的客观实在存在,更多是从哲学层面来为量子力学辩护。二人的争论通过媒体的宣传而逐渐尖锐起来,其实对于物理实在到底是什么这个重要的前提的理解,在当时看起来也只能从各自的哲学观点来争论,自然不会有一致的结果。作为爱因斯坦为数不多的支持者,薛定谔也在1935年发表了与EPR相关的论文,其中一篇就提出了与爱因斯坦通信交流中获得灵感而创造的著名的思想实验——“薛定谔猫”并首次对量子波函数的特质使用了“纠缠”(verschränkung /entanglement)一词。

  直至1952年,刚写完一部颇受好评的量子力学教材的玻姆在与爱因斯坦的会面后灵感乍现,提出了新的隐变量理论--存在一个由波函数决定的“量子势”,处处引导着粒子的非经典运动。这与1927年德布罗意曾在索尔维会议上提出后又放弃的“导航波理论”颇为相似。不甚严格的说,隐变量理论的核心是为消除不确定性而假设存在还未被发现的某些可能存在于亚量子层级中的隐藏参量,可以认为是量子力学不完备的一种具体表现。常被后人误解的是爱因斯坦无疑应该是隐变量的拥趸,但事实正相反,爱因斯坦在与友人的通信中曾直言不相信这种理论能站得住脚……显然,他未完成的统一场理论也许才是雄心所向。另外请注意,爱因斯坦对隐变量理论的表态对我们判断玻爱论战的胜负相当关键。

  当来自英国北爱尔兰的贝尔(John Stewart Bell)在五十年代受到玻姆理论的启发,对这个问题产生了浓厚的兴趣。其实,早在三十年代初冯诺依曼就曾严格从数学统计方面给出量子力学隐变量不存在的证明。贝尔在重新审视中惊讶的发现其中存在一条有逻辑问题的假设,凭着自己的兴趣与执着在粒子加速领域的工作之余不懈思考,在1964年发表《论爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论》论文,给出了后来大名鼎鼎的贝尔不等式和贝尔定理的相关推导。这个不等式为局域隐变量理论划定了一个约束关系,而量子理论在某些情况下会违背这个关系。打个比方,就像两个狡猾的事先做了串供约定的嫌犯和两个真的可以随时有心灵感应(假设)的嫌犯在缜密机智的警官为他们特意准备的一系列问题问讯下,必然会表现出某些差异一样……限于篇幅,这里就不展开说了。回到EPR原论文中曾构造的思想实验:当有着共同波函数的量子系统比如两个电子彼此分隔万里之遥,对其中一个的位置或动量的观测会导致另一个相应的物理量也瞬间确定下来。这就是曾被爱因斯坦称为“鬼魅般超距作用”的量子纠缠。EPR论文是用这个思想实验来说明量子理论违背了局域性的因果联系,一定有某种深层原因导致这种关联,因此归结为量子理论的不完备。当然,贝尔在玻姆的影响下把EPR论文解释为爱因斯坦对局域隐变量的支持很可能只是他的一厢情愿,这也是常常被人误解而需要指出的。尽管如此,贝尔不等式的意义的确非同寻常,它把关于量子力学含混的哲学层面的争论转化成了有可能通过可操作的实验来检验的科学问题,所以也被人称为“意义最深远的科学发现“ 。可惜的是贝尔在有生之年没有等到斯德哥尔摩抛来的橄榄枝——那个名不虚传的No Bell 的prize。

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  这之后,就是本年度三位获奖者登场了。贝尔不等式被克劳泽等人发展为CHSH不等式,并于1972年进行首次量子纠缠的验证实验……1982年阿斯派克特和1998年的塞林格等人通过他们不断创新和改进的系列实验,不断以更高的置信度确证了纠缠的光子对贝尔不等式的违背,并随着实验漏洞的逐一消除,基本上否定了局域隐变量的可能性,虽然仍有某些漏洞还有待严格的关闭。更重要的是,通过这些实验开创了量子信息科学,量子纠缠早已从空想的理想实验走向应用领域,催生了朝气蓬勃的第二次量子技术革命。关于本次诺奖有不少相关解读文章,这里就不赘言了。

  现在回到我们的问题,这场旷日持久的玻爱论战到底谁赢了?如果说玻尔所信仰的互补原理为我们划定了量子世界所能言说的全部,也许是对的;抑或爱因斯坦所执著的物理实在可能存在着更基本更统一的原理,也许是徒劳的……愚以为现在作出一锤定音的判断仍然为时尚早,一位法国伦理学家说得不错:争论一个问题而没有解决,要比解决一个问题而没有争论要好。在两位科学巨匠的争论声中物理基础理论得以被一代又一代物理学家不断审视并发展,推动了人类的科学、技术与社会的不断进步,这应该才是真正的赢家。




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