紙上談兵——玻愛爭論第三回合 | 量子群英傳

人老顛東 2020-05-16

展開全文

第七次索爾維會議合影，你還能認出來哪些大牛？

撰文 | 張?zhí)烊?/strong>

責編 | 寧茜呂浩然

第五次和第六次索爾維會議，分別成為了“玻愛之爭”第一第二回合的兩個戰(zhàn)場。1933年，正值納粹上臺、戰(zhàn)火紛紛的年代，盡管第七次索爾維會議按時在布魯塞爾召開，但愛因斯坦和普朗克都未能參加。愛因斯坦因其猶太人身份被趕出了歐洲，當時正逢他輾轉迂回、忙于走訪美國之際。普朗克那年已經74歲，作為一個德國人，對國家無條件忠誠的傳統(tǒng)意識，經常沖擊著這位正直科學家的良心。因此，經典保守派中只剩下戰(zhàn)斗力不強的德布羅意（Louis Victor·Duc de Broglie，1892-1987）和薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887-1961）出席了會議。

雙龍無首的兩人都不想發(fā)言，這令玻爾大大松了一口氣。而出席會議的其他人員中，除了居里夫人、朗之萬、盧瑟福等對兩派之爭不感興趣的老將外，多是當初熱衷量子力學的年輕人馬：海森堡、泡利、狄拉克、費米、克拉默斯等，如今好幾位都“升級”坐到了第一排。因此，會議上哥本哈根派唱獨角戲，看起來量子論已經根基牢靠，論戰(zhàn)塵埃落定。

愛因斯坦在普林斯頓

其實不然，愛因斯坦身在曹營心在漢，即使是漂泊到了異國他鄉(xiāng)，妻子又身染重病，他依舊在苦苦思索量子力學的問題。

愛因斯坦最得意的是他的兩個相對論，最令他頭疼又牽腸掛肚的，卻是這個量子力學。如何詮釋量子力學？這是他一個難治的心病。

1933年底，愛因斯坦成為普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study）的常駐教授，他給自己招了兩名助手。

圖16-1：EPR的三位作者

鮑里斯·波多爾斯基（Boris Podolsky，1896-1966）是一名生于俄國的猶太人，于1911年移民美國。1928年，波多爾斯基從加州理工學院獲得博士學位之后，于1930年至1933年回到蘇聯(lián)，曾在烏克蘭物理技術研究所擔任理論物理主任。

納森·羅森（Nathan Rosen，1909-1995）是出生于紐約布魯克林的猶太人，就讀于MIT（麻省理工學院），一開始學習的是電機工程學，之后轉行物理學并獲得博士學位。（羅森的妻子漢娜是一位出色的鋼琴家，曾用鋼琴為愛因斯坦的小提琴演奏伴奏。）

有一次，在下午三點鐘的傳統(tǒng)茶會中，羅森向愛因斯坦提到了他1931年做過的一個關于氫分子基態(tài)的工作，其中涉及到與兩個粒子相關的波函數(shù)。愛因斯坦立即得到啟發(fā)，想到了他與玻爾的長期分歧，意識到可以由此設計一個思想實驗，反映出量子力學理論不完備的問題。當他們倆討論問題時，波多爾斯基加入了對話，他后來提議寫一篇文章，愛因斯坦默許了。出于語言的原因，提交給《物理評論》的論文由波多爾斯基執(zhí)筆，后來人們將其稱為EPR論文（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），EPR是三位作者名字的第一個字母。

愛因斯坦起初對波多爾斯基的能力非常欣賞，但對他所寫的EPR論文卻不是十分滿意，雖然同意出版，但認為“不是我最初想要的那樣”。后來，波多爾斯基同時在《紐約時報》發(fā)表了一篇有關EPR論文的預告，以某種方式暗示作者們發(fā)現(xiàn)了量子力學的瑕疵。愛因斯坦為此很生氣，認為波多爾斯基過于夸大，他提出聲明：“我的一貫做法是僅在適當?shù)恼搲嫌懻摽茖W問題，我不贊成在世俗媒體中提前發(fā)布有關此類問題的任何公告?！贝撕?，愛因斯坦不再與波多爾斯基說話。

還有一段無關主題的后話：波多爾斯基40年代（1943年）成為蘇聯(lián)間諜，向克格勃（蘇聯(lián)國家安全委員會，The Committee of State Security）提供了原子彈爆炸的部分機密?？烁癫胧褂盟麃淼玫健奥D計劃”（Manhattan Project）中有關原子彈的技術和實驗數(shù)據(jù)，而波多爾斯基對曼哈頓項目不感興趣，只是想借機返回俄羅斯，成為一名領先的蘇聯(lián)理論物理學家。因此，他們缺乏共識而導致分歧，并使得這種關系很快就結束了。

EPR論文

實際上，愛因斯坦并不是一個頭腦僵化的老頑固，他不停地在修正對量子力學的看法。即使是對于他最難以接受的概率詮釋，愛因斯坦的看法也有所改變。還在1931年，愛因斯坦就已經承認，當應用于多個粒子構成的統(tǒng)計系綜時，概率詮釋是正確的。但是他無論如何也不同意對單個粒子行為的概率描述。

與玻爾有過前兩次交鋒之后，愛因斯坦不得不承認量子力學在邏輯上是自洽的，從玻爾反擊的論點中，挑不出很多毛病。判定一個物理理論正確與否是看它與實驗符合的程度，量子力學得到了精確的實驗驗證，足以說明其正確性。這使愛因斯坦也不得不承認量子力學是正確的。

但愛因斯坦總覺得量子力學有什么地方不對勁，特別是那個不確定性原理。換句話說，愛因斯坦認為：量子力學是正確的，或許也是邏輯自洽的，但是并不完備。

愛因斯坦等3人的文章（EPR）便是要指出量子力學的不完備性。所以文章的標題是：《描述物理實在的量子力學是完備的嗎？》（《Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality be Considered Complete?》）。

要證明量子力學不完備，首先需要解釋“完備性”（completeness）。EPR文章的作者認為，一個完備的物理理論必須滿足一個必要條件：“物理實在（客觀實在）的每個元素都必須在理論中有它的對應物?！?/span>

這兒又產生了問題：什么是“物理實在（客觀實在）”？

于是，三位作者又給出客觀實在的判斷標準：如果在不擾動系統(tǒng)的合理前提下，可以準確地預測某個物理量，這個物理量就應該在完備的理論中，有它能被準確預測的對應物。

不擾動系統(tǒng)的合理前提，實際上就是愛因斯坦等人經常強調的局域實在性。

EPR論文中，提到一個思想實驗，之后被薛定諤命名為“量子糾纏”（quantum entanglement），這個現(xiàn)象與“局域實在性”有關，被愛因斯坦形容為“鬼魅般的超距作用”。

量子糾纏

就量子力學的觀點而言，薛定諤是愛因斯坦最忠實的信徒。1934年，薛定諤曾經到普林斯頓大學講學，校方希望聘請他，但薛定諤拒絕了并回到奧地利。EPR悖論一文發(fā)表后，和薛定諤經常書信往來的愛因斯坦，在1935年8月的信中提及了一個火藥處于爆炸與不爆炸“疊加態(tài)”的“經典案例”，后來被薛定諤發(fā)展完善后用“死活”狀態(tài)疊加的“貓”來描述，此即著名的“薛定諤的貓”（Erwin Schr?dinger's Cat）。

薛定諤的貓，用來比喻量子力學中對單個粒子“疊加態(tài)”的概率解釋，即在測量之前，微觀粒子的狀態(tài)是不確定的，可能的本征態(tài)以一定的概率疊加起來。

如果考慮不止一個粒子的系統(tǒng)，則除了本征態(tài)疊加之外，粒子和粒子之間還有互相關聯(lián)，量子糾纏便用來表述這種關聯(lián)。

圖16-2：兩個粒子的量子糾纏

如圖16-2所示，量子糾纏中，描述了一個不穩(wěn)定的大粒子衰變成兩個小粒子（A和B）的情況。大粒子分裂成兩個同樣的小粒子。小粒子獲得了動能，分別向相反的兩個方向飛出去，A和B的位置和動量都保持等值反號。也就是說，兩個構成量子糾纏態(tài)的粒子A和B，將會相距越來越遠。但根據(jù)守恒定律，無論相距多遠，只要不與 “第三者”相互作用，它們的速度和位置永遠相等反向。

然后，觀察者Alice和Bob分別在兩邊對兩個粒子進行測量。例如，Alice可以測量粒子A的速度（動量），她知道A的速度后，也就知道了B的速度，Bob無需再測量B的動量，而只需要精確地測量B的位置。這樣的話，B在某一時刻的位置和動量就精確地被定義，違背了“不確定性原理”。這就是后人稱為的EPR佯謬。

由上所述，位置和動量兩者都是客觀實在，但量子力學卻不能給出它們確定的值，那么便能下結論說：在“局域實在性”的前提下量子力學是不完備的。

玻爾怎么說？

EPR論文在量子力學界掀起一陣風浪，泡利要求海森堡撰寫了一篇反駁的草稿但并未發(fā)表。因為玻爾已經代表哥本哈根派表態(tài)了。對愛因斯坦的第三次挑戰(zhàn)，玻爾不敢怠慢，立即放下手中所有其它的工作，認真閱讀和思考EPR作者們提出的問題。這時的玻爾已經不比前兩個回合那般地手腳無措，他深思熟慮之后，很快就明白了愛因斯坦的癥結所在。幾個月后，玻爾以同樣的標題在《物理評論》上發(fā)表了文章。玻爾更仔細地闡明了他的“互補性原理”，并以此出發(fā)反駁EPR關于物理實在性的描述。

玻爾認為EPR文章中提出的關于物理實在性的判據(jù)是站不住腳的。玻爾認為：量子現(xiàn)象是一種整體性的概念，測量手段會影響物理系統(tǒng)的波函數(shù)，只有在完成測量以后，物理現(xiàn)象才能稱得上是一個現(xiàn)象。EPR文章中描述的A粒子和B粒子的雙粒子糾纏態(tài)，是一個相互聯(lián)系的整體，對其中任何一個粒子的測量，必定會擾動原先作為整體的另一個粒子的狀態(tài)。因此，EPR的論證不能說明量子力學的不完備性。

總之，EPR論證未被玻爾接受，玻爾的反駁也不能令愛因斯坦信服。在EPR的“經典實在觀”看來，量子力學是不完備的；而在玻爾的“量子實在觀”看來，量子力學是非常完備和自洽的。這次論戰(zhàn)將對量子力學的看法上升到哲學的層面，最后只能各自保留不同的觀點，因為那是兩人的哲學基礎完全不同而造成的。哲學觀的不同是根深蒂固、難以改變的。愛因斯坦最后被自己提出的量子糾纏所糾纏。即使在之后的二三十年中，玻爾的理論占了上風，量子論如日中天，它的各個分支高速發(fā)展，給人類社會帶來了偉大的技術革命，愛因斯坦仍然固執(zhí)地堅持他的經典信念，反對哥本哈根派對量子論的詮釋。