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上帝擲骰子嗎:量子物理史話

作者:曹天元
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第十一章 上帝的判決 四

第十一章 上帝的判決

|電子>=|穿過左縫>+|穿過右縫>
這樣的式子時(1/SQRT(2)代表根號二分之一,我們假設兩種可能相等,所以係數的平方,也就是概率之和等於一),我們所指的並不是「一個電子」的運動情況,而永遠是無限個電子在相同情況下的一個統計平均!這個式子只描述了當無窮多個電子在相同的初狀態下通過雙縫(或者,一個電子無窮次地在同樣的情況下通過雙縫)時會出現的結果。根據量子論,世界並非決定論的,也就是說,哪怕我們讓兩個電子在完全相同的狀態下通過雙縫,觀測到的結果也不一定每次都一樣,而是有多種可能。而量子論的數學所能告訴我們的,正是所有這些可能的「系綜」,也就是統計預期!
態向量只代表系統的系綜!嗯,聽上去蠻容易理解的,似乎皆大歡喜。可是這樣一來,量子論也就變成一個統計學的理論了,好吧,當許多電子穿過雙縫時,我們知道有五十%通過了左邊,五十%通過了右邊,可現在我們關心的是單個電子!單個電子是如何通過雙縫並與自己發生干涉,最後在螢幕上打出一個組成干涉圖紋的一點的呢?我們想聽聽系綜解釋對此有何高見。
這已經是我們第三次在精疲力竭之下無功而返了。隱變數所給出的承諾固然美好,可是最終的兌現卻是大打折扣的,這未免教人喪氣。雖然還有玻姆在那裡熱切地召喚,但為了得到一個決定性的理論,我們付出的代價是不是太大了點?這仍然是很值得琢磨的事情,同時也使得我們不敢輕易地投下賭注,義無反顧地沿著這樣的方向走下去。
這是什麼意思呢?我們還是用大家都熟悉的老例子,雙縫前的電子來說明問題。當電子通m•hetubook•com.com過雙縫後,假設我們沒有刻意地去觀察它,那麼按照量子論,它應該有一個確定而唯一的,按照時間和薛定諤方程發展的態向量:
Taylor在訪談中的確被問道,這樣的做法不是一個當「逃兵」的遁詞嗎?他非常精明地回答說:「我認為你應當問一問,如果陷進去是否比逃之夭夭確實會惹出更多的麻煩。」系綜主義者持有的是極致的實用主義,他們炮轟隱變數和多宇宙解釋,因為後兩者都帶來了許多形而上學的「麻煩」。只要我們充分利用現有的體系,搞出一個又不違反實驗結果,又能在邏輯上自洽的體系,那不就足夠了嗎?系綜解釋的精神,就是盡可能少地避免「麻煩」,絕不引入讓人頭痛的假設,比如多宇宙或者坍縮之類的。
系綜解釋說:我們應當知足,相信理論告訴我們的已經是這個世界的本質:它本就是統計性的!所以,徒勞地去設計隱變數是沒有用的,因為實驗已經告訴我們定域的隱變數理論是沒有的,而且實驗也告訴我們對同樣的系統的觀測不會每次都給出確定的結果。但是,我們也不能相信所謂的「疊加」是一種實際上的存在,電子不可能又通過左邊又通過右邊!我們的結論應該是:對於電子的態向量,它永遠都只代表系統「全集」的統計值,也就是一種平均情況!
接下來我們還要去看看兩條新的道路,雖然它們都新辟不久,坎坷顛簸,行進艱難,但沿途那奇峰連天,枯松倒掛,瀑布飛湍,冰崖怪石的絕景一定不會令你失望。
|電子>=1/SQRT(2)[|穿過左縫>+|穿過右縫>]
它所持的是一種外交式的圓滑態度:量子論的數學形式和_圖_書經得起時間考驗,是一定要保留的。但「疊加」什麼的明顯違背常識,是不對的。反過來,一味地急功冒進,甚至搞出什麼不可觀察的隱變數,這也太過火了,更不能當真。再怎麼說,實驗揭示給我們的結果是純隨機性質的,沒人可以否認。
按照標準哥本哈根解釋,這意味著單個電子必須同時處在|左>和|右>兩個態的疊加之中,電子沒有一個確定的位置,它同時又在這裡又在那裡!按照MWI,這是一種兩個世界的疊加。按照隱變數,所謂的疊加都是胡扯,量子論的這種數學形式是靠不住的,假如我們考慮了不可見的隱變數,我們就能確實地知道,電子究竟通過了左邊還是右邊。那麼,系綜解釋對此又有何高見呢?
什麼叫只代表「全集」呢?換句話說,當我們寫下:
那麼,我們應該怎麼辦呢?
但要命的是,它對此什麼都沒說!在它看來,所謂「單個電子通過了哪裡」之類的問題,是沒有物理意義的!當John Taylor被問道,他是否根本沒有想去描述單個系統中究竟發生了什麼的時候,他甚至說,這是不被允許的。量子物理所給出的只是統計性,that's all,沒有別的了。如果這個世界能夠被我們用數學方法去理解的話,那就是在一種統計的意義上說的,我們不自量力地想去追尋更多,那只不過是自討苦吃。單個電子的軌跡,那是一個沒有物理定義的概念,正如「時間被創造前一秒」,「比光速更快一倍」,或者「絕對零度低一度」這樣的名詞,雖然沒有語法上的障礙阻止我們提出這樣的問題,但它們在物理上卻是沒什麼意思的。和哥本哈根派不同的是,玻爾等人假設每個電子都https://m.hetubook•com•com實際地按照波函數發散開來,而系綜解釋則是簡單地把這個問題踢出了理論框架中去,來個眼不見為淨:現在我們不必為「坍縮」操心了,談論單個電子是沒有意義的事情!
如此一來,當我們說「電子=左+右」的時候,意思就並非指一個單獨的電子同時處於左和右兩個態,而只是在經典概率的概念上指出它有五十%的可能通過左,而五十%的可能通過右罷了。當我們「準備」這樣一個實驗的時候,量子論便能夠給出它的系綜,在一個統計的意義上告訴我們實驗的結果。
有一種功利而實用主義的看法,是把量子論看作一種純統計的理論,它無法對單個系統作出任何預測,它所推導出的一切結果,都是一個統計上的概念!也就是說,在量子論看來,我們的世界中不存在什麼「單個」(individual)的事件,每一個預測,都只能是平均式的,針對「整個集合」(ensemble)的,這也就是「系綜解釋」(the ensemble interpretation)一詞的來源。
如果量子論註定了不能是決定論的,那麼我們除了推導出類似「坍縮」之類的概念以外,還可以做些什麼假設呢?
嗯,怎麼又是愛因斯坦?我們還記憶猶新的是,隱變數不是也把他拉出來作為感召和口號嗎?或許愛因斯坦的聲望太隆,任何解釋都希望從他那裡取得權威性,不過無論如何,從這一點來說,系綜和隱變數實際上是有著相同的文化背景的。但是它們之間不同的是,隱變數在作出「量子論只不過是統計解釋」這樣的論斷後,仍然懷著滿腔熱情去尋找隱藏在它背後那個更為終極的理論,試圖把我們所看不見和*圖*書的隱變數找出來以最終實現物理世界所夢想的最高目標:理解和預測自然。它那銳意進取的精神固然是可敬的,但正如我們已經看到的那樣,在現實中遭到了嚴重的困難和阻撓,不得不為此放棄許多東西。
系綜解釋是一種非常保守和現實主義的解釋,它保留了現有量子論的全部數學形式,因為它們已經被實踐所充分證明。但在令人目眩的哲學領域,它卻試圖靠耍小聰明而逃避那些形而上的探討,用劃定理論適用界限這樣的方法來把自己封閉在一個刀槍不入的外殼中。是的,如果我們採納系綜主義,那麼的確在純理論方面說,我們的一切問題都解決了:沒有什麼坍縮,電子永遠只是粒子(波性只能用來描述粒子的「全集」),不確定原理也只是被看成一個統計極限,而不理會單個電子到底能不能同時擁有動量和位置(這個問題「沒有意義」)。但是,這樣似乎有點自欺欺人的味道,把搞不清楚的問題劃為「沒有意義」也許是方便的,但的確是這樣的問題使得科學變得迷人!每個人都知道,當許多電子通過雙縫時產生了干涉圖紋,可我們更感興趣的還是當單個電子通過時究竟發生了什麼,而不是簡單地轉過頭不去面對!
大多數系綜論者都喜歡把這個概念的源頭上推到愛因斯坦,比如John Taylor,或者加拿大McGill大學的B.C. Sanctuary。愛因斯坦曾經說過:「任何試圖把量子論的描述看作是對於『單個系統』的完備描述的做法都會使它成為極不自然的理論解釋。但只要接受這樣的理解方式,也即(量子論的)描述只能針對系統的『全集』,而非單個個體,上述的困難就馬上不存在了。」這個論述成為了系綜解釋和_圖_書的思想源泉(見於Max Jammer《量子力學的哲學》一書)。
但是,我們還是不能滿足於這樣的關起門來然後自稱所有的問題都已經解決的做法。或許,是因為我們血液中的熱情還沒有冷卻,或許,是因為我們仍然年少輕狂,對於這個宇宙還懷有深深的激動和無盡的好奇。我們並不畏懼進入更為幽深和神秘的峽谷和森林,去探究那事實的真相。哪怕註定要被一些更加惱人和揮之不去的古怪精靈所纏繞,我們還是不可以放棄了前進的希望和動力,因為那是我們最寶貴的財富。
相比隱變數那勇敢的衝鋒,系綜解釋選擇固本培元,以退為進的戰略。在它看來,量子論是一個足夠偉大的理論,它已經界定了這個世界可理解的範疇。的確,量子論給我們留下了一些盲點,一些我們所不能把握的東西,比如我們沒法準確地同時得到一個電子的位置和動量,這叫一些持完美主義的人們覺得坐立不寧,寢食難安。但系綜主義者說:「不要徒勞地去探索那未知的領域了,因為實際上不存在這樣的領域!我們的世界本質上就是統計性質的,沒有一個物理理論可以描述『單個』的事件,事實上,在我們的宇宙中,只有『系綜』,或者說『事件的全集』才是有物理意義的。」
不過,這實在是太掩耳盜鈴了。好吧,量子論只給出系綜,可是我們對於物理理論的要求畢竟要比這樣的統計報告要高那麼一點啊。假如我去找占卜師算命,想知道我的壽限是多少,她卻只告訴我:這個城市平均壽命是七十歲,那對我來說似乎沒有很大的用處啊,我還不如去找保險公司!更可恨的是,她居然對我說,你一個人的壽命是沒什麼意義的,有意義的只是千千萬萬個你的壽命的「系綜」!
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