哥本哈根研究所100歲了 量子世界依舊迷霧重重
哥本哈根研究所100歲了 量子世界依舊迷霧重重
玻爾創(chuàng)造的“哥本哈根精神”是無(wú)法復(fù)制的。這是一種在切磋中提高，在爭(zhēng)論中完善，平等無(wú)拘束地討論和緊密合作的學(xué)術(shù)氣氛，就是要在辯論中，推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展，這非常符合玻爾的個(gè)性與主張。
◎本報(bào)記者 吳長(zhǎng)鋒
1900年，為了解決黑體輻射疑難，德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了“能量子”模型。彼時(shí)，愛(ài)因斯坦21歲，剛從大學(xué)畢業(yè)；玻爾才剛15歲，可能還在中學(xué)學(xué)習(xí)。
1905年，愛(ài)因斯坦提出“光量子”假說(shuō)，通過(guò)把“本應(yīng)該是一種電磁波”的光想象成一個(gè)個(gè)光微粒，成功解釋了光電效應(yīng)。緊隨其后，玻爾在1913年提出了量子化的原子結(jié)構(gòu)，成功解釋了氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和光譜，獲得了當(dāng)年的諾貝爾獎(jiǎng)。
1921年，玻爾拒絕了恩師盧瑟福的工作邀請(qǐng)，決定創(chuàng)建哥本哈根大學(xué)理論物理研究所，繼續(xù)深入研究量子力學(xué)。研究所一成立，玻爾的人格魅力很快就像磁場(chǎng)一樣，吸引了一大批杰出的青年物理學(xué)家，海森堡、泡利、玻恩、狄拉克等量子力學(xué)大咖都出自這個(gè)研究所，形成了舉世聞名的“哥本哈根學(xué)派”。除了玻爾外，這個(gè)研究所出了9位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，盛況空前。到現(xiàn)在，100年過(guò)去，哥本哈根仍是物理學(xué)家的“朝拜圣地”。
“上帝擲骰子嗎？”
哥本哈根學(xué)派在創(chuàng)立之初就開(kāi)始從哲學(xué)層面思考量子問(wèn)題。光和電子時(shí)而像波，時(shí)而像粒子的“波粒二象性”到底意味著什么？其本源是什么？為什么我們每次只能看到它是波或者是粒子的“一面”？最終，量子力學(xué)的“哥本哈根詮釋”浮出水面：
——一個(gè)量子系統(tǒng)的量子態(tài)可以用波函數(shù)來(lái)完全地表述。波函數(shù)代表一個(gè)觀察者對(duì)于量子系統(tǒng)所知道的全部信息，量子系統(tǒng)的描述是概率性的。
——在量子系統(tǒng)里，一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量無(wú)法同時(shí)被確定。
——物質(zhì)具有波粒二象性，一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以展示出物質(zhì)的粒子行為或波動(dòng)行為。但不能同時(shí)展示出兩種行為。
——測(cè)量?jī)x器是經(jīng)典儀器，只能測(cè)量經(jīng)典性質(zhì)，如位置、動(dòng)量等。
——大尺度宏觀系統(tǒng)的量子物理行為應(yīng)該近似于經(jīng)典行為。
哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)的“概率詮釋”，其核心觀點(diǎn)還有“測(cè)量塌縮”。一個(gè)量子尺度的物體，它當(dāng)前的狀態(tài)其實(shí)是幾種可能狀態(tài)的“概率疊加”；在未被測(cè)量之前，我們完全無(wú)法預(yù)測(cè)物體真正的狀態(tài)，這是一種真真正正的隨機(jī)性；一旦啟動(dòng)了測(cè)量，物體就會(huì)“塌縮”成一種可能狀態(tài)，仿佛它一直就是那種狀態(tài)一樣。
雖然“概率詮釋”類(lèi)似于“骰子實(shí)驗(yàn)”，但量子力學(xué)更純粹。骰子的隨機(jī)性其實(shí)是偽隨機(jī)，“出千高手”完全可以掌控?cái)S骰子的結(jié)果。但哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，回到微觀的量子世界，再荒謬至極的事實(shí)，都可能在量子世界中出現(xiàn)。
于是，科學(xué)史上那段著名的論戰(zhàn)拉開(kāi)了序幕。以愛(ài)因斯坦為首的經(jīng)典派對(duì)哥本哈根學(xué)派發(fā)起了猛烈的攻擊，每次針?shù)h相對(duì)都閃耀著智慧甚至是藝術(shù)的火花。
愛(ài)因斯坦：上帝不擲骰子！
玻爾：請(qǐng)不要告訴上帝應(yīng)該怎么做！
這段經(jīng)典的對(duì)話，便是這場(chǎng)論戰(zhàn)的開(kāi)端與往后爭(zhēng)論的核心。
與愛(ài)因斯坦同一陣線的薛定諤，更是為了反駁“概率詮釋”學(xué)說(shuō)而舉了一個(gè)他本人認(rèn)為“荒誕至極”的例子：把一只貓和一套通過(guò)放射性元素驅(qū)動(dòng)的毒藥釋放系統(tǒng)一起放在盒子里，在打開(kāi)盒子觀察前，貓同時(shí)處于“活著”和“被毒死了”雙重狀態(tài)的疊加態(tài)中，這便是鼎鼎大名的“薛定諤的貓”。
值得一提的是，薛定諤肯定沒(méi)有想到，自己提出的這個(gè)用來(lái)反駁哥本哈根學(xué)說(shuō)，認(rèn)為其荒謬、與現(xiàn)實(shí)格格不入的實(shí)驗(yàn)，被不少人誤認(rèn)為是“概率詮釋”的一個(gè)經(jīng)典論點(diǎn)。
一般認(rèn)為，在科學(xué)上一個(gè)人沒(méi)取得的成就，在未來(lái)肯定會(huì)有另一個(gè)人代替他成功。但是玻爾創(chuàng)造的“哥本哈根精神”卻是無(wú)法復(fù)制的。這是一種在切磋中提高，在爭(zhēng)論中完善，平等無(wú)拘束地討論和緊密合作的學(xué)術(shù)氣氛，就是要在辯論中，推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展，這非常符合玻爾的個(gè)性與主張。
如今，距離那場(chǎng)世紀(jì)論戰(zhàn)已經(jīng)過(guò)去了許多年，物理學(xué)界中最受普遍認(rèn)可的哥本哈根學(xué)派“概率詮釋”學(xué)說(shuō)也依然面對(duì)許多爭(zhēng)議。
盡管玻爾與愛(ài)因斯坦終生都在爭(zhēng)辯，卻絲毫不影響兩人的友誼。無(wú)論誰(shuí)離開(kāi)了誰(shuí)，這條量子銀河都會(huì)變得黯淡無(wú)光。
“沒(méi)有人真正理解量子力學(xué)”
在1958年出版的《物理學(xué)與哲學(xué)：現(xiàn)代科學(xué)中的革命》一書(shū)中，維爾納·海森堡講述了在與尼爾斯·玻爾進(jìn)行那些徹夜長(zhǎng)談后，他是如何不斷地對(duì)自己說(shuō)：“自然真的有可能如此荒謬嗎？”因?yàn)榱孔邮澜缈雌饋?lái)是如此的不合常理，以及如此的有違直覺(jué)，以至于理查德·費(fèi)曼說(shuō)出了關(guān)于那句著名的話：“沒(méi)有人真正理解量子力學(xué)�！�
盡管量子力學(xué)已經(jīng)一次又一次地證明了它的預(yù)測(cè)能力，但這并不能削弱這樣一個(gè)事實(shí)：除了哥本哈根詮釋外，科學(xué)界還有對(duì)量子理論的諸多詮釋。
多世界詮釋認(rèn)為波函數(shù)是物理上真實(shí)的，薛定諤方程恰恰就是一種對(duì)現(xiàn)實(shí)的描述。當(dāng)你對(duì)同時(shí)處于不同位置的疊加的粒子進(jìn)行測(cè)量時(shí)，被測(cè)量的粒子事實(shí)上在不同版本的現(xiàn)實(shí)中在所有那些位置出現(xiàn)。換句話說(shuō)，這就意味著，你所處的兩個(gè)“現(xiàn)實(shí)”分叉成了兩個(gè)不同的分支。這聽(tīng)起來(lái)像是，如果你在這個(gè)現(xiàn)實(shí)里做了什么糟糕的
決定，別擔(dān)心，也許在另一個(gè)現(xiàn)實(shí)中，你仍然可以獲得一個(gè)完美的結(jié)果。多世界詮釋也是經(jīng)常被流行文化借用的一種。多世界詮釋帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題——它讓概率失去了意義。
為了解決多世界詮釋在概率上的問(wèn)題，一些科學(xué)家發(fā)展出了宇宙學(xué)詮釋。這種詮釋認(rèn)為，如果有無(wú)窮個(gè)宇宙，那么多世界詮釋一定成立，因?yàn)橛袩o(wú)窮個(gè)“你”正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而現(xiàn)實(shí)將會(huì)按照概率的比例進(jìn)行分裂。這樣一來(lái)，經(jīng)典概率就仍然存在意義。
還有科學(xué)家提出“隱變量”的猜想：也許粒子的性質(zhì)具有一些“秘密”的變量，它其實(shí)是一種確定的狀態(tài)，只是我們不知道而已，而直到我們測(cè)量才會(huì)發(fā)現(xiàn)。
科學(xué)家在隱變量理論的基礎(chǔ)上提出了“非定域隱變量理論”，也就是德布羅意—玻姆詮釋。這種詮釋認(rèn)為粒子是真實(shí)存在的，它們?cè)谖覀兛床灰?jiàn)的導(dǎo)波的引導(dǎo)下運(yùn)動(dòng)。
此外，還有量子貝葉斯主義、量子達(dá)爾文主義、交易詮釋、關(guān)系性詮釋等，許多物理學(xué)家提出了不同的想法和觀點(diǎn)。但也有一些科學(xué)家因此相信，這么多種不同詮釋的出現(xiàn)，恰恰意味著，量子力學(xué)中還有一些非�；A(chǔ)和根本的部分等待著被發(fā)掘。
“多個(gè)世界”與“多個(gè)歷史”
人們提出了上述各種各樣量子力學(xué)詮釋?zhuān)浜诵乃枷氡举|(zhì)上來(lái)自于邏輯簡(jiǎn)練、物理寓意深遠(yuǎn)、但圖像十分反直覺(jué)的多世界詮釋。多世界理論表達(dá)的是“一個(gè)波函數(shù)，多個(gè)世界”，而由它發(fā)展出來(lái)的各類(lèi)詮釋?zhuān)蠖蓟谧郧v史，講的是“一個(gè)世界，多個(gè)歷史”，只不過(guò)各自的著眼點(diǎn)與側(cè)重點(diǎn)不同。
由于不當(dāng)解釋和以訛傳訛，多世界詮釋被污名化了許久。特別是目前不少人覺(jué)得哥本哈根詮釋的正確是天經(jīng)地義的，而多世界詮釋則被認(rèn)為是形而上學(xué)，甚至是偽科學(xué)。
正是由于量子力學(xué)的哥本哈根詮釋強(qiáng)調(diào)必須借助經(jīng)典世界，從邏輯上講是不自洽的。從哲學(xué)角度講，量子力學(xué)的哥本哈根版本是一種二元論，而一個(gè)理想的完美的理論應(yīng)該是一元論：一切源于量子，經(jīng)典只是量子體系宏觀極限下的“衍生”現(xiàn)象。
無(wú)論如何，把不可觀測(cè)的特性引入到物理學(xué)中，物理學(xué)就變成了玄學(xué)。當(dāng)務(wù)之急是給波函數(shù)找到一個(gè)可以測(cè)量驗(yàn)證的、觀測(cè)不會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)坍縮的解釋。
量子力學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域?yàn)槭澜鐜?lái)變化。從第一個(gè)晶體管到今天的科技社會(huì)，再到或許在不久的將來(lái)就能成為現(xiàn)實(shí)的量子計(jì)算機(jī)。我們不能完全理解它并不要緊，因?yàn)槲锢韺W(xué)家自己也不能完全理解它。我們能做的就是聽(tīng)從費(fèi)曼的建議，“放松心情，盡情享受”，然后期待“新物理學(xué)”的誕生，為探求世界宇宙開(kāi)啟新的篇章。
