在爱因斯坦的头脑里,制定日月星辰运行规律的上帝一定是一个有花白头发的老人,他经常称之为“老头子”。
这当然不是某种真实存在的人格化的神明,在爱因斯坦的心目中,上帝指的是斯宾诺莎的上帝,是自然规律的化身。多次明确表示过自己无神论者身份的爱因斯坦和当时大多数的欧洲人一样,习惯把“上帝”挂在嘴边,其中最有名的一句,或许就是:“上帝不是在掷骰子。”——这句话在很大程度上表达了爱因斯坦对于量子力学的态度。
最近,一篇尚未通过同行评审正式发表的论文使爱因斯坦又一次上了许多科学媒体的头条,这有关量子力学的本质,也有关爱因斯坦对于量子力学的态度。长久以来,这位相对论的发现者一直是以反对量子力学的形象出现的,他坚持认为量子力学有其自身的不完备性。而这篇论文利用一个漂亮的实验证明了量子力学中或许是最令人迷惑的现象——量子纠缠现象——恰恰存在着最令爱因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”,这是量子力学的又一次胜利。
但是,爱因斯坦真的错了吗?
2015年8月24日,荷兰代尔夫特科技大学的物理学家罗纳德·汉森(Ronald Hanson)与合作者们共同在网上提交了一篇论文《利用相隔1.3公里的电子自旋纠缠无漏洞实验对贝尔不等式的破坏》(Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3km)。这篇论文迅速吸引了物理学界,进而是世界媒体的关注,《自然》(Nature)杂志更是针对这篇论文专门撰写了一篇介绍性的文章。
量子纠缠现象是量子力学中最核心也最令人难以理解的现象,不同物体的某种性质之间一旦形成某种“纠缠态”,那么它们之间无论相隔多远都会产生瞬时的相互影响,这种瞬时作用显然违反了相对论(相对论描述宇宙中最快的速度是光速),因为如此,爱因斯坦认为量子纠缠现象证明了量子力学的不完备性。
20世纪60年代,爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)提出了著名的“贝尔不等式”,这个不等式成为判定爱因斯坦所主张的“定域隐变量理论”与量子力学非定域性孰是孰非的关键。从1981年开始,不断有物理学家通过实验验证贝尔不等式,每一次都是量子力学的非定域性取得胜利,看来,量子纠缠确实是一种超距作用。尽管如此,因为量子纠缠实验对于精度要求很高,每次实验总会存在一些漏洞,为定域隐变量理论留有一丝余地。
罗纳德·汉森与合作者们最近在荷兰进行实验,他们利用微波脉冲分别冲击两个相隔1.3公里远的钻石晶体中的电子以形成纠缠态,然后再使这两束微波脉冲的光子在中点相遇,让光子之间形成量子纠缠,这样相隔1.3公里的两个钻石中的电子也就形成了相互纠缠。之后,实验者再对相隔1.3公里远的两处的电子进行测量。如果这两地之间存在着某种通讯,即使是以光速传播,也需要4.27微秒的时间,而测量只需要3.7微秒,从而杜绝了两地之间进行通讯的可能,实现了世界上首次无漏洞的量子纠缠实验,而这次实验,又一次实现了贝尔不等式的破坏,证明了量子力学非定域性的胜利。
尽管大多数物理学家在此前都预料到了这个结果,人们仍对这个实验给予了极高的评价,维也纳大学的实验物理学家安东·蔡林格(Anton Zeilinger)认为这是一个非常优美的实验,他说:“定域性的观念植入在人们的日常思维中,甚至连物理学家也是如此,因此进行一个无漏洞的(量子力学非定域性)实验非常重要。”滑铁卢理论物理研究所的物理学家马修·莱费尔(Matthew Leifer)甚至认为这是一个诺贝尔奖级别的实验。
实验毫无疑问地证明,处于纠缠态的粒子之间,确实存在着非定域性的瞬时作用。那么,爱因斯坦错了吗?可以说,爱因斯坦对于量子纠缠的判断确实错了,目前从现象上来说,量子纠缠确实违反了相对论,并不存在爱因斯坦所假设的“隐变量”,但是爱因斯坦对于量子力学完备性的质疑,在很长一段时间内恐怕仍然无法解决,并且会一直激励着物理学家们进行探索。
作为量子力学的创始人之一,爱因斯坦并不反对量子力学。实际上,爱因斯坦从未坚持物理学的决定性,他对于量子力学非决定性的理解远比一般人更加激进。问题在于,爱因斯坦始终坚持认为,量子力学是不完备的,在量子力学之下,还隐藏着更加深刻的物理学原理,才使量子世界呈现出概率性。
值得注意的是,虽然量子现象是概率性的,但量子理论却是决定性的,薛定谔方程正是精确的以确定性的方式描述波函数的演化。而一个量子领域的粒子在测量中呈现出何种状态,则取决于波函数的“塌缩”(collapse),这正是尼尔斯·波尔(Niels Bohr)为首的哥本哈根学派所阐述的量子力学的重点,也正是爱因斯坦最不能同意,并与波尔争论了半生的焦点问题,“上帝不是在掷骰子”这句话,正是出自这样的语境中。爱因斯坦并不反对量子力学,但是他完全反对哥本哈根学派对于量子力学的解读。
无论是提出了波函数概念的埃尔温·薛定谔(Erwin Schrodinger)还是奠定了量子力学数学基础的维尔纳·海森堡(Werner Heisenberg),都始终没有承认波函数在量子力学中的核心地位,但波函数以及波函数塌缩的概念因为与实验现象相吻合,随着哥本哈根学派的兴盛,逐渐成为物理学界的主流观点,而问题从未消失:波函数究竟是什么?是一种纯粹用于计算的数学概念还是一种切实的存在?它以怎样的形式存在,而当人类对一个量子系统进行测量时,波函数又是如何发生了瞬时塌缩,它为什么可以违反相对论对于速度极限的束缚?测量的本质又是什么?量子力学是否只是对于量子现象的描述性的理论,是否存在更深刻的理论可以解释量子力学?可以说,在这些最基本也是最深刻的问题被解答之前,爱因斯坦与波尔的争论就仍然没有结束。
(本文写作参考了《自然》杂志和《科学美国人》杂志的报道)
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