장12 11장 하나님의 심판

하나 |Pxz-Pzy|<1+Pxy 글쎄요, 이 불평등은 너무 평범해서 우리 우주의 본질에 대한 궁극적인 평결을 내리는 것은 고사하고 어떤 마법의 힘도 가지고 있지 않은 것 같습니다.정말 그런 힘이 있는 걸까? 벨의 부등식이 무엇을 의미하는지 살펴봅시다.이전 장에서 설명한 것처럼 Pxy는 입자 A가 x 방향으로 +이고 입자 B도 y 방향으로 동시에 +인 두 이벤트 간의 상관 관계를 나타냅니다.관련성은 협력의 정도를 나타내는 것이며(두 당사자가 놀라울 정도로 일관성이 있는지 또는 일관성이 없는지는 높은 수준의 협력을 의미함) 협력은 양 당사자가 서로의 상황을 이해하여 효과적으로 조정할 수 있도록 요구합니다.숨겨진 변수 이론에서 두 입자에 대한 우리의 설명은 상식에 부합합니다. 관찰 여부에 관계없이 두 입자는 항상 객관적 현실에 존재하며 분할 순간부터 상태가 확실합니다.우주에서 빛의 속도를 넘는 신호 전파를 금지하면 이론적으로 두 입자를 동시에 관찰할 때 어떤 정보도 교환할 수 없으며 그들이 달성할 수 있는 최대 협력 정도는 주어진 한계로 제한됩니다. 고전 세계에 의해.이 한계는 고전적인 방법에 의해 유도된 벨 부등식입니다.

세상의 본질이 고전적이라면, 구체적으로 우리 세상이 동시에 만족한다면: 1. 국지화, 즉 초광속 신호 전파가 없다.2. 실재, 즉 우리의 관찰과 독립적인 외부 세계가 존재합니다.그런 다음 우리는 A와 B의 스핀을 관찰하기 위해 세 방향을 선택하고 그들이 보여주는 협력의 정도는 Bell의 부등식 내에서 제한되어야 합니다.즉, 신이 아인슈타인이 상상한 주사위를 던지지 않는 친절한 노인이라면 벨의 불평등은 그가 우주에 설정한 신성한 속박입니다.우리의 관찰 방향이 어떻든간에 EPR 실험의 두 입자는 장로들의 존엄성을 결코 손상시킬 수 없으며 감히 이 금지된 영역을 돌파할 수 있습니다.사실 이것은 감히 할 수 있느냐 없느냐의 문제가 아니라 두 개의 고전적 입자가 논리적으로 그러한 능력을 가지고 있지 않다는 것입니다. 그들은 그들 사이에서 신호를 교환할 수 없기 때문에 친밀하게 행동해서는 안됩니다.

그러나 양자 이론의 예측은 다릅니다!Bell은 양자 이론에서 a와 b 사이의 각도 θ를 충분히 작게 만들기만 하면 Bell의 부등식을 깨뜨릴 수 있음을 증명했습니다!특정 증명에는 약간 더 복잡한 물리학 및 수학 지식이 필요하므로 여기서는 건너뛰겠지만 양자가 지배하는 세계에서 두 입자 A와 B는 매우 멀리 떨어져 있습니다. , 여전히 높은 수준의 Bell의 불평등이 유지되지 않도록 다른 방향으로 협력하십시오.이것은 고전적인 시나리오에서는 결코 일어날 수 없었습니다. EPR 실험을 이런 식으로 상상해 봅시다. 두 명의 범죄자가 은행을 털고 범죄 현장에서 도망쳤지만 당황했고 두 사람은 반대 방향으로 도망쳤고 동시에 도로 양쪽 끝에서 경비를 받았습니다. 경찰 경찰은 별도로 체포되었습니다.자 이제 그들의 자백을 들어보자 경찰관 A가 범죄자 A에게 물었다고 가정해 보자. A에 대한 대답은 예 또는 아니오입니다.길 건너편에서 경찰관 B가 범죄자 B에게 같은 질문을 하면, 당신이 앞장섰습니까?그러면 B의 대답은 A와 반대여야 합니다. 형은 A와 B 또는 B와 A 중 하나만 있을 수 있기 때문입니다.두 경찰관이 던진 질문은 방향이 같고, A의 답을 안다는 것은 B의 답을 아는 것과 같다.이 시점에서 고전 세계와 양자 세계는 모두 동일합니다.

그러나 고전적인 세계로 돌아가서 두 명의 경찰관이 예를 들어 서로 다른 각도에서 질문을 하면 A: 변호사를 직접 고용해야 합니까?질문 B: 지금 물을 마실까요?이것들은 서로 관련이 없는 두 가지 질문입니다. A는 예 또는 아니오로 대답할 수 있지만 B와 A는 이론적으로 연락이 끊겼고 B는 A의 행동을 따를 수 없기 때문에 B가 질문에 대답하는 방식과는 아무런 관련이 없습니다. 답변. 그러나 이것은 고전 세계의 범죄자 일 뿐이며 양자 범죄자가 두 명이라면 다를 것입니다.A가 변호사를 고용하기로 결정하면 B는 물을 더 마시고 싶어할 것이고 그 반대도 마찬가지입니다!A와 B 사이에는 일종의 마법 같은 텔레파시가 있어 서로 다른 질문에 직면해도 이상하게도 같은 대답을 하는 것 같아요!양자 세계의 Bonnie & Clyde는 수천 마일 떨어져 있어도 여전히 원활하게 협력합니다. 코펜하겐의 설명에 따르면 이는 질문에 구체적으로 대답하기 전에 두 사람이 현실에 전혀 존재하지 않고 하나가 되어 하나가 되고 파동 함수에 따라 확산.슈뢰딩거가 발명한 용어를 사용하자면, 관찰하기 전에 두 사람(입자)은 얽힘(entanglement) 상태에 있고, 그들은 일종의 불가분성(inseparability)을 가진 전체입니다!

물론 이렇게 말하는 것은 단순화이고 구체적인 조건은 여전히 ​​우리의 벨 부등식입니다.대체로 세계가 고전적이라면 Bell의 불평등은 EPR에서 충족되어야 합니다. 그렇지 않으면 깨질 수 있습니다.우리 손안의 이 신비한 불평등은 우주의 가장 기본적인 본질을 결정하는 시금석이 되었고, 자연의 궁극적인 신비를 이해할 수 있는 신비의 문을 여는 열쇠인 것 같습니다. 그리고 가장 흥미로운 점은 미친 양자 자살과 같은 까다로운 실험과 달리 EPR이 기술적으로나 윤리적으로 실행 불가능하지 않다는 것입니다!우리는 실제로 우리가 살고 있는 세계가 아인슈타인이 기도한 것처럼 지역화되고 실제적인지 또는 그 마법이 결국 우리의 상상을 초월하는지 알아보기 위해 몇 가지 실험을 할 수 있습니다. .

1964년 벨은 "EPR 패러독스"(아인슈타인-포돌스키-로젠 패러독스)라는 제목의 "Physics"라는 저널의 첫 번째 호에 자신의 불평등을 발표했습니다.이 논문은 20세기 물리학사에서 유명한 논문으로 그 논증과 도출이 너무 단순하고 명료하지만 본질에 깊이 뿌리내리고 있어 사람들을 압도한다.1973년 노벨 물리학상을 수상한 Brian D. Josephson은 Bell의 부등식을 물리학의 가장 중요한 새로운 발전이라고 불렀고, Henry Stapp은 앞에서 언급한 바와 같이 정신이 파동을 붕괴시킨다고 주장하여 과학에서 가장 심오한 발견이라고 했습니다. (과학에서 가장 심오한 발견).

그러나 Physics 저널은 이 뛰어난 논문을 출판하는 데 운이 없었고 저널은 출판된 지 1년 만에 문을 닫았습니다.오늘날 Bell의 원본 논문을 찾는 가장 좋은 방법은 그의 책 Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics(Cambridge 1987)에서 찾을 수 있습니다. 그 전에 Bell은 von Neumann의 오류를 발견하고 Reviews of Modern Physics 저널에 기사를 썼습니다.비록 여러 가지 이유로 이 글은 1966년까지 출판되지 않았지만, 어쨌든 그런 당혹스러운 상황을 바꾸어 놓았습니다. Bohm의 양자 잠재력입니다!폰 노이만의 주문은 이제 깨졌습니다.

이제 벨은 야망으로 가득 찬 것 같습니다. 아인슈타인의 꿈에 대한 모든 장애물이 그를 위해 제거되었고, 폰 노이만은 더 이상 방해가 되지 않으며, 봄이 첫 걸음을 내디뎠습니다.그리고 그는 양자론, 즉 무한히 강력한 불평등을 죽이기에 충분한 무기를 만들었다.벨은 세상의 실상을 확신한다 자연은 우리의 관찰에 따라 존재할 수 없다.이제 우리는 반박할 수 없는 증거로 세상에 알리기 위해 EPR식 실험을 마련하기만 하면 될 것 같습니다. 어떤 상황에서도 벨의 불평등도 성립한다는 것입니다.입자 간의 텔레파시 협력은 순전히 넌센스, 어리석은 망상입니다. 양자 이론은 우리의 생각을 엉망으로 만들었습니다. 이제 정상 상태로 돌아갈 때입니다.양자 불확정성은 아름다운 작품이자 훌륭한 실험이며 물리학의 역사에서 합당한 위치를 차지할 자격이 있습니다.그러나 실제일 수는 없으며 근사치일 뿐입니다!더 신뢰할 수 있고 진실에 더 가까운 것은 사람들이 상대성 이론만큼 안전하다고 느끼게 하는 전통적인 숨겨진 변수 이론이어야 합니다.그래, 그래야만 물리학의 영광이 회복될 수 있다. 우리의 자부심과 과시를 받을 만한 물리학, 우주의 참되고 장엄한 입법자이지 운과 무작위성에 의해 지배되는 기회주의자가 아니다.

정말로, 어쩌면 그것은 우리가 과거의 영광스러운 시절로 돌아가기 전의 작은 발걸음일 것입니다.우주의 모든 것이 엄격하고 질서있게 작동하는 위대한 그림 하이젠베르크 이후 오랫동안 잃어버린 엘리시움은 향수를 불러 일으키는 사람들이 동경하는 고전 시대입니다.사실, 그것은 거의 한 발짝 떨어져 있습니다. 아마도 곧 우리는 밀턴의 신성하고 불멸의 문장을 오르간 반주에 맞춰 노래하게 될 것입니다. 과거에는 낙원이 있었고 세월은 기쁨으로 가득 차 있습니다. 아들이 불충실하면 Tian Hess는 화를냅니다. 범죄를 방어하는 이유, 망명에서 길을 잃었다.

한 사람이 회심하면 모두 구속됩니다. 이제 나는 그의 대답을 생각하고 노래하게 됩니다. 이 마음은 인내하며 잘못된 길은 없습니다. 모든 죄와 죄가 씻어지고 바른 길로 돌아갔습니다. Zhanbi Eden, 불모의 상승. ("복원된 낙원" 1권 1-7권) Bell이 한 가지를 잊은 것 같습니다. 강력한 무기는 종종 양날의 검입니다. 식후 가십: 봄과 매카시 시대 Bohm은 미국 과학자였지만 그의 가장 큰 공헌은 1940년대 말과 1950년대 초 미국에서 매카시즘이 부상한 덕분에 영국에서 이루어졌습니다. 매카시즘은 냉전의 산물이며 그 본질은 미친 듯이 반공산주의적이고 외국인혐오적이다.Joseph McCarthy 상원의원의 부채질을 받은 붉은 공포의 바람은 최고조에 달했습니다.거의 모든 사람들이 소비에트 스파이 또는 정부 전복을 계획하는 적대적인 요소로 의심되었습니다.Bohm은 제2차 세계 대전 중에 맨해튼 프로젝트에 잠시 참여했지만 실제 작업을 많이 하지 않고 곧 그만 두었습니다.전쟁이 끝난 후 그는 아인슈타인과 함께 가르치고 일하기 위해 프린스턴으로 갔고, 악명 높은 반미 활동 위원회(Un-American Activities Committee)의 소환장을 받고 버클리에도 있던 일부 동료들의 정치적 입장을 조사해 달라는 요청을 받았습니다. 증언하기 위해 Bohm은 자신을 변호하는 수정헌법 제5조를 인용하며 화를 내며 거절했습니다.

원래 이 사건은 지나갔을 텐데 매카시 시대가 이제 막 시작되었고 공황은 미국 전역에 빠르게 퍼졌습니다.2년 후 Bohm은 위원회의 질문에 답변을 거부한 혐의로 재판을 받았고 무죄 판결을 받았지만 Princeton은 Einstein이 그에게 조수로 남을 것을 요청했을 때에도 계약 갱신을 거부했습니다.Bohm은 마침내 미국을 떠나 브라질과 이스라엘로 갔고 마침내 런던 대학교의 Birkbeck College에 정착했습니다.그곳에서 그는 암시적 함수 이론을 발전시켰습니다. 매카시 시대는 2000만 명이 넘는 사람들이 소위 충성심 조사를 받아야 했던 광적이고 굴욕적인 시기였습니다.조지까지.마샬 장군, 중간부터 찰리까지.채플린, 셀 수 없이 많은 평범한 사람들에 이르기까지 많은 영향을 받았습니다.중세 유럽이 마녀 사냥에 열광했던 것처럼 사람들은 신경증적으로 이른바 공산주의자를 찾고 있습니다.학계에서는 거의 100명의 교수들이 그들의 의견 때문에 자리를 떠났고, Qian Xuesen과 같은 중국 배경을 가진 사람들은 검열을 당했고, 유명한 양자 화학 마스터 Pauling은 미국 공산당의 스파이로 의심되었습니다.점점 더 많은 사람들이 동료들의 정치적 입장에 대해 증언하도록 부름 받고 있습니다 많은 사람들이 있고 그들 중 일부는 Bohm처럼 단호하게 거부하고 일부는 예기치 않게 행동합니다.아마도 가장 유명한 것은 오펜하이머 사건일 것입니다.오펜하이머는 맨해튼 프로젝트의 리더였습니다.그도 국가에 대한 불충성 혐의를 받았습니다.상상할 수 없는 것 같습니다.모든 물리학자들은 그의 편이지만, 에드워드.Taylor(Edward Teller)는 물리학계 전체가 귀를 의심하게 만들었습니다.헝가리 태생의 물리학자(Yang Zhenning의 멘토이기도 함)는 Oppenheimer가 국가에 좋지 않은 일을 할 것이라고 생각하지 않지만 공무가 다른 사람의 손에 있다면 개인적으로 더 안전하다고 느낄 것이라고 말했습니다.오펜하이머의 충성심은 결국 비난받지 않았지만 그의 보안 인가는 압수되었고 극비 자료는 더 이상 그에게 보내지지 않았습니다.Wheeler와 같은 일부 사람들은 Taylor에게 동정심을 느꼈지만 과학계 전체는 그를 거의 용서하지 않았습니다. Taylor는 또한 큰 옹호자이자 수소 폭탄의 실제 설계자 중 한 명이었습니다(그는 수소 폭탄의 아버지라고 불림). 레이건에 대한 전쟁 프로젝트(SDI 디펜스).그는 지난 2003년 9월 95세의 나이로 세상을 떠났다.칼.세이건은 그의 저서 "악마가 들끓는 세상"에서 과학자들이 자신의 의견에 책임을 져야 한다는 전형적인 예로 그를 끌어낸 적이 있다. Taylor 자신도 분명히 나름의 이유가 있는데, 그는 수소폭탄의 제조가 실제로 인류 사회를 더 안전하게 만든다고 믿습니다.우리는 과학 자체가 정치에 너무 간섭받지 않기를 간절히 바랄 뿐일지도 모릅니다. 둘 보어 또는 아인슈타인?그것이 문제이다. 물리학자들은 마침내 행동을 취하고 있으며, 진리를 테스트하기 위한 유일한 기준으로 실천을 취할 준비가 되어 있으며, 세계가 과학의 두 거인 중 어느 것에 대한 설명에 부합하는지 진정으로 탐구하고 있습니다.보어와 아인슈타인의 논쟁은 마치 철학적 공허한 이야기 ​​같았습니다.파울리는 보른에게 양자 이론의 본질에 대해 아인슈타인과 논쟁하는 것은 얼마나 많은 천사가 바늘 끝에 앉을 수 있는지에 대해 논쟁하는 것과 같다고 말했습니다. 하지만 지금은 다릅니다. 이제 우리는 벨의 불평등을 우리 손에 쥐고 있습니다.두 입자는 고전적 신의 이 신성한 금지에 순종할 것인가, 아니면 일종의 양자 혁명과 같은 안절부절함으로 족쇄를 무시하고 엄숙하고 불가침으로 보이는 이 규칙을 깨뜨릴 것인가?이제 드디어 실천에 옮길 수 있게 되었고, 모든 것이 운명의 신의 최종 심판을 기다리고 있다. 1969년 Clauser 등은 Bohm의 EPR 모델을 보다 쉽게 ​​구현할 수 있도록 개선했습니다.버클리, 하버드, 텍사스에서 일련의 예비 실험이 뒤따랐고 아마도 Bell은 놀랍게도 한 가지를 제외하고 모두 양자 이론의 예측을 막연하게 지적했습니다.그러나 초기 실험은 부정확하고 원자에 의해 방사된 광자 쌍이 편광판을 통과하는 EPR의 프로토타입과는 거리가 멀었지만 기술적인 한계로 인해 모든 경우에 +와 -가 아닌 하나의 + 결과만 얻을 수 있었고, 따라서 EPR의 원래 추론은 여전히 ​​간접 추론에 의존합니다.그리고 당시에 사용된 광원은 종종 약한 신호만 생성했습니다. 기술의 발전, 특히 레이저 기술의 발전으로 더욱 정밀하고 정밀한 실험이 가능해졌습니다.1980년대에 프랑스 Orsay C'dex에 있는 Institut d'Optique Th'orique et Appliqu'e의 과학자 그룹은 처음으로 EPR을 정확한 의미로 테스트하기 위해 준비했습니다. 이 그룹은 Allen입니다.Aspect (Alain Aspect). 프랑스인들은 칼슘 원자를 광자쌍의 근원으로 사용했는데, 칼슘 원자를 매우 높은 양자 상태로 들뜨게 하고, 여기되지 않은 상태로 다시 떨어졌을 때 에너지, 즉 광자 한 쌍을 방출했다.실제로 사용되는 것은 칼슘 원자의 빔이지만 레이저로 초점을 맞추면 정확하게 여기되어 강력한 신호 소스를 생성할 수 있습니다.Aspect 등은 약 12미터 떨어진 두 개의 광자를 날렸기 때문에 빛의 속도에서도 신호가 그들 사이를 이동하는 데 40나노초(ns)가 걸렸습니다.광자는 게이트를 통해 한 쌍의 편광판으로 들어가지만 게이트는 방향을 바꾸어 편광 방향이 다른 두 개의 편광판으로 향하게 할 수도 있습니다.두 편광판의 방향이 같으면 두 광자가 모두 통과하거나 아무 것도 통과하지 않고 방향이 다르면 이론적으로(아인슈타인의 세계관에 따라) 상관 관계는 Bell의 부등식을 따라야 합니다.두 광자 사이에 정보 교환이 없도록 하기 위해 과학자들은 게이트의 위치를 ​​빠르게 전환하여 평균 10ns마다 방향을 바꾸었습니다. 이는 빛의 속도에서 두 당사자 사이의 시간보다 훨씬 짧은 시간입니다. , 그리고 상대방이 통과했는지 여부를 광자는 알 수 없습니다.비교로서 실험에서 계통오차를 없애기 위해 양면에 편광판을 배치하지 않고 한쪽 면에만 편광판을 배치한 상황도 함께 살펴보았다. 이제 할 일은 두 광자의 실제 협력 정도를 기록하는 것입니다.벨의 불평등에 부합한다면 아인슈타인의 믿음은 회복될 것이고 세계는 독립적이고 신뢰할 수 있으며 객관적인 상태로 돌아갈 것입니다.반대로, 우리는 여전히 Borna의 겉보기에 불가사의해 보이는 양자 개념을 진지하게 받아들여야 합니다. 때는 1982년, 늦여름에서 초가을로 접어든 때.패션의 수도 파리에서는 올 가을 겨울 어떤 패션이 유행할지 고민하느라 분주한 듯하다.술집에서 스포츠 팬들은 여전히 ​​스페인 월드컵에서 국가대표팀이 패한 것을 한탄하고 있습니다.그해, 플라티니가 이끄는 역사상 최강팀으로 평가받는 대표팀은 고전전에서 브라질을 꺾었지만 결국 승부차기 끝에 서독에 패했다.고귀한 신사들은 살롱에서 세계의 대세에 대해 자유롭게 이야기했고, 포클랜드에서 옛 적 영국인이 아르헨티나를 어떻게 조종했는지 이야기했습니다.루브르 박물관과 오르세 미술관은 여느 때와 다름없이 전 세계 미술 애호가들로 붐볐고, 세느강은 도심을 천천히 흐르며 에펠탑과 노트르담 대성당의 그림자, 그리고 오르가니스트들을 비추었다. 길가에 맑은 눈. 그러나 멀지 않은 오르세 광학 연구소에서 멋진 광자 쌍이 칼슘 원자에서 여기되어 운명의 편광판을 향해 돌진하고 있다는 사실을 알고 있는 사람이 얼마나 될까요? 신비의 장막 뒤에 가려진 얼굴? 아인슈타인과 보어가 애매모호하지 않다면 아마도 그들도 천국에서 이 실험의 결과를 지켜보고 있겠죠?신이 있다면 노인은 무엇을 하는가?아마도 그도 아킬레우스와 헥토르의 전설적인 트로이 결투처럼 황금 저울과 운명을 나타내는 두 개의 추를 이용해 이 세상의 본질을 결정하는 운명에 모든 것을 맡겨야 할지도 모릅니다. 한 쌍, 두 쌍, 세 쌍의 재료가 차곡차곡 쌓였다.12,000초 후, 즉 3시간 이상이 지난 후 결과가 나왔다.과학자들은 모두 안도의 한숨을 쉬었다. 아인슈타인이 졌다!실험 결과는 양자 이론의 예측과 완전히 일치하지만 아인슈타인의 예측과는 5개의 표준편차만큼 차이가 있어 모든 것을 판단하기에 충분하다.벨의 부등식이라는 양날의 칼은 참으로 강력하지만, 그것이 잘라내는 것은 양자론의 광채가 아니라 아인슈타인이 주장했던 꿈을 차례로 산산조각 낸다! Aspect et al.의 보고서가 그해 12월 Physics Review Letters에 발표되었을 때 과학계의 초기 반응은 무시무시할 정도로 조용했습니다.모두가 이 결과의 중요성을 알고 있지만 무엇을 말해야 할지 모르는 것 같습니다. 아인슈타인이 졌다?그게 무슨 뜻이야?세상은 우리가 상상할 수 있는 것보다 더 신비롭고 경이롭기 때문에 우리의 보잘것없는 상식은 결국 그 앞에서 무너지고 말까요?이 세상은 너나 나에게 달려 있는 것이 아니라 그저 거기에 존재할 뿐, 뻔하지 않니?이러한 기본 가정에서 도출된 결론과 실험 결과 사이에 돌이킬 수 없는 간극이 존재하는 이유는 무엇입니까?하나님이 미쳤습니까, 아니면 당신과 내가 미쳤습니까? 전 세계 사람들이 Aspect의 실험을 반복하려고 시도하고 있으며 새로운 방법이 지속적으로 도입되고 있으며 실험 모델은 아인슈타인의 원래 EPR 아이디어에 점점 더 가까워지고 있습니다.메릴랜드와 로체스터의 과학자들은 자외선을 사용하여 관측치의 이산 출력 상관 관계가 아닌 연속 출력 상관 관계를 연구했습니다.영국 Malvern에서는 광섬유를 사용하여 두 개의 얽힌 광자를 유도하여 4km 이상 떨어져 있게 했으며 Geneva에서는 그 거리가 수십 km였습니다.그러한 거리에서도 벨의 불평등은 여전히 ​​가차없이 위반됩니다. 또한 Bell의 원래 아이디어에 따르면 광자 쌍이 관찰 방향을 미리 알려주지 않아야 합니다. (양자 역학의 예측에 따르면) 그들에게 예측할 수 없기 때문에 우리는 그들의 비행 경로에서 무작위 관찰 방향 배열을 만들어야 합니다.Aspect 실험에서 우리는 그들이 10ns의 속도로 게이트를 전환하는 것을 보았지만, 그들이 12미터의 두 광자를 분리할 수 있었던 거리는 안전하기에는 여전히 너무 짧았습니다.1998년 오스트리아 인스브루크 대학의 과학자들은 광자를 400미터 떨어져서 보내어 편광판을 무작위로 배열하는 데 1.3마이크로초를 제공했습니다.이번에는 시간이 충분했고 그 결과는 논쟁의 여지가 없었습니다. 아인슈타인은 이번에는 더 심한 표준 편차 30개를 잃었습니다! 1990년에 Greenberger, Horne 및 Zeilinger는 Bell의 부등식을 사용하지 않고도 양자 역학과 고전 이론(국소 숨겨진 변수 이론) 사이의 관계를 보여주는 더 좋은 방법이 있음을 보여주었습니다. 트리오의 이니셜), 3개 이상의 광자의 얽힘을 포함합니다.2000년 Pan Jianwei, Bouwmeester, Daniell 등은 그들의 실험 결과가 지역적 현실, 즉 아인슈타인의 믿음 가능성의 8표준편차를 다시 거부했다고 Nature 저널에 보고했습니다! 2001년에 Rowe 등은 보다 정교한 Be+ 이온 트래핑 실험을 설명했습니다.2003년에 Pittman과 Franson은 두 개의 독립적인 소스에서 생성된 광자에 대한 Bell의 부등식 위반을 보고했으며 Hasegawa 등은 단일 중성자의 간섭계에서 Bell과 같은 관계를 깨뜨린 결과까지 발견했습니다. 전 세계의 실험실에서 입자는 섬세하지만 마법 같은 연결을 끈질기게 유지합니다.그들은 자신의 능력을 과시하려는 듯 고전 세계가 그들에게 설정한 소위 깨지지 않는 족쇄를 반복적으로 조롱하고 몇 번이고 불가침이라고 선언된 교리를 무너뜨렸습니다.이 현상은 너무나 명백해져서 양자 정보 분야에서 두 큐비트가 여전히 얽혀 있는지 여부를 테스트하는 일상적인 방법이 되었습니다(정보가 도중에 도청되었는지 알 수 있는 추가 보너스와 함께!). 앞으로 점점 더 정밀한 실험을 할 수 있겠지만, 전반적으로 EPR에서 벨의 불평등의 돌파구는 반박할 수 없는 사실입니다.아마도 미래에는 새로운 실험이 현재의 모든 결론을 뒤엎고 세상을 고전적인 모습으로 복원할 것이지만 현재의 관점에서 볼 때 이 가능성은 극히 희박합니다. 아인슈타인이 오늘날 살아 있다면 뭐라고 말했을지 모르겠습니다.아마도 그는 유연한 말을 할 것입니다.우리는 머나먼 천국에서 그와 보어가 여전히 그 고전적인 대화를 되풀이하고 있다는 말을 듣는 것 같습니다. 아인슈타인: 보어, 신은 주사위 놀이를 하지 않는다! 보어: 아인슈타인, 신에게 무엇을 하라고 말하지 마십시오! 이제 오만해져서 니체적인 방식으로 발표합시다. 아인슈타인의 신은 죽었다. 삼 1982년 Aspect의 실험(또는 일련의 실험)은 20세기 물리학사에서 가장 광범위한 실험 중 하나였으며 그 중요성은 1886년 Michelson의 Morley 실험과도 비교할 수 있습니다.그러나 모두를 경악시킨 Michelson의 실험에 비하면 Aspect의 결과는 예상할 수 있었다.대부분의 사람들은 초기에 양자 이론의 승리가 쉬운 일이 될 것이라고 예상했습니다.1927년 양자론이 창시된 이래 50년이 넘는 세월 동안 부침을 거듭해 온 양자론은 모든 분야에서 이토록 막강한 힘을 보여주었고, 그 어떤 실험 결과도 제시할 수 없을 정도다.아인슈타인과 슈뢰딩거 같은 위대한 물리학자들도 그것을 근본적으로 전복시키려 애썼지만 그 찬란한 광채는 더욱 눈부시게 눈을 즐겁게 한다.실용적인 관점에서 볼 때 양자 이론은 역사상 가장 성공적인 이론이며 상대성 이론과 Maxwell의 전자기 이론을 훨씬 능가할 뿐만 아니라 Newton의 고전 역학을 능가합니다!양자론은 위태롭고 혼돈스러운 세상에서 성장했고, 혁명의 시험을 거친 전사이자 기질은 바람, 칼, 서리, 칼의 가혹한 고문 아래서 더 끈질기고 무적으로 연마되었습니다.실제로 그러한 이론이 눈에 띄지 않는 실험으로 쉽게 전복되고 다시는 전복되지 않을 것이라고 상상한 사람은 많지 않았을 것입니다.Aspect의 실험의 성공은 승리의 갑옷에 또 다른 영예의 배지를 추가한 양자 이론의 또 다른 테스트(가장 혹독하긴 했지만)에 불과했습니다.그런 가혹한 조건에서도 성공적이었다는 것을 이제 우리는 알고 있습니다.예, 예상대로!이 소식은 사람들에게 큰 충격을 주지 않아 센세이션을 일으켰다. 그러나 그것은 물리학자들을 어색한 위치로 몰아넣습니다.원래 사람들은 세상이 실존하는가 하는 문제에 대해 타조적 정책을 추구하고, 침묵할 수 있다면 논의하지 않으려고 한다.양자 이론이 작동하는 한 왜 우리는 그 배후에 있는 철학적 의미의 밑바닥에 도달해야 합니까?그것을 걱정하는 아인슈타인 같은 사람들이 있지만, 대부분의 과학자들은 여전히 ​​신경 쓰지 않습니다.그러나 이제 Aspect는 마침내 사람들에게 대결을 강요했습니다. 맹목적으로 머리를 숙이는 것은 쓸모가 없습니다. 사람들은 실험이 고전적인 그림의 가능성을 거부했다는 사실을 직시해야 합니다! 아인슈타인의 꿈은 무자비한 데이터 앞에 물거품처럼 산산이 부서져 버렸고, 우리는 더 이상 그 따뜻하고 안락한 보금자리로 돌아갈 수 없고 바람과 비의 혹독한 현실을 마주해야 합니다.우리는 다시 한 번 우리의 상식을 돌아보고 그것이 얼마나 믿을 만하며 실제로 얼마나 오해의 소지가 있는지 물어야 합니다.Bell에게 그가 발견한 불평등은 궁극적으로 그의 이상을 배반했으며, 세상을 고전적인 이미지로 되돌리지 않았을 뿐만 아니라 결국 막다른 골목으로 몰아갔습니다.Aspect 실험 후, 우리는 한 가지를 확신해야 했습니다. 로컬 숨겨진 변수 이론은 존재하지 않습니다! 즉, 우리의 세계는 아인슈타인이 꿈꾸던 것처럼 국지화(초광속 신호의 전송이 없음)와 실재(숨겨진 변수에 의해 결정될 수 있는 객관적이고 독립적인 세계가 있음) 둘 다를 수 없습니다.지역적 리얼리즘은 실험적으로 우리 우주에서 배제되었고 이제 우리는 어려운 선택을 해야 합니다. 지역성을 포기하거나 현실을 포기하는 것입니다. 우리가 현실을 포기한다면 우리는 두 개의 입자가 우리가 관찰하기 전에는 객관적인 현실에 존재하지 않는다는 것을 인정하는 양자론의 예전 방식으로 돌아가게 됩니다.관찰할 때만 의미가 있는 일반적인 의미(예: 스핀)의 물리적 특성이 없습니다.EPR 실험에서 마지막 순간까지 우리의 얽힌 두 입자는 분리할 수 없는 전체로 보여야 합니다. 실제로는 두 개의 입자가 아니라 하나의 입자(물론 중첩됨)만 있습니다.소위 두 입자는 관찰 후에야 실재가 됩니다(파동 함수가 붕괴됨).물론 그렇게 가슴 아픈 양보를 한 후에도 우리는 여전히 우리 자신의 취향에 따라 결정론을 완전히 물리치고 코펜하겐 해석을 유지할 것인지, 높은 수준의 관점에서 볼 때 결정론을 유지할 것인지 선택할 수 있습니다. 결정론, 또는 다중 우주 설명을 채택!설명할 필요가 있는 것은 MWI가 지역화(지역) 이론으로 간주되는지 여부는 여전히 사람들마다 다르다는 것입니다.Stapp과 같은 상대를 제외하고, Deutsch, Tegmark 또는 Zeh와 같은 지지자 사이에서도 어조가 균일하지 않습니다.그러나 양자 얽힘 자체는 비국소화된 물리적 프로세스로 정의될 수 있기 때문에(Zeh, Found.of Physics Letters 13, 2000, p22) 모두가 동의합니다. 지역화된 현실 이론과 빛보다 빠른 신호 전송이 그 안에 존재하지 않습니다.요점은 MWI에 따르면 우리가 관찰할 때마다 실제로 하나 이상의 결과(실제로 가능한 모든 결과)가 생성된다는 것입니다!이것은 아인슈타인이 묵인한 전통적인 현실과는 매우 다릅니다. 그렇게 함으로써 심리적으로 견고한 세계는 무너진다(혹은 무너진다?).신이 주사위를 굴리든 말든, 그가 우리를 위해 지은 것은 절대적인 외부 세계에서 엄격하게 독립적인 건물이 아닙니다.모든 벽, 모든 바닥, 모든 계단은 그 활동이 지능적인(의식적인) 관찰자를 포함하는지 여부에 관계없이 내부에서 발생하는 활동과 밀접하게 관련되어 있습니다.일체형 건물과는 거리가 먼 건물의 각 층은 확실하고 멋진 방식으로 얽혀있어 최상층과 1 층에 따로 사는 주민들이 여전히 일종의 공감을 유지합니다. 그러나이 모든 것을 참을 수 없다면 다른 방법, 즉 어떤 대가를 치르더라도 세상의 현실을 보존하는 방법도 있습니다.물론 지역성은 이렇게 포기해야 한다.숨겨진 변수에 대한 이론을 수립하는 것은 여전히 ​​가능합니다 어떤 종류의 초광속 신호가 그 시스템에서 왔다갔다하도록 허용된다면 여전히 우리가 관찰하는 모든 것을 아주 잘 설명할 수 있습니다.예를 들어, EPR에서 하늘의 반대편 끝에 있는 두 개의 전자는 일종의 빛보다 빠른 과도 통신을 통해 그들 사이의 성공적인 협력을 여전히 보장할 수 있습니다.사실, Bohm의 시스템은 Aspect의 실험에서 아주 잘 살아남았습니다. 왜냐하면 그의 양자 포텐셜은 원거리에서 그런 행동을 암시했기 때문입니다. 그러나 이것이 사실이라면 우리는 삶이 훨씬 더 쉽다고 느끼지 않을 것입니다!빛보다 빠른 신호?보스, 그게 무슨 뜻이야?아인슈타인이 이것에 대해 뭐라고 말할지 생각해보세요. 빛의 속도보다 빠르다는 것은 시간을 거슬러 올라가는 능력을 얻는 것을 의미합니다!這樣一來，我們將陷入甚至比不確定更加棘手和叫人迷惑的困境，比如，想像那些科幻小說中著名的場景：你回到過去殺死了尚處在繈褓中的你，那會產生什麼樣的邏輯後果呢？雖然玻姆也許可以用高超的數學手段向我們展示，儘管存在著這種所謂超光速的非定域關聯，他的隱函數理論仍然可以禁止我們在實際中做到這樣的信號傳遞：因為大致上來說，我們無法做到精確地控制量子現象，所以在現實的實驗中，我們將在統計的意義上得到和相對論的預言相一致的觀測極限。也就是說，雖然在一個深層次的意義上存在著超光速的信號，但我們卻無法刻意與有效地去利用它們來製造邏輯怪圈。不過無論如何，對於這種敏感問題，我們應當非常小心才是。放棄定域性，並不比放棄實在性來得讓我們舒服！ 阿斯派克特實驗結果出來之後，BBC的廣播製作人朱里安．布朗（Julian Brown）和紐卡斯爾大學的物理學教授保羅．大衛斯（Paul Davies，他如今在澳大利亞的Macquarie大學，他同時也是當代最負盛名的科普作家之一）決定調查一下科學界對這個重要的實驗究竟會做出什麼樣的反應。他們邀請八位在量子論領域最有名望的專家作了訪談，徵求對方對於量子力學和阿斯派克特實驗的看法。這些訪談記錄最後被彙集起來，編成一本書，於一九八六年由劍橋出版社出版，書名叫做《原子中的幽靈》（The Ghost in the Atom）。 閱讀這些訪談記錄真是給人一種異常奇妙的體驗和感受。你會看到最傑出的專家們是如何各持己見，在同一個問題上抱有極為不同，甚至截然對立的看法。阿斯派克特本人肯定地說，他的實驗從根本上排除了定域實在的可能，他不太欣賞超光速的說法，而是對現有的量子力學表示了同情。貝爾雖然承認實驗結果並沒有出乎意料，但他仍然決不接受擲骰子的上帝。他依然堅定地相信，量子論是一種權益之計，他想像量子論終究會在有一天被更為複雜的實驗證明是錯誤的。貝爾願意以拋棄定域性為代價來換取客觀實在，他甚至設想復活乙太的概念來達到這一點。惠勒的觀點有點曖昧，他承認一度支持埃弗萊特的多宇宙解釋，但接著又說因為它所帶來的形而上學的累贅，他已經改變了觀點。惠勒討論了玻爾的圖像，意識參與的可能性以及他自己的延遲實驗和參與性宇宙，他仍然對於精神在其中的作用表現得饒有興趣。 魯道夫．佩爾斯（Rudolf Peierls）的態度簡明爽快：我首先反對使用哥本哈根解釋這個詞。他說，因為，這聽上去像是說量子力學有好幾種可能的解釋一樣。其實只存在一種解釋：只有一種你能夠理解量子力學的方法（也就是哥本哈根的觀點！）。這位曾經在海森堡和泡利手下學習過的物理學家仍然流連於革命時代那波瀾壯闊的觀念，把波函數的坍縮認為是一種唯一合理的物理解釋。大衛．德義奇也毫不含糊地向人們推銷多宇宙的觀點，他針對奧卡姆剃刀對於無法溝通的宇宙的存在提出的詰問時說，MWI是最為簡單的解釋。相對於種種比如意識這樣稀奇古怪的概念來說，多宇宙的假設實際上是最廉價的！他甚至描述了一種超腦實驗，認為可以讓一個人實際地感受到多宇宙的存在！接下來是玻姆，他坦然地準備接受放棄物理中的定域性，而繼續維持實在性。對於愛因斯坦來說，確實有許多事情按照他所預料的方式發生。玻姆說，但是，他不可能在每一件事情上都是正確的！在玻姆看來，狹義相對論也許可以看成是一種普遍情況的一種近似，正如牛頓力學是相對論在低速情況下的一種近似那樣。作為玻姆的合作者之一，巴西爾．海利（Basil Hiley）也強調了隱函數理論的作用。而約翰．惠勒（John Taylor）則描述了另一種完全不同的解釋，也就是所謂的系綜解釋（the ensemble interpretation）。系綜解釋持有的是一種非常特別的統計式的觀點，也就是說，物理量只對於平均狀況才有意義，對於單個電子來說，是沒有意義的，它無法定義！我們無法回答單個系統，比如一個電子通過了哪條縫這樣的問題，而只能給出一個平均統計！我們在史話的後面再來詳細地介紹系綜解釋。 在這樣一種大雜燴式的爭論中，阿斯派克特實驗似乎給我們的未來蒙上了一層更加撲朔迷離的影子。愛因斯坦有一次說：雖然上帝神秘莫測，但他卻沒有惡意。但這樣一位慈祥的上帝似乎已經離我們遠去了，留給我們一個難以理解的奇怪世界，以及無窮無盡的爭吵。我們在隱函數這條道路上的探索也快接近盡頭了，關於玻姆的理論，也許仍然有許多人對它表示足夠的同情，比如John Gribbin在他的名作《尋找薛定諤的貓》（In Search of Schrodinger's Cat）中還把自己描述成一個多宇宙的支持者，而在十年後的《薛定諤的貓以及對現實的尋求》（Schrodinger's Kittens and the Search for Reality）一書中，他對MWI的熱情已經減退，而對玻姆理論表示出了謹慎的樂觀。我們不清楚，也許玻姆理論是對的，但我們並沒有足夠可靠的證據來說服我們自己相信這一點。除了玻姆的隱函數理論之外，還有另一種隱函數理論，它由Edward Nelson所發明，大致來說，它認為粒子按照某種特定的規則在空間中實際地彌漫開去（有點像薛定諤的觀點），類似波一般地確定地發展。我們不打算過多地深入探討這些觀點，我們所不滿的是，這些和愛因斯坦的理想相去甚遠！為了保有實在性而放棄掉定域性，也許是一件飲鴆止渴的事情。我們不敢說光速絕對地不可超越，只是要推翻相對論，現在似乎還不大是時候，畢竟相對論也是一個經得起考驗的偉大理論。 我們沿著這條路走來，但是它當初許諾給我們的那個美好藍圖，那個愛因斯坦式的理想卻在實驗的打擊下終於破產。也許我們至少還保有實在性，但這不足以吸引我們中的許多人，讓他們付出更多的努力和代價而繼續前進。阿斯派克特實驗嚴酷地將我們的憧憬粉碎，它並沒有證明量子論是對的（它只是支持了量子論的預言，正如我們討論過的那樣，沒什麼理論可以被證明是對的），但它無疑證明了愛因斯坦的世界觀是錯的！事實上，無論量子論是錯是對，我們都已經不可能追回傳說中的那個定域實在的理想國，而這，也使我們喪失了沿著該方向繼續前進的很大一部分動力。就讓那些孜孜不倦的探索者繼續前進，而我們還是退回到原來的地方，再繼續苦苦追尋，看看有沒有柳暗花明的一天。 飯後閒話：超光速 EPR背後是不是真的隱藏著超光速我們仍然不能確定，至少它表面上看起來似乎是一種類似的效應。不過，我們並不能利用它實際地傳送資訊，這和愛因斯坦的狹義相對論並非矛盾。 假如有人想利用這種量子糾纏效應，試圖以超光速從地球傳送某個消息去到半人馬座α星（南門二，它的一顆伴星是離我們地球最近的恒星，也即比鄰星），他是註定要失敗的。假設某個未來時代，某個野心家駕駛一艘太空船來到兩地連線的中點上，然後使一個粒子分裂，兩個子粒子分別飛向兩個目標。他事先約定，假如半人馬星上觀測到粒子是左旋，則表示地球上政變成功，反之，如是右旋則表示失敗。這樣的通訊建立在量子論的這個預測上：也就是地球上觀測到的粒子的狀態會瞬間影響到遙遠的半人馬星上另一個粒子的狀態。但事到臨頭他卻犯難了：假設他成功了，他如何確保他在地球上一定觀測到一個右旋粒子，以保證半人馬那邊收到左旋的資訊呢？他沒法做到這點，因為觀測結果是不確定的，他沒法控制！他最多說，當他做出一個隨機的觀測，發現地球上的粒子是右旋的時候，那時他可以有把握地，一百％地預言遙遠的半人馬那裡一定收到左的信號，雖然理論上說兩地相隔非常遙遠，訊息還來不及傳遞過來。如果他想利用貝爾不等式，他也必須知道，在那一邊採用了什麼觀測手段，而這必須通過通常的方法來獲取。這一切都並不違反相對論，你無法利用這種超光速製造出資訊在邏輯上的自我矛盾來（例如回到過去殺死你自己之類的）。 在這種原理上的量子傳輸（teleportation）事實上已經實現。我國的潘建偉教授在此領域多有建樹。 二○○○年，王力軍，Kuzmich等人在Nature上報導了另一種超光速（Nature V406），它牽涉到在特定介質中使得光脈衝的群速度超過真空中的光速，這本身也並不違反相對論，也就是說，它並不違反嚴格的因果律，結果無法回到過去去影響原因。同樣，它也無法攜帶實際的資訊。 其實我們的史話一早已經討論過，德布羅意那相波的速度c^2／v就比光速要快，但只要不攜帶能量和資訊，它就不違背相對論。相對論並非有些人所想像的那樣已被推翻，相反，它仍然是我們所能依賴的最可靠的基石之一。 四 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。 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？ 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。 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BC 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的思想源泉（見於Max Jammer《量子力學的哲學》一書）。 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。 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。 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： |電子>＝|穿過左縫>＋|穿過右縫> 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？ 它所持的是一種外交式的圓滑態度：量子論的數學形式經得起時間考驗，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。 那麼，我們應該怎麼辦呢？ 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！ 什麼叫只代表全集呢？換句話說，當我們寫下： |電子>＝1／SQRT（2）[|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！ 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。 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。 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！ 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！ 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！ 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。 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。 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。五 我們已經厭倦了光子究竟通過了哪條狹縫這樣的問題，管它通過了哪條，這和我們又有什麼關係呢？一個小小的光子是如此不起眼，它的世界和我們的世界相去天壤，根本無法聯繫在一起。在大多數情況下，我們甚至根本沒法看見單個的光子（有人做過實驗，肉眼看見單個光子是有可能的，但機率極低，而且它的波長必須嚴格地落在視網膜杆狀細胞最敏感的那個波段），在這樣的情況下，大眾對於探究單個光子究竟是幽靈還是實在無疑持有無所謂的態度，甚至覺得這是一種杞人憂天的探索。 真正引起人們擔憂的，還是那個當初因為薛定諤而落下的後遺症：從微觀到宏觀的轉換。如果光子又是粒子又是波，那麼貓為什麼不是又死而又活著？如果電子同時又在這裡又在那裡，那麼為什麼桌子安穩地呆在它原來的地方，沒有擴散到整間屋子中去？如果量子效應的基本屬性是疊加，為什麼日常世界中不存在這樣的疊加，或者，我們為什麼從未見過這種情況？ 我們已經聽取了足夠多耐心而不厭其煩的解釋：貓的確又死又活，只不過在我們觀測的時候坍縮了；有兩隻貓，它們在一個宇宙中活著，在另一個宇宙中死去；貓從未又死又活，它的死活由看不見的隱變數決定；單個貓的死活是無意義的事件，我們只能描述無窮只貓組成的全集諸如此類的答案。也許你已經對其中的某一種感到滿意，但仍有許多人並不知足：一定還有更好，更可靠的答案。為了得到它，我們仍然需要不斷地去追尋，去開拓新的道路，哪怕那裡本來是荒蕪一片，荊棘叢生。畢竟世上本沒有路，走的人多了才成為路。 現在讓我們跟著一些開拓者小心翼翼地去考察一條新闢的道路，和當年揚帆遠航的哥倫布一樣，他們也是義大利人。這些開拓者的名字刻在路口的紀念碑上：Ghirardi，Rimini和Weber，下面是落成日期：一九八六年七月。為了紀念這些先行者，我們順理成章地把這條道路以他們的首字母命名，稱為GRW大道。 這個思路的最初設想可以回溯到七十年代的Philip Pearle：哥本哈根派的人物無疑是偉大和有洞見的，但他們始終沒能給出坍縮這一物理過程的機制，而且對於觀測者的主觀依賴也太重了些，最後搞出一個無法收拾的意識不說，還有墮落為唯心論的嫌疑。是否能夠略微修改薛定諤方程，使它可以對坍縮有一個讓人滿意的解釋呢？ 一九八六年七月十五日，我們提到的那三位科學家在《物理評論》雜誌上發表了一篇論文，題為《微觀和宏觀系統的統一動力學》（Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems），從而開創了GRW理論。GRW的主要假定是，任何系統，不管是微觀還是宏觀的，都不可能在嚴格的意義上孤立，也就是和外界毫不相干。它們總是和環境發生著種種交流，為一些隨機（stochastic）的過程所影響，這些隨機的物理過程不管它們實質上到底是什麼會隨機地造成某些微觀系統，比如一個電子的位置，從一個彌漫的疊加狀態變為在空間中比較精確的定域（實際上就是哥本哈根口中的坍縮），儘管對於單個粒子來說，這種過程發生的可能性是如此之低按照他們原本的估計，平均要等上10^15秒，也就是近十億年才會發生一次。所以從整體上看，微觀系統基本上處於疊加狀態是不假的，但這種定域過程的確偶爾發生，我們把這稱為一個自發的定域過程（spontaneous localization）。GRW有時候也稱為自發定域理論。 關鍵是，雖然對於單個粒子來說要等上如此漫長的時間才能迎來一次自發過程，可是對於一個宏觀系統來說可就未必了。拿薛定諤那只可憐的貓來說，一隻貓由大約10^27個粒子組成，雖然每個粒子平均要等上幾億年才有一次自發定域，但對象貓這樣大的系統，每秒必定有成千上萬的粒子經歷了這種過程。 Ghirardi等人把薛定諤方程換成了所謂的密度矩陣方程，然後做了複雜的計算，看看這樣的自發定域過程會對整個系統造成什麼樣的影響。他們發現，因為整個系統中的粒子實際上都是互相糾纏在一起的，少數幾個粒子的自發定域會非常迅速地影響到整個體系，就像推倒了一塊骨牌然後造成了大規模的多米諾效應。最後的結果是，整個宏觀系統會在極短的時間裡完成一次整體上的自發定域。如果一個粒子平均要花上十億年時間，那麼對於一個含有一摩爾粒子的系統來說（數量級在10^23個），它只要.一微秒就會發生定域，使得自己的位置從彌漫開來變成精確地出現在某個地點。這裡面既不要觀測者，也不牽涉到意識，它只是基於隨機過程！ 如果真的是這樣，那麼當決定薛定諤貓的生死的那一刻來臨時，它的確經歷了死／活的疊加！只不過這種疊加只維持了非常短，非常短的時間，然後馬上自發地精確化，變成了日常意義上的，單純的非死即活。因為時間很短，我們沒法感覺到這一疊加過程！這聽上去的確不錯，我們有了一個統一的理論，可以一視同仁地解釋微觀上的量子疊加和宏觀上物體的不可疊加性。 但是，GRW自身也仍然面臨著嚴重的困難，這條大道並不是那樣順暢的。他們的論文發表當年，海德堡大學的E. Joos就向《物理評論》遞交了關於這個理論的評論，而這個評論也在次年發表，對GRW提出了置疑。自那時起，對GRW的疑問聲一直很大，雖然有的人非常喜歡它，但是從未在物理學家中變成主流。懷疑的理由有許多是相當技術化的，對於我們史話的讀者，我只想在最膚淺的層次上稍微提一些。 GRW的計算是完全基於隨機過程的，而並不引入類如觀測使得波函數坍縮之類的假設。他們在這裡所假設的自發過程，雖然其概念和坍縮類似，實際上是指一個粒子的位置從一個非常不精確的分佈變成一個比較精確的分佈，而不是完全確定的位置！換句話說，不管坍縮前還是坍縮後，粒子的位置始終是一種不確定的分佈，必須為統計曲線（高斯鐘形曲線）所描述。所謂坍縮，只不過是它從一個非常矮平的曲線變成一個非常尖銳的曲線罷了。在哥本哈根解釋中，只要一觀測，系統的位置就從不確定變成完全確定了，而GRW雖然不需要觀測者，但在它的框架裡面沒有什麼東西是實際上確定的，只有非常精確，比較精確，非常不精確之類的區別。比如說當我盯著你看的時候，你並沒有一個完全確定的位置，雖然組成你的大部分物質（粒子）都聚集在你所站的那個地方，但真正描述你的還是一個鐘形線（雖然是非常尖銳的鐘形線）！我只能說，絕大部分的你在你所站的那個地方，而組成你的另外的那一小撮（雖然是極少極少的一小撮）卻仍然彌漫在空間中，充斥著整個屋子，甚至一直延伸到宇宙的盡頭！ 也就是說，在任何時候，你都填滿了整個宇宙，只不過大部分的你聚集在某個地方而已。作為一個宏觀物體的好處是，明顯的量子疊加可以在很短的時間內完成自發定域，但這只是意味著大多數粒子聚集到了某個地方，總有一小部分的粒子仍然留在無窮的空間中。單純地從邏輯上講，這也沒什麼不妥，誰知道你是不是真有小到無可覺察的一部分彌漫在空間中呢？但這畢竟違反了常識！如果必定要違反常識，那我們乾脆承認貓又死又活，似乎也不見得糟糕多少。 GRW還拋棄了能量守恆（當然，按照相對論，其實是質能守恆）。自發的坍縮使得這樣的守恆實際上不成立，但破壞是那樣微小，所需等待的時間是那樣漫長，使得人們根本不注意到它。拋棄能量守恆在許多人看來是無法容忍的行為。我們還記得，當年玻爾的BKS理論遭到了愛因斯坦和泡利多麼嚴厲的抨擊。 還有，如果自發坍縮的時間是和組成系統的粒子數量成反比的，也就是說組成一個系統的粒子越少，其位置精確化所要求的平均時間越長，那麼當我們描述一些非常小的探測裝置時，這個理論的預測似乎就不太妙了。比如要探測一個光子的位置，我們不必動用龐大而複雜的儀器，而可以用非常簡單的感光劑來做到。如果好好安排，我們完全可以只用到數十億個粒子（主要是銀離子）來完成這個任務。按照哥本哈根，這無疑也是