惠勒的龙

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  惠勒的龙
量子的怪异表现形式既包括非定域和非动力相互作用现象,也包括波粒二象性、海森堡的测不准原理等。所有这些都是不折不扣的佯谬,人们虽然经常求助于禁令处理它们,但终不能澄清它们。这些禁令就是,物理学家应该满足于发现各种观察结果之间的相互关系,而不是试图去解释这些观察结果意味着什么——量子“本身”是什么。
量子的怪异表现形式引起了科学史上可能是最著名、肯定是持续时间最长的关于实在的根本性质的深入讨论。从 1927 年到 1933 年,爱因斯坦和玻尔就关于令人费解的量子现象的解释进行了交谈和通信。爱因斯坦不接受似乎是量子表现形式所固有的不确定性,他一次又一次地提出论据证明,现有的量子论在逻辑上必定是不完备的;而玻尔则拒绝任何超越物理学家实际能够观察到的现象的解释。玻尔断言,自然界已经为能被测量和观察到的现象规定了一个绝对界限。实际上这种界限甚至具有更深层次的意义,因为它不让科学以任何明确的方式谈论量子和基本粒子的特性和属性。
爱因斯坦愿意同意这种看法:不可能同时测得一个基本粒子的位置和速度——自然界似乎对这种知识设置了障碍。但他争辩说,这并不意味着基本粒子实际上在任何时候都没有确定的位置和确定的速度——仅仅是我们看不见它的特性而已。玻尔不同意爱因斯坦的观点,他认为必须抛弃那种认为粒子同时具有位置和速度的观念。但是,如果粒子的位置和速度是不明确的,那么谈论量子粒子具有某种轨迹就没有意义。
日常的实在开始分解为各种新的形态,而且在他们对话的最后阶段,玻尔发现他自己不能用“现象”以外的任何术语来描述所观察到的事件。物理学家惠勒指出,“现象”是一个非常有意义的词,它意味着在谈论量子时,我们不再是讨论客观的实在,我们也不再有权力对“基本量子现象”本身究竟是什么提出疑问。E·魏格纳 (Eugene Wigner)就指出,量子物理学讨论“观察到的结果”,而不讨论“可以观察到的结果”。这就意味着,量子物理学家是在爱丽丝的仙境里工作,那里只存在事物的表象而不存在事物的实体——是切希尔猫的嘻笑,但不是实际的切希尔猫。存在脱离实际的实在总让人痛苦,因而物理学家并不轻率地同意这种分离,他们不得不通过实验来达到他们的现象学结论,这种结论彻底粉碎了人们关于真实世界中大量物质应如何起作用的所有期望。典型的例子当然是现在出了名的双缝实验。你可以把一块屏幕放置在一束光的前面,并在屏幕上开一条狭缝以便让一部分光线能穿过去,然后在第一块屏幕的后面再放一

 
 

切希尔猫是经常露齿嘻笑的猫,源出《爱丽丝漫游仙境》。 块屏幕来记录穿过狭缝的光线。这样,结果就好像你让水流过一个小孔一样,你会发现有一种衍射效应:光束呈扇形散开,并在后一块屏幕上形成衍射图样。这就证明了光的波动性,而与光本身并不矛盾。但是,如果你在屏幕上再开一条狭缝,就会出现两种衍射图像的叠加,即使你每次只发射一个光子也是如此。狭缝后投射的波形成一种独特的干涉图像:当两个波阵面的相位差是 180 度时,它们相互抵消;当两个波阵面同相位时,它们相互加强,因此,看上去就好像单个光子同时通过了两个小孔一样。然而,这肯定不是每次只发射一个的粒子实体在我们实验中的表现形式(图 2)。
图 2        双缝实验中的波干涉图样
这种实验有好几个变种,一个比一个更令人费解。亚原子世界的某些最怪异的现象出现在“光束分裂实验”中,这里,光子也是以一定的时间间隔一个一个地发射的。当从发射枪发出的每个光子到达并撞击探测器时,探测器就会发出咔哒声或发亮。通常人们会预料,从发射枪发出后到达探测计数器的光子具有一定的轨迹,然而,这一预料没有兑现。
在光束分裂实验中,我们把一面半镀银的平面镜插在光子通过的道路上,这就把由连续发射的光子所组成的光束分裂开来,产生了这样的可能性:每两个光子中有一个可以通过平面镜,而另一个则被其反射。为了证实这种可能性,我们可以在半镀银的平面镜后面和与其成直角的位置上都放上计数器。人们预料,平均每两个光子中有一个光子沿一条光路前进,而另一个光子沿第二条光路前进。这一预料确实获得了实验的证实:两个计数器记录的光子数大体相等。但后来情况就出现了反常。把第二面半镀银的平面镜插在未受第一面平面镜偏转的光子的光路上,这面平面镜放置成这样的角度:使偏转的和未偏转的光子仍然必须到达两个计数器中的一个。因此,人们预料会听到两个计数器发出数量相等的咔哒声 (或看到数量相等的光信号):单个发射的光子将仅仅调换目标。但情况并非如此,两个计数器中只有一个有咔哒声(或发光),而另一个则没有,所有光子都到达了一个相同的目标。
双缝实验的结果可以重复。作为单个粒子发射的光子能像波一样相互干涉。在一面平面镜的上面,干涉是相消的:因为光子间相位差是 180 度,所以行为与波类似的光子相互削弱;在另一面平面镜的下面,干涉是相长的:光子的波相相同,因而它们相互加强。
图 3        分光束实验和两种结果
这种实验也有许多形式,而这里的结果也变得越来越自相矛盾。第二面半镀银平面镜只在光子已经通过了第一面平面镜后插入,而且可能正在其向正常目标前进的光路上,第二股光子流仍同第一股和所有到达一个计 数器的光子相互干涉。我们可以在其中一股光子流的光路上设置一个障碍,从而消除了第二股光子流,这样就使实验结果与人们的预料相一致:单股光子流分成相等的两股到达两个计数器上。但是当障碍被移去时,所有光子又再一次到达一个计数器上,而另一个计数器一个光子也接收不到。障碍甚至可以在光子已经开始其旅程后插上,其结果仍相同。这种实验似乎不得不得出奇怪的结论:一个光子莫名其妙地“知道”另一个光子正在干什么,并相应地选择它的光路。
这种奇怪的知识由于以下事实变得更加奇怪。时间和空间对它的影响很小。在“宇宙学的”光束分裂实验中,人们检验了来自几十亿光年以外的河外星系的光子。在一次实验中,受检验的光子是被称之为 0957+516A、B 的双类星体发射的。这个遥远的类星体现在被认为只是一个星体,而不是两个,它的双像是由于它的光被某个河外星系偏转所引起的,这个星系和我们间的距离是类星体和我们之间的距离的 1/4。由“引力透镜”作用而产生的偏转大得足以使类星体在几十亿年前发出的两束光线汇聚到一起。由于被河外星系偏转的光子走了额外的路程,因而它们在路上比直接到达的光子多用了 5 万年的时间。不过,尽管在几十亿年前发射的光子之间有 5 万年的时间间隔,但这些光子不像独立发射的光束中的那些光子,它们仍能相互干涉,就好像在实验中相隔几秒钟发射的光子能相互干涉一样。这种干涉本身令人十分费解,而且不受时间和空间约束的事实更与人们关于自然界中单个物体表现形式的所有预料相矛盾。
几百年来,科学一直认为客观实体存在于特定观察的范围之外,但现在这种关于独立实体的观念正受到怀疑。玻尔认为,我们没有任何根据谈论在它们被发射和显示它们被接受的“咔哒”声这段神秘的时间里,量子究竟是什么或究竟干了些什么。用惠勒生动的话说,在这段时间里它是一条“巨大的烟龙”,龙的尾巴在发射的位置上是显而易见的,龙的嘴在咬探测器时也是显而易见的,其余部分则是“烟雾”。惠勒承认,量子现象是这个奇异世界上最奇异的事。

 
 

①    JA·惠勒《位·量子·意义》,载《理论物理学中的问题》,A·乔范尼尼,F·曼西尼和 M·马里纳罗编,萨莱诺,萨莱诺大学出版社,1984 年。

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