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量子科学家们是如何展开他们的理论的

 

    前一阵中国的量子卫星“墨子号”上了天，国人似乎又多了一个讨论的热点话题----侃侃量子理论。不过这个量子理论、侃着侃着就侃出了意识、侃出了哲学……反正是越侃越神。这也是为什么笔者在前一篇中开篇就用到“神棍”二字。

 

    《量子之谜》这本书用了大量的篇幅在谈科学史：

 

    一开始讲古希腊科学的贡献及其致命缺陷，谈到亚里士多德；讲中世纪和文艺复兴时期的天文学，谈到托勒密，哥白尼，开普勒；之后讲伽利略关于运动的新思路，讲到伽利略和教会的矛盾，以及伽利略采用的试验的方法；然后是牛顿的世界观，讲述了“决定论”、 “物理实在”、 “可分离性（定域性）”、 “还原论”等经典物理学中的标志性的元素；光的故事讲牛顿的粒子流假说和托马斯•杨用干涉实验对于光是波的证明；讲电磁力提到富兰克林、法拉第和麦克斯韦；之后是相对论和爱因斯坦；最后是姗姗来迟的量子力学。

 

    对于被“量子之谜”这四个字吸引而阅读这本书的理科生来说，这一段实在让人看得直打瞌睡。似乎科学家们不应该是这个样子，你的理论是什么，你的理论解决什么问题，开门见山这多好！这样从头谈起，不仅显得很絮叨，而且有八卦嫌疑。例如迈克尔•法拉第是不是铁匠的儿子，14岁时是不是在做书籍装订学徙工，这和您要讲述的量子理论到底有什么关联？

 

    然而，随着后面内容的展开，我们已经无法再把如此冗长的叙述当成毫无用处的絮絮叨叨，也可以理解为这本书的作者为了让后面叙述的量子理论听起来不那么刺耳所进行的铺垫，然而，这丝毫不能降低我们的疑虑，例如讲当年场的概念被讥为“法拉第的精神拐杖”，然而今天，它是所有物理学的支柱。如果这是在暗示我们，量子力学所遭遇的质疑亦如同“法拉第的精神拐杖”一般，那么这种不安只是变得更加强烈了。

 

    除了讲历史，《量子之谜》这本书中还为量子理论本身作了大量的铺垫，例如“造访纳根帕克一个量子寓言”还有“小的绿宝石试验”。

 

    让我们跳过书中那些虚构的故事和对理科生而言如同常识般的烦闷的内容，直指令爱因斯坦、薛定谔和当今更多的专家不安的问题的关键，即，量子力学断然否定物理实在。或换言之，是观察者的观察选择影响了先前的物理状况，或者说是观察本身创造了物理实在！

 

    是什么让量子科学家们制造了这样的理论？就是那个看似平常却回味无穷的双缝干涉实验。

 

    我们用盒子对代替双缝，来复述一下这个实验，从而感受其神秘之处。

 

    上面的贴图，是双缝实验的盒子对版本。

 

    让单个原子或光子通过半透半反镜，然后用两个盒子接收并将其关在里面来回反射。现在的实验设备已经可以做到这一点。

 

    这时在出口端设置一个靶屏，如果同时打开两个盒子出口端的门，能够看到在靶屏中打出一个点，多次反复，能观测到干涉条纹，如同双缝干涉一般。

 

    在上面的条件下，如果只打开一个盒子，靶屏上有可能打出一个点，也有可能没有打出一个点，概率是50%，多次反复不能观测到干涉条纹，如同只有单缝一般。

 

    到现在都好理解，可是我们的科学家们要开始问问题了。

 

    在两个盒子打开之前，原子（光子）到底在哪个盒子里？注意，光量子没法再分这个常识是前提。

 

    经典物理学家的回答是：它或者在这个盒子里，或者在那个盒子里。

 

    量子物理学家的回答是：它同时既在这个盒子里，又在那个盒子里，这叫量子态！

 

    我们现在已经有办法观察一个盒子里是否有这样一个原子（光子），当然观察以后这个原子（光子）的状态就会被改变。如果我们观察其中一个盒子，发现里面什么都没有，量子物理学家并不认为是自己说错了，而是说，观察盒子的行为，让它变成了“它或者在这个盒子里，或者在那个盒子里”的坍缩态。

 

    如何判别谁说得对呢？也就是说怎么才能知道量子科学家不是在故弄玄虚呢？要知道，经典物理学家们也是承认观察行为会影响到原子（光子）的。

 

    于是我们进行这样的实验，如果经典物理学家说的是对的，它一开始是“或者在这个盒子里，或者在那个盒子里”的传统概率的状态，那么，观察其中一个盒子后如果发现是空的，本不应该影响到你完全没有触碰的那个还没有观察的盒子不是吗？那么好，在这样的情况下，打开那个没有观察的盒子，让里面的原子（光子）往靶屏上打，结果应该和我有没有观察空盒子无关，多次反复试验，也就是观察盒子对中的一个盒子，里面如果有原子（光子），就放弃，如果没有就让另一侧的原子（光子）往靶屏上打，多次反复之后应该看到两个盒子同时打开时才会有的干涉条纹。然而试验的结果是，没有干涉条纹，于是，我们可以宣布，经典物理学家们，你们错了，就是这样。

 

    在这样的盒子对中，原子（光子）到底是粒子还是波，是由我后来的实验选择到底是只打开一个盒子还是把两个盒子同时打开而决定的。还记得那个资助的故事吗？你到底是助人为乐，还是受骗上当，这是由我后来还不还你钱决定的。这个故事看起来似乎和量子理论确实有些关联，你是会由于相信量子理论，因而相信故事中如此论述确实可以推翻因果律，还是由于质疑这个故事因而质疑量子理论中的因果悖论？

 

    那么，在量子理论中，到底干了什么才叫做观察？不同的量子科学家说法竟然是不同的! 我们就拿个正统版本来介绍吧。“不管是直接，还是间接，最后都要被智能生物感知，才算观察”（笔者注：量子科学家们先别急着和笔者抬杠，自己统一了口径再说吧）

 

    那么，下一个问题来了，什么叫智能生物？这时候，量子科学家会抬出哥德尔定理，说这样的概念链条会没完没了，凭借常识就好了。

 

    薛定谔写出了作为量子力学根基的薛定谔方程，而他自身也无法接受“观察创造了物理实在”这样的理论，下面我们引用《量子之谜》书中的一段对话：

 

薛定谔：哥本哈根解释是虎头蛇尾。大自然想告诉我们一些东西，可哥本哈根告诉我们不要听。量子理论真荒谬！

 

同事：但是先生，您的理论非常有效。从来没有预言错过。所以一切都正常。

 

薛定谔：这么说吧，我看了一下，发现在某个地方有个原子。按照量子理论，在我看之前，它不在那儿，在那个地方它根本不存在。它根本不存在于任何地方？

 

同事：这是正确的。在您看它之前，它是一个波函数，只是概率。原子并不存在于任何特定的地方。

 

薛定谔：你是说是我的观察在我发现它的地方创建了原子？

 

同事：嗯，是的，先生。您的理论就是这么说的。

 

薛定谔：这是愚蠢的唯我论。你这是在否认存在一个物理上真实的世界。我坐的这把椅子就是一把非常真实的椅子。

 

同事：哦，那当然，薛定谔教授，您的椅子是真实的。只有小东西的属性是由观察创造的。

 

薛定谔：你说量子理论只适用于小的东西？

 

同事：不，先生，您的公式适用于一切对象。但是，用大的东西来做干涉实验是不可能的。因此出于实用的考虑，我们没有理由担心大东西的实在性。

 

薛定谔：大的东西仅仅是原子的集合。如果原子的物理实在性不存在，它们的集合就不可能是真实的。如果量子理论说，真实世界是由我们看它而创建的，这种理论简直荒谬透顶！

 

    这里面还有很多故事，有薛定谔猫的故事，有EPR佯谬，贝尔不等式和贝尔量子试验等等，后面我们还要具体地谈，现在，简单地总结一下这一部分的内容。

 

    对于量子理论中的怪异之处，量子科学家们是这样主张的：量子力学没有错误的预言，如果你想说我的理论是荒谬的，请你设计实验证明它的错误。

 

    爱因斯坦、薛定谔等经典物理学家们无法接受这样的“荒谬”理论，不知是他们没有注意到“荒谬”和“错误”之间的区别，还是对自己精通的经典理论有着强大的自信，他们设计了一个个实验，有些受试验条件限制，只是思想实验。必须承认，不论是双缝（盒子对）试验还是验证EPR佯谬的贝尔量子试验，都是伟大的实验。但是这些由后人进行的试验没有按照经典物理学家们的预想，反而验证了量子力学的预言，得到的是单靠经典理论无法解释的实验结果。

 

    量子理论似乎从一开始就是以这样的方式展开，试验不是在证明我是正确的，而是在证明意图证明我错误的试验的失败。不论这个理论听起来是多么令人生疑，量子科学家们只坚持一条“我赢了，你输了，再多说都是废话”。

 

    但是如果回过头来再来整理，我们不禁好奇，这些实验到底证明了什么？毫无疑问，它肯定证明了纯粹的经典理论在这个领域的不适用，新理论是必要的。但是它是否能够证明“是观察创造了物理实在”这样的说法？

 

    这里面涉及到“科学的任务”，我们不能把学识理解为攻城掠地的强权。笔者在“灵魂学”中曾经强调的“主观视角”和“客观视角”，在这里它们正好可以派上用场。量子科学家们似乎在回避哲学争论，可是量子理论根本就是踏着哲学的波浪而来的。在这里我们确实有必要理清这些论断所处的视角，否则只会变成鸡同鸭讲。

 

    “月亮，你不去看，它就不一定在那里”，对于这句话笔者只是强调，它已经背离了科学，而没有说，这个说法是错误的，这才是问题的关键。

 

    明白了，还是错乱了？