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第11章 第八章論戰-2

上帝擲骰子嗎 曹天元 12530 2018-03-20
誠然,即使只分離這麼一點點鈾235也是非常困難的。美國動用了15000人,投資超過20億美元才完成整個曼哈頓計劃。而德國整個只有100多人在搞這事,總資金不過百萬馬克左右,這簡直是笑話。但這都不是關鍵,關鍵是,海森堡到底知不知道準確的數字?如果他的確有一個準確數字的概念,那麼雖然這德國來說仍然是困難的,但至少不是那樣的遙不可及,難以克服。英國也同樣困難,但他們知道準確的臨界質量數字,於是仍然上馬了原子彈計劃。 海森堡爭辯說,他對此非常清楚,他引用了許多證據說明在與斯佩爾會面前他的確知道準確的數字。可惜他的證據全都模糊不清,無法確定。德國的報告上的確說一個炸彈可能需要10-100千克,海森堡也描繪過一個“菠蘿”大小的炸彈,這被許多人看作證明。然而這些全都是指钚炸彈,而不是鈾235炸彈。這些數字不是證明出來的,而是猜測的,德國根本沒有反應堆來大量生產钚。德國科學家們在許多時候都流露出這樣的印象,鈾炸彈至少需要幾噸的鈾235。

不過當然你也可以從反方面去理解,海森堡故意隱瞞了數字,只有天知地知他一個人知。他一手造成誇大了的假相。 至於反應堆,其實石墨也可以做很好的減速劑,美國人就是用的石墨。可是當時海森堡委派波特去做實驗,他的結果錯了好幾倍,顯示石墨不適合用在反應堆中,於是德國人只好在重水這一棵樹上吊死。這又是一個懸案,海森堡把責任推到波特身上,說他用的石墨不純,因此導致了整個計劃失敗。波特是非常有名的實驗物理學家,後來也得了諾貝爾獎,這個黑鍋如何肯背。他給海森堡寫信,暗示說石墨是純的,而且和理論相符合!如果說實驗錯了,那還不如說理論錯了,理論可是海森堡負責的。在最初的聲明中海森堡被迫撤回了對波特的指責,但在以後的歲月中,他,魏扎克,沃茲等人仍然不斷地把波特拉進來頂罪。目前看來,德國人當年無論是理論還是實驗上都錯了。

對這一公案的爭論逐漸激烈起來,最有影響的幾本著作有:Robert Jungk的《比一千個太陽更明亮》(Brighter Than a Thousand Sunds,1956),此書讚揚了德國科學家那高尚的道義,在戰時不忘人類公德,雖然洞察原子彈的奧秘,卻不打開這潘多拉盒子。 1967年David Irving出版了《德國原子彈計劃》(The German Atomic Bomb),此時德國當年的秘密武器報告已經得見天日,給作品帶來了豐富的資料。 Irving雖然不認為德國科學家有吹噓的那樣高尚的品德,但他仍然相信當年德國人是清楚原子彈技術的。然後是Margaret Gowing那本關於英國核計劃的歷史,裡面考證說德國人當年在一些基本問題上錯得離譜,這讓海森堡本人非常惱火。他說:“(這本書)大錯特錯,每一句都是錯的,完全是胡說八道。”他隨後出版了著名的自傳《物理和物理之外》(Physics and Beyond),自然再次地強調了德國人的道德和科學水平。凡是當年和此事有點關係的人都紛紛發表評論意見,眾說紛紜,有如聚訟,誰也沒法說服對方。

1989年,楊振寧在上海交大演講的時候還說:“……很好的海森堡傳記至今還沒寫出,而已有的傳記對這件事是語焉不詳的……這是一段非常複雜的歷史,我相信將來有人會寫出重要的有關海森堡的傳記。” 幸運的是,從那時起到今天,事情總算是如其所願,有了根本性的變化。 四 愛因斯坦沒有出席1933年第七屆索爾維會議,他被納粹德國逼得離開家鄉,流落異國,憂鬱地思索著歐洲那悲慘的未來。另一方面,這屆索爾維會議的議題也早就不是量子論本身,而換成了另一個激動人心的話題:爆炸般發展的原子物理。不過這個領域裡的成就當然也是在量子論的基礎上取得的,而量子力學的基本形式已經確定下來,成為物理學的基礎。似乎是塵埃落定,沒什麼人再懷疑它的力量和正確性了。

在人們的一片樂觀情緒中,愛因斯坦和薛定諤等寥寥幾人愈加顯得孤獨起來。薛定諤和德布羅意參加了1933年索爾維會議,卻都沒有發言,也許是他們對這一領域不太熟悉的緣故吧。新新人類們在激動地探討物質的產生和湮滅、正電子、重水、中子……那樣多的新發現讓人眼花繚亂,根本忙不過來。而愛因斯坦他們現在還能做什麼呢?難道他們的思想真的已經如此過時,以致跟不上新時代那飛一般的步伐了嗎? 1933年9月25日,埃崙費斯特在荷蘭萊登槍殺了他那患有智力障礙的兒子,然後自殺了。他在留給愛因斯坦,玻爾等好友的信中說:“這幾年我越來越難以理解物理學的飛速發展,我努力嘗試,卻更為絕望和撕心裂肺,我終於決定放棄一切。我的生活令人極度厭倦……我僅僅是為了孩子們的經濟來源而活著,這使我感到罪惡。我試過別的方法但是收效甚微,因此我越來越多地去考慮自殺的種種細節,除此之外我沒有第二條路走了……原諒我吧。”

在愛因斯坦看來,埃崙費斯特的悲劇無疑是一個時代的悲劇。兩代物理學家的思想猛烈衝突和撞擊,在一個天翻地覆的飄搖亂世,帶給整個物理學以強烈的陣痛。埃崙費斯特雖然從理智上支持玻爾,但當一個文化衰落之時,曾經為此文化所感之人必感到強烈的痛苦。昔日黃金時代的黯淡老去,代以雨後春筍般興起的新思潮,從量子到量子場論,原子中各種新粒子層出不窮,稀奇古怪的概念統治整個世界。愛因斯坦的心中何曾沒有埃崙費斯特那樣難以名狀的巨大憂傷?愛因斯坦遠遠地,孤獨地站在鴻溝的另一邊,看著年輕人們義無反顧地高唱著向遠方進軍,每一個人都對他說他站錯了地方。這種感覺是那樣奇怪,似乎世界都顯得朦朧而不真實。難怪曾經有人嘆息說,寧願早死幾年,也不願看到現代物理這樣一幅令人難以接受的畫面。不過,愛因斯坦卻仍然沒有倒下,雖然他身在異鄉,他的第二個妻子又重病纏身,不久將與他生離死別,可這一切都不能使愛因斯坦放棄內心那個堅強的信仰,那個對於堅固的因果關係,對於一個宇宙和諧秩序的痴痴信仰。愛因斯坦仍然選擇戰鬥,他的身影在斜陽下拉得那樣長,似乎是勇敢的老戰士為一個消逝的王國做最後的悲壯抗爭。

這一次他爭取到了兩個同盟軍,他們分別是他的兩個同事波多爾斯基(Boris Podolsky)和羅森(Nathan Rosen)。 1935年3月,三人共同在《物理評論》(Physics Review)雜誌上發表了一篇論文,名字叫《量子力學對物理實在的描述可能是完備的嗎? 》,再一次對量子論的基礎發起攻擊。當然他們改變策略,不再說量子論是自相矛盾,或者錯誤的,而改說它是“不完備”的。具體來說,三人爭辯量子論的那種對於觀察和波函數的解釋是不對的。 我們用一個稍稍簡化了的實驗來描述他們的主要論據。我們已經知道,量子論認為在我們沒有觀察之前,一個粒子的狀態是不確定的,它的波函數彌散開來,代表它的概率。但當我們探測以後,波函數坍縮,粒子隨機地取一個確定值出現在我們面前。

現在讓我們想像一個大粒子,它是不穩定的,很快就會衰變成兩個小粒子,向相反的兩個方向飛開去。我們假設這種粒子有兩種可能的自旋,分別叫“左”和“右”,那麼如果粒子A的自旋為“左”,粒子B的自旋便一定是“右”,以保持總體守恆,反之亦然。 好,現在大粒子分裂了,兩個小粒子相對飛了出去。但是要記住,在我們沒有觀察其中任何一個之前,它們的狀態都是不確定的,只有一個波函數可以描繪它們。只要我們不去探測,每個粒子的自旋便都處在一種左/右可能性疊加的混合狀態,為了方便我們假定兩種概率對半分,各50%。 現在我們觀察粒子A,於是它的波函數一瞬間坍縮了,隨機地選擇了一種狀態,比如說是“左”旋。但是因為我們知道兩個粒子總體要守恆,那麼現在粒子B肯定就是“右”旋了。問題是,在這之前,粒子A和粒子B之間可能已經相隔非常遙遠的距離,比如說幾萬光年好了。它們怎麼能夠做到及時地互相通信,使得在粒子A坍縮成左的一剎那,粒子B毅然坍縮成右呢?

量子論的概率解釋告訴我們,粒子A選擇“左”,那是一個完全隨機的決定,兩個粒子並沒有事先商量好,說粒子A一定會選擇左。事實上,這種選擇是它被觀測的那一剎那才做出的,並沒有先兆。關鍵在於,當A隨機地作出一個選擇時,遠在天邊的B便一定要根據它的決定而作出相應的坍縮,變成與A不同的狀態以保持總體守恆。那麼,B是如何得知這一遙遠的信息的呢?難道有超過光速的信號來回於它們之間? 假設有兩個觀察者在宇宙的兩端守株待兔,在某個時刻t,他們同時進行了觀測。一個觀測A,另一個同時觀測B,那麼,這兩個粒子會不會因為距離過於遙遠,一時無法對上口徑而在倉促間做出手忙腳亂的選擇,比如兩個同時變成了“左”,或者“右”?顯然是不太可能的,不然就違反了守恆定律,那麼是什麼讓它們之間保持著心有靈犀的默契,當你是“左”的時候,我一定是“右”?

愛因斯坦等人認為,既然不可能有超過光速的信號傳播,那麼說粒子A和B在觀測前是“不確定的幽靈”顯然是難以自圓其說的。唯一的可能是兩個粒子從分離的一剎那開始,其狀態已經確定了,後來人們的觀測只不過是得到了這種狀態的信息而已,就像經典世界中所描繪的那樣。粒子在觀測時才變成真實的說法顯然違背了相對論的原理,它其中涉及到瞬間傳播的信號。這個詰難以三位發起者的首字母命名,稱為“EPR佯謬”。 玻爾在得到這個消息後大吃一驚,他馬上放下手頭的其他工作,來全神貫注地對付愛因斯坦的這次挑戰。這套潛心演練的新陣法看起來氣勢洶洶,宏大堂皇,頗能奪人心魄,但玻爾也算是愛因斯坦的老對手了。他睡了一覺後,馬上發現了其中的破綻所在,原來這看上去讓人眼花繚亂的一次攻擊卻是個完完全全的虛招,並無實質力量。玻爾不禁得意地唱起一支小調,調侃了波多爾斯基一下。

原來愛因斯坦和玻爾根本沒有個共同的基礎。在愛因斯坦的潛意識裡,一直有個經典的“實在”影像。他不言而喻地假定,EPR實驗中的兩個粒子在觀察之前,分別都有個“客觀”的自旋狀態存在,就算是概率混合吧,但粒子客觀地存在於那裡。但玻爾的意思是,在觀測之前,沒有一個什麼粒子的“自旋”!那時候自旋的粒子是不存在的,不是客觀實在的一部分,這不能用經典語言來表達,只有波函數可以描述。因此在觀察之前,兩個粒子——無論相隔多遠都好——仍然是一個互相關聯的整體!它們仍然必須被看作母粒子分裂時的一個全部,直到觀察以前,這兩個獨立的粒子都是不存在的,更談不上客觀的自旋狀態! 這是愛因斯坦和玻爾思想基礎的尖銳衝突,玻爾認為,當沒有觀測的時候,不存在一個客觀獨立的世界。所謂“實在”只有和觀測手段連起來講才有意義。在觀測之前,並沒有“兩個粒子”,而只有“一個粒子”,直到我們觀測了A或者B,兩個粒子才變成真實,變成客觀獨立的存在。但在那以前,它們仍然是互相聯繫的一個虛無整體。並不存在什麼超光速的信號,兩個遙遠的粒子只有到觀測的時候才同時出現在宇宙中,它們本是協調的一體,之間無需傳遞什麼信號。其實是這個系統沒有實在性,而不是沒有定域性。 EPR佯謬其實根本不是什麼佯謬,它最多表明了,在“經典實在觀”看來,量子論是不完備的,這簡直是廢話。但是在玻爾那種“量子實在觀”看來,它是非常完備和邏輯自洽的。 既生愛,何生玻。兩人的世紀爭論進入了尾聲。在哲學基礎上的不同使得兩人間的意見分歧直到最後也沒能調和。一直到死,玻爾也未能使愛因斯坦信服,認為量子論的解釋是完備的。而玻爾本人也一直在同愛因斯坦的思想作鬥爭,在他1962年去世後的第二天,人們在他的黑板上仍然發現畫有當年愛因斯坦光箱實驗的草圖。兩位科學巨人都為各自的信念而奮鬥了畢生,但別的科學家已經甚少關心這種爭執。在量子論的引導下,科學顯得如此朝氣蓬勃,它的各個分支以火箭般的速度發展,給人類社會帶來了偉大的技術革命。從半導體到核能,從激光到電子顯微鏡,從集成電路到分子生物學,量子論把它的光輝播撒到人類社會的每一個角落,成為有史以來在實用中最成功的物理理論。許多人覺得,爭論量子論到底對不對簡直太可笑了,只要轉過頭,看看身邊發生的一切,看看社會的日新月異,目光所及,無不是量子論的最好證明。 如果說EPR最大的價值所在,那就是它和別的奇想空談不同。只要稍微改裝一下,EPR是可以為實踐所檢驗的!我們的史話在以後會談到,人們是如何在實驗室裡用實踐裁決了愛因斯坦和玻爾的爭論,經典實在的概念無可奈何花落去,只留下一個蒼涼的背影和深沉的嘆息。 但量子論仍然困擾著我們。它的內在意義是如此撲朔迷離,使得對它的詮釋依舊眾說紛紜。量子論取得的成就是無可懷疑的,但人們一直無法確認它的真實面目所在,這爭論一直持續到今天。它將把一些讓物理學家們毛骨悚然的概念帶入物理中,令人一想來就不禁倒吸一口涼氣。而反對派那裡還有一個薛定諤,他要放出一隻可怕的怪獸,撕咬人們的理智和神經,這就是叫許多人聞之色變的“薛定諤的貓”。 ********* 飯後閒話:海森堡和德國原子彈計劃(四) 海森堡本人於1976年去世了。在他死後兩年,英國人Jones出版了《高度機密戰爭:英國科學情報部門》(Most Secret War:British Scientific ntelligentce)一書,詳細地分析了海森堡當年在計算時犯下的令人咋舌的錯誤。但他的分析卻沒有被Mark Walker所採信,在資料詳細的《德國國家社會主義及核力量的尋求》(German National Socialism and the Quest for Nubclear Power,1989年出版)中,Walker還是認為海森堡在1942年頭腦清楚,知道正確的事實。 到了1992年,Hofstra大學的戴維?卡西迪(David Cassidy)出版了著名的海森堡傳記《不確定性:海森堡傳》,這至今仍被認為是海森堡的標準傳記。他分析了整件事情,並最後站在了古德施密特等人的立場上,認為海森堡並沒有什麼主觀的願望去“摧毀”一個原子彈計劃,他當年確實算錯了。 但是很快到了1993年,戲劇性的情況又發生了。 Thomas Powers寫出了巨著《海森堡的戰爭》(Heisenberg's War)。 Powers本是記者出身,非常了解如何使得作品具有可讀性。因此雖然這本厚書足有607頁,但文字奇巧,讀來引人入勝,很快成了暢銷作品。 Powers言之鑿鑿地說,海森堡當年不僅僅是“消極”地對待原子彈計劃,他更是“積極”地破壞了這個計劃的成功實施。他繪聲繪色地向人們描繪了一幕幕陰謀、間諜、計劃,後來有人挪揄說,這本書的前半部分簡直就是一部間諜小說。不管怎麼樣說,這本書在公眾中的反響是很大的,海森堡作為一個高尚的,富有機智和正義感的科學家形像也深入人心,更直接影響了後來的戲劇《哥本哈根》。從以上的描述可以見到,對這件事的看法在短短幾年中產生了多少極端不同的看法,這在科學史上幾乎獨一無二。 1992年披露了一件非常重要的史料,那就是海森堡他們當初被囚在Farm Hall的竊聽錄音抄本。這個東東長期來是保密的,只能在幾個消息靈通者的著作中見到一星半點。 1992年這份被稱為Farm Hall Transcript的文件解密,由加州大學伯克利出版,引起轟動。 Powers就借助了這份新資料,寫出了他的著作。 《海森堡的戰爭》一書被英國記者兼劇作家Michael Frayn讀到,後者為其所深深吸引,不由產生了一個巧妙的戲劇構思。在“海森堡之謎”的核心,有一幕非常神秘,長期為人們爭議不休的場景,那就是1941年他對玻爾的訪問。當時丹麥已被德國占領,納粹在全歐洲的攻勢勢如破竹。海森堡那時意識到了原子彈製造的可能性,他和魏扎克兩人急急地假借一個學術會議的名頭,跑到哥本哈根去會見當年的老師玻爾。這次會見的目的和談話內容一直不為人所知,玻爾本人對此隱諱莫深,絕口不談。唯一能夠確定的就是當時兩人鬧得很不愉快,玻爾和海森堡之間原本情若父子,但這次見面後多年的情義一朝了斷,只剩下表面上的客氣。發生了什麼事? 有人說,海森堡去警告玻爾讓他注意德國的計劃。有人說海森堡去試圖把玻爾也拉進他們的計劃中來。有人說海森堡想探聽盟軍在這方面的進展如何。有人說海森堡感到罪孽,要向玻爾這位“教皇”請求寬恕…… Michael Frayn著迷於Powers的說法,海森堡去到哥本哈根向玻爾求證盟軍在這方面的進展,並試圖達成協議,雙方一起“破壞”這個可怕的計劃。也就是說,任何一方的科學家都不要積極投入到原子彈這個領域中去,這樣大家扯平,人類也可以得救。這幾乎是一幕可遇而不可求的戲劇場景,種種複雜的環境和內心衝突交織在一起,糾纏成千千情結,組成精彩的高潮段落。一方面海森堡有強烈的愛國熱情和服從性,他無法拒絕為德國服務的命令。但海森堡又掙扎於人類的責任感,感受到科學家的道德情懷。而且他又是那樣生怕盟軍也造出原子彈,給祖國造成永遠的傷痕。海森堡面對玻爾,那個偉大的老師玻爾,那個他當作父親一樣看待的玻爾,曾經領導夢幻般哥本哈根派的玻爾,卻也是“敵人”玻爾,視德國為仇敵的玻爾,卻又教人如何開口,如何遣詞……少年的回憶,物理上的思索,敬愛的師長,現實的政治,祖國的感情,人類的道德責任,戰爭年代……這些融在一起會產生怎樣的語言和思緒?還有比這更傑出的戲劇題材嗎? 《哥本哈根》的第一幕中為海森堡安排瞭如此的台詞: “玻爾,我必須知道(盟軍的計劃)!我是那個能夠作出最後決定的人!如果盟軍也在製造炸彈,我正在為我的祖國作出怎樣的選擇?……要是一個人認為如果祖國做錯了,他就不應該愛她,那是錯誤的。德意志是生我養我的地方,是我長大成人的地方,她是我童年時的一張張面孔,是我跌倒時把我扶起的那雙雙大手,是鼓起我的勇氣支持我前進的那些聲音,是和我內心直接對話的那些靈魂。德國是我孀居的母親和難纏的兄弟,德國是我的妻子,是我的孩子,我必須知道我正在為她作出怎樣的決定!是又一次的失敗?又一場惡夢,如同伴隨我成長起來的那個一樣的惡夢?玻爾,我在慕尼黑的童年結束在無政府和內戰中,我們的孩子們是不是要再一次挨餓,就像我們當年那樣?他們是不是要像我那樣,在寒冷的冬夜里手腳並用地爬過敵人的封鎖線,在黑暗的掩護下於雪地中匍匐前進,只是為了給家裡找來一些食物?他們是不是會像我17歲那年時,整個晚上守著驚恐的犯人,長夜裡不停地和他們說話,因為他們一早就要被處決?” 這樣的殘酷的兩難,造成觀眾情感上的巨大衝擊,展示整個複雜的人性。戲劇本質上便是一連串的衝突,如此精彩的題材,已經註定了這是一出偉大的戲劇作品。但從歷史上來說,這樣的美妙景象卻是靠不住的。 Michael Frayn後來說他認為Powers有道理,至少他掌握了以前人們沒有的資料,也就是Farm Hall Transcript,可惜他的這一寶似乎押錯了。 五 即使擺脫了愛因斯坦,量子論也沒有多少輕鬆。關於測量的難題總是困擾著多數物理學家,只不過他們通常樂得不去想它。不管它有多奇怪,太陽還是每天升起,不是嗎?週末仍然有聯賽,那個足球還是硬梆梆的。你的工資不會因為不確定性而有奇妙的增長。考試交白捲而依然拿到學分的機會仍舊是沒有的。你化成一團概率波直接穿過牆壁而走到房子外面,怎麼說呢,不是完全不可能的,但機會是如此之低,以致你數盡了恒河沙,輪迴了億萬世,宇宙入滅而又涅槃了無數回,還是難得見到這種景象。 確實是這樣,電子是個幽靈就讓它去好了。只要我們日常所見的那個世界實實在在,這也就不會增添樂觀的世人太多的煩惱。可是薛定諤不這麼想,如果世界是建立在幽靈的基礎上,誰說世界本身不就是個幽靈呢?量子論玩的這種瞞天過海的把戲,是別想逃過他的眼睛的。 EPR出台的時候,薛定諤大為高興,稱讚愛因斯坦“抓住了量子論的小辮子。”受此啟發,他在1935年也發表了一篇論文,題為《量子力學的現狀》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik),文中的口氣非常諷刺。總而言之,是和哥本哈根派誓不兩立的了。 在論文的第5節,薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗。好,哥本哈根派說,沒有測量之前,一個粒子的狀態模糊不清,處於各種可能性的混合疊加,是吧?比如一個放射性原子,它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察,它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中,只有確實地測量了,它才隨機選擇一種狀態而出現。 好得很,那麼讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。現在薛定諤想像了一種結構巧妙的精密裝置,每當原子衰變而放出一個中子,它就激發一連串連鎖反應,最終結果是打破箱子裡的一個毒氣瓶,而同時在箱子裡的還有一隻可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了,那麼毒氣瓶就被打破,貓就被毒死。要是原子沒有衰變,那麼貓就好好地活著。 自然的推論:當它們都被鎖在箱子裡時,因為我們沒有觀察,所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定,所以貓的狀態也不確定,只有當我們打開箱子察看,事情才最終定論:要么貓四腳朝天躺在箱子裡死掉了,要么它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問題是,當我們沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀態?似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態,這隻貓當時陷於一種死/活的混合。 現在就不光光是原子是否幽靈的問題了,現在貓也變成了幽靈。一隻貓同時又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態?這未免和常識太過衝突,同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一隻活貓,那麼要是它能說話,它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受?恐怕不太可能。 薛定諤的實驗把量子效應放大到了我們的日常世界,現在量子的奇特性質牽涉到我們的日常生活了,牽涉到我們心愛的寵物貓究竟是死還是活的問題。這個實驗雖然簡單,卻比EPR要辛辣許多,這一次扎得哥本哈根派夠疼的。他們不得不退一步以嚥下這杯苦酒:是的,當我們沒有觀察的時候,那隻貓的確是又死又活的。 不僅僅是貓,一切的一切,當我們不去觀察的時候,都是處在不確定的疊加狀態的,因為世間萬物也都是由服從不確定性原理的原子組成,所以一切都不能免俗。量子派後來有一個被哄傳得很廣的論調說:“當我們不觀察時,月亮是不存在的”。這稍稍偏離了本意,準確來說,因為月亮也是由不確定的粒子組成的,所以如果我們轉過頭不去看月亮,那一大堆粒子就開始按照波函數彌散開去。於是乎,月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定,它逐漸“融化”,變成概率波擴散到周圍的空間裡去。當然這麼大一個月亮完全融化成空間中的概率是需要很長很長時間的,不過問題的實質是:要是不觀察月亮,它就從確定的狀態變成無數不確定的疊加。不觀察它時,一個確定的,客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭,一輪明月便又高懸空中,似乎什麼事也沒發生過一樣。 不能不承認,這聽起來很有強烈的主觀唯心論的味道。雖然它其實和我們通常理解的那種哲學理論有一定區別,不過講到這裡,許多人大概都會自然而然地想起貝克萊(George Berkeley)主教的那句名言:“存在就是被感知”(拉丁文:Esse Est Percipi)。這句話要是稍微改一改講成“存在就是被測量”,那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學史上的地位無疑是重要的,但人們通常樂於批判他,我們的哥本哈根派是否比他走得更遠呢?好歹貝克萊還認為事物是連續客觀地存在的,因為總有“上帝”在不停地看著一切。而量子論? “陛下,我不需要上帝這個假設”。 與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽明。他在《傳習錄?下》中也說過一句有名的話:“你未看此花時,此花與汝同歸於寂;你來看此花時,則此花顏色一時明白起來……”如果王陽明懂量子論,他多半會說:“你未觀測此花時,此花並未實在地存在,按波函數而歸於寂;你來觀測此花時,則此花波函數發生坍縮,它的顏色一時變成明白的實在……”測量即是理,測量外無理。 當然,我們無意把這篇史話變成純粹的乏味的哲學探討,經驗往往表明,這類空洞的議論最終會變成毫無意義,讓人昏昏欲睡的雞肋文字。我們還是回到具體的問題上來,當我們不去觀察箱子內的情況的時候,那隻貓真的“又是活的又是死的”? 這的確是一個讓人尷尬和難以想像的問題。霍金曾說過:“當我聽說薛定諤的貓的時候,我就跑去拿槍。”薛定諤本人在論文裡把它描述成一個“惡魔般的裝置”(diabolische,英文diabolical,玩Diablo的人大概能更好地理解它的意思)。我們已經見識到了量子論那種種令人驚異甚至瞠目結舌的古怪性質,但那隻是在我們根本不熟悉也沒有太大興趣了解的微觀世界而已,可現在它突然要開始影響我們周圍的一切了?一個人或許能接受電子處在疊加狀態的事實,但一旦談論起宏觀的事物比如我們的貓也處在某種“疊加”狀態,任誰都要感到一點畏首畏尾。不過,對於這個問題,我們現在已經知道許多,特別是近十年來有著許多傑出的實驗來證實它的一些奇特的性質。但我們還是按著我們史話的步伐,一步步地來探究這個饒有趣味的話題,還是從哥本哈根解釋說起吧。 貓處於死/活的疊加態?人們無法接受這一點,最關鍵的地方就在於:經驗告訴我們這種奇異的二重狀態似乎是不太可能被一個宏觀的生物,比如貓或者我們自己,所感受到的。還是那句話:如果貓能說話,它會描述這種二象性的感覺嗎?如果它僥倖倖存,它會不會說:“是的,我當時變成了一縷概率波,我感到自己瀰漫在空間裡,一半已經死去了,而另一半還活著。這真是令人飄飄然的感覺,你也來試試看?”這恐怕沒人相信。 好,我們退一步,貓不會說話,那麼我們把一個會說話的人放入箱子裡面去。當然,這聽起來有點殘忍,似乎是納粹的毒氣集中營,不過我們只是在想像中進行而已。這個人如果能生還,他會那樣說嗎?顯然不會,他肯定無比堅定地宣稱,自己從頭到尾都活得好好的,根本沒有什麼半生半死的狀態出現。可是,這次不同了,因為他自己已經是一個觀察者了啊!他在箱子裡不斷觀察自己的狀態,從而不停地觸動自己的波函數坍縮,我們把一個觀測者放進了箱子裡! 可是,奇怪,為什麼我們對貓就不能這樣說呢?貓也在不停觀察著自己啊。貓和人有什麼不同呢?難道區別就在於一個可以出來憤怒地反駁量子論的論調,一個只能“喵喵”叫嗎?令我們吃驚的是,這的確可能是至關重要的分別!人可以感覺到自己的存活,而貓不能,換句話說,人有能力“測量”自己活著與否,而貓不能!人有一樣貓所沒有的東西,那就是“意識”!因此,人能夠測量自己的波函數使其坍縮,而貓無能為力,只能停留在死/活疊加任其發展的波函數中。 意識!這個字眼出現在物理學中真是難以想像。如果它還出自一位諾貝爾物理學獎得主之口,是不是令人暈眩不已?難道,這世界真的已經改變了麼? 半死半活的“薛定諤的貓”是科學史上著名的怪異形象之一,和它同列名人堂的也許還有芝諾的那隻永遠追不上的烏龜,拉普拉斯的那位無所不知從而預言一切的老智者,麥克斯韋的那個機智地控制出入口,以致快慢分子逐漸分離,系統熵為之倒流的妖精,被相對論搞得頭昏腦漲,分不清誰是哥哥誰是弟弟的那對雙生子,等等等等。薛定諤的貓在大眾中也十分受歡迎,常常出現在劇本,漫畫和音樂中,雖然比不上同胞Garfield或者Tom,也算是有點人氣。有意思的是,它常常和“巴甫洛夫的狗”作為搭檔一唱一和出現。它最長臉的一次大概是被“恐懼之淚”(Tears for Fears),這個在80年代紅極一時的樂隊作為一首歌的標題演唱,雖然歌詞是“薛定諤的貓死在了這個世界”。 ********* 飯後閒話:海森堡和德國原子彈計劃(五) 《哥本哈根》一劇於1998年5月21日於倫敦皇家劇院首演,隨後進軍法國和百老匯,引起轟動,囊括了包括英國標準晚報獎(Evening Standard),法國莫里哀戲劇獎和美國東尼獎等一系列殊榮。劇本描寫玻爾和夫人瑪格麗特,還有海森堡三人在死後重聚在某個時空,不斷地回首前塵往世,追尋1941年會面的前因後果。時空維度的錯亂,從各個角度對前生的探尋,簡潔卻富予深意的對話,平淡到極點的佈景,把氣氛塑造得迷離惝恍,如夢如幻,從戲劇角度說極其出色,得到好評如潮。後來PBS又把它改編成電視劇播出,獲得的成功是巨大的。 但Thomas Powers《海森堡的戰爭》一書的命運卻大相徑庭。甚至早在《哥》劇大紅大紫之前,它便開始被許多歷史學家所批評,一時間在各種學術期刊上幾乎成為眾矢之的。因為對Farm Hall Transcript稍加深入的研究很快就表明事實完全和Powers說的不一樣。海森堡的主要傳記作者Cassidy在為Nature雜誌寫的書評裡說:“……該作者在研究中過於膚淺,對材料的處理又過於帶有偏見,以致於他的精心論證一點也不令人信服。(Nature V363)”而Science雜誌的評論則說:“這本書,就像鈾的臨界質量一樣,需要特別小心地對待。(Science V259)”紐約大學的Paul Forman在《美國歷史評論》雜誌上說:“(這本書)更適合做一本小說,而不是學術著作。”他統計說在英美的評論者中,大約3/5的人完全不相信Powers的話,1/5的人認為他不那麼具有說服力,只有1/5傾向於贊同他的說法。 而在1998年出版的《海森堡與納粹原子彈計劃》一書中,歷史學家Paul Rose大約是過於義憤填膺,用了許多在學者中少見的尖刻詞語來評價Powers的這本書,諸如“徹頭徹尾虛假的(entirely bogus)”、'幻想(fantasy)”、“學術上的災難(scholarly disaster)”、“臃腫的(elephantine)”……等等。 OK,不管人們怎麼說,我們還是回過頭來看看海森堡宣稱的一切。首先非常明顯可以感受到的就是他對於德國物理學的一種極其的自負,這種態度是如此明顯,以致後來一位德國教授評論時都說:“我真不敢相信他們竟能有如此傲慢的態度。”海森堡大約是死也不肯承認德國人在理論上“技不如人”的了,他說直到1942年雙方的進展還“基本相當”,這本身就很奇怪。盟國方面在1942年已經對原子彈的製造有了非常清楚的概念,他們明確地知道正確的臨界質量參數,他們已經做了大量的實驗得到了充分的相關數據。到了1942年12月,費米已經在芝加哥大學的網球場房裡建成了世界上第一個可控反應堆,而德國直到戰爭結束也只在這方面得到了有限的進展。一旦萬事具備,曼哈頓計劃啟動,在盟國方面整個工程就可以順利地上馬進行,而德國方面顯然不具備這樣的能力。 海森堡的這種驕傲心理是明顯的,當然這不是什麼壞事,但似乎能夠使我們更好地揣摩他的心理。當廣島的消息傳來,眾人都陷入震驚。沒心計的哈恩對海森堡說:“你只是一個二流人物,不如捲鋪蓋回家吧。”而且……前後說了兩次。海森堡要是可以容忍“二流”,那也不是海森堡了。 早在1938年,海森堡因為不肯放棄教授所謂“猶太物理學”而被黨衛軍報紙稱為“白猶太人”,他馬上通過私人關係找到希姆萊要求澄清,甚至做好了離國的準備。海森堡對索末菲說:“你知道離開德國對我來說是痛苦的事情,不是萬不得已我不會這樣做。但是,我也沒有興趣在這裡做一個二等公民。”海森堡對個人榮譽還是很看重的。 但是,一流的海森堡卻在計算中犯了一個末流,甚至不入流的錯誤,直接導致了德國對臨界質量的誇大估計。這個低級錯誤實在令人吃驚,至今無法理解為何如此,或許,一些偶然的事件真的能夠改變歷史吧?
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