量子纠缠背后的故事(卌六)

持不同政见者的盛宴

将近五年之后,贝尔才收到对他论文的第一个正面回复。那是1969年2月,发表他论文的《物理》杂志业已关门大吉。给他来信的不是什么著名人物,甚至不是教授专家,只是哥伦比亚大学一个还没毕业的研究生。

克劳泽(John Clauser)那时已经因为贝尔的论文纠结了两年多。他是在学校图书馆里无聊地翻阅期刊时偶然看到那份奇怪的刊物和其中贝尔论述EPR实验的论文。与贝尔的导师皮尔斯一样,克劳泽的导师对他兴奋的汇报丝毫不感兴趣,只是告诫他那个领域不会有实在的物理问题,搅进去只会影响自己的前途。克劳泽只好顺从地选择了那时正热火朝天的测量宇宙微波背景辐射实验做学位课题。

但他也没忘了父亲的教诲。克劳泽的父亲和伯伯是一对同卵双胞胎,双双进入加州理工学院,又一起投师冯·卡门攻读博士。冯·卡门分不清他俩谁是谁,干脆就只要求他们完成两篇选题、内容都完全不同的学位论文。他慷慨地允诺:“你们可以各自做一篇,或者一个人做两篇,也可以两个人做两篇。”兄弟俩选择了合作,联名提交了两篇论文。其一是纯数学的理论推导,另一篇则是彻底的实验结果。

博士毕业后,克劳泽的父亲成为世界著名的流体力学专家、航空工程师。他自然也很关心物理学。虽然量子物理与流体力学的数学颇为相近,他却无法理解量子力学。当儿子选择了物理专业时,他告诫道“要看数据。人们总会有各种各样的时髦理论,但你总得回头看原始数据。看你自己能否得出同样的结论。”

克劳泽发现在量子力学的基础问题上并没有原始的数据可供察看。无论是当年的爱因斯坦、玻尔还是后来的玻姆、贝尔都只是理论甚至哲学的思辩。除了玻姆和阿哈罗诺夫重新解释的吴健雄实验,他们没有任何实际的数据。当他看到贝尔描述测量纠缠中电子的自旋方向,然后检验其中的关联是否符合那个奇怪的不等式时,克劳泽明白那是一个可以获得切实数据的途径。可惜的是贝尔的论文只字未提具体的实验,只是在最后表达了期望。

尽管导师极力反对,克劳泽还是在忙于论文课题的同时抽时间查找文献,寻找可能与贝尔不等式相关实验的蛛丝马迹。他找到同校的吴健雄咨询,但一无所获。在麻省理工学院,他打听到伯克利的康明斯(Eugene Commins)教授和他学生所做的一个光学实验已经相当接近了贝尔的意图。

克劳泽的孜孜不倦终于感动了他的导师。导师建议他直接给贝尔写信询问这几年可能有的进展并讨论他自己的想法。于是,贝尔终于等到了第一个对他论文真正感兴趣的回音。


当然,贝尔那时不知道他当初遗留在布兰迪斯大学的一份论文初稿也已被那里的同事辗转传到了隔壁波士顿大学新教授西蒙尼(Abner Shimony)的手中。

西蒙尼是学哲学的。他大学本科和研究生都在耶鲁和芝加哥大学的哲学系中度过。1953年,他在耶鲁大学获得哲学博士1。他研究的是可能性和概率。在阅读了玻恩新著的《原因和机遇的自然哲学》后,他对经典统计物理与量子物理中分别涉及的几率概念发生了浓厚的兴趣。

在美国军队中服役两年后,他忍不住又回到了校园。这次是到普林斯顿大学物理系当研究生。入学时,一位教授让他阅读爱因斯坦的EPR论文,找出其中的谬误。西蒙尼没能通过这一关,他只觉得论文所述很有道理。

后来,他另外找到维格纳担任博士导师,研究他所感兴趣的统计物理。1962年,西蒙尼赢得他的第二个博士学位。那年,他还与维格纳、狄拉克一起参加了波多尔斯基在俄亥俄的会议,讨论玻姆、艾弗雷特对量子力学的新诠释。

正是在那些年间,维格纳对量子力学中的测量问题越来越感兴趣,逐步发展出他那个“维格纳的朋友”悖论。深具哲学背景的西蒙尼来得正是时候。师生俩经常半物理半哲学地讨论得不亦乐乎。

在波士顿大学,西蒙尼同时担任着哲学和物理两个系的教授,颇为左右逢源。贝尔的论文再度唤醒他当初阅读EPR论文时的感受,更激起他对物理学中这个最富有哲学意味问题的兴趣。当新入学的研究生霍恩(Michael Horne)来请他担任统计物理研究的导师时,西蒙尼不由分说地回应他已经不再做统计物理。他让霍恩读读贝尔的论文,设计一个能验证其中不等式的实验。他告诉霍恩毋庸着急。这个领域无人问津,他们肯定可以一鸣惊人,无需担心被他人抢先。

几个月后,他们已经有了可观的进展。西蒙尼原来计划在那年美国物理学会的年会上发表他们的进展,但在“不着急”之间错过了交提要的期限。在翻阅年会议程时,他极其意外地看到出自克劳泽的一份提要,其思路与他们几乎完全一致。西蒙尼不得不向霍恩承认失算,他们被克劳泽抢了先。


维格纳也注意到了贝尔的论文。

贝尔并没有以现实生活中的双胞胎做例子阐述他的想法。他的论文充斥着抽象的数学符号,可能也是被物理学家普遍忽视的原因之一。几年后的维格纳通俗化地重新演绎了贝尔的证明,并强调其中逻辑的普遍性。那不等式不仅适用于量子力学、经典物理学,甚至日常生活。在包括梅尔敏等物理学家不断推广、完善后,贝尔的证明才逐渐有了诸如以双胞胎为例子的通俗表述方式。

不过贝尔在论文中也已经明确地指出他的证明过程不涉及任何具体隐变量的假设,因此结论非常普遍。无论隐变量理论如何设计精巧鬼斧神工,只要它的作用是局域性的,就必然会在他设计的那个测量过程中表现出符合他所给出不等式的统计结果。

但量子力学的计算结果却表明针对电子自旋方向的测量会违反其相应的不等式。这就只有两个可能:量子力学对电子自旋现象的预测是错误的,会被实验证伪。倘若果真如此,量子力学便需要根本性的修正,而爱因斯坦所坚持的局域性可能依然牢不可破。反之,如果实验一如既往地证明量子力学的正确性,电子的自旋果然如理论所描述,那么唯一的结论只能是那非局域的鬼魅般超距作用、心灵感应般的量子纠缠是真实的存在。


维格纳得知西蒙尼的挫败后鼓励他不要轻易放弃,并建议他找克劳泽联系合作。正在孤独之中的克劳泽接到西蒙尼的电话后很是欣喜,立即答应合兵一处。在霍特之外,西蒙尼还从哈佛借来一位研究生霍尔特(Richard Holt)。他们因而有了四个人的小团队。

虽然贝尔以电子对的自旋作为探测量子纠缠非定域性的实例,克劳泽和霍特都不约而同地意识到光子对会是更好的实验对象。电子在实验室中时刻受到环境影响,很难完全屏蔽无处不在的电磁场。光子则不同,在发射和被吸收之间可以飞行相当长的距离而不因环境影响改变自己的状态。

光子与电子一样有着自旋,对应于宏观电磁波的偏振态。测量光子的自旋因而也相当简单直接:在光子的路径上设置类似于观看立体电影时所戴眼镜那样的偏振片。如果光子能够通行无阻,那么它们的自旋便与偏振片所设定的方向一致。如果没有光子能通过,那么它们的自旋方向则与偏振片方向垂直。

吴健雄正是这样测量了γ光子对中两个光子自旋的关联而证实它们来自正电子素的湮没。玻姆和阿哈罗诺夫认为那恰巧也证明了那样的光子对是处于远距离的纠缠之中。但是,那个实验最多只证实了当双胞胎之一喜欢足球时,另一个也同样地喜欢足球。它无法区分这个默契是来自他们(局域)的基因还是因为两人之间发生了(非局域的)心灵感应。当然,吴健雄当初实验目的不在于量子纠缠,那时也还没有贝尔的不等式。

要回答贝尔提出的问题,还需要询问双胞胎是否喜欢篮球、排球,也就是测量光子在不同方向上的偏振。但正电子素湮没所产生的γ光子能量太高,不适合这样的测量。克劳泽找出的伯克利那个实验更为合适,康明斯却也不知道贝尔的工作。他们只在同样或互相垂直的方向上分别测量了两个光子的偏振,那恰恰是两个无法区别局域与非局域的隐变量影响的两个角度差。如果改用其它的角度差重新测量,就能一举确定贝尔不等式是否被违背。

克劳泽这时已经以微波辐射背景的测量成果通过了他的博士答辩。但如他导师所警告,他在寻找博士后职位时非常不顺利。虽然他从事的是“正经的”物理研究,他在面试中有意无意透露出对贝尔不等式的兴趣吓跑了大部分教授。经过一番周折,因为发明激光获得诺贝尔奖、那时已经从哥伦比亚大学转到伯克利的汤斯给了他一个位置。克劳泽对阴错阳差的结果是他能去康明斯所在的伯克利很是暗自庆幸。

他从父亲那里承继到的不仅是对实验数据的重视,还有对航海的爱好。他在纽约研究生期间以停泊在港湾的小帆船为家。得到位于西海岸的伯克利职位后,他没有按常规穿越美国大陆,而是驾着自己的帆船沿东海岸南下,准备绕过佛罗里达半岛进入墨西哥湾后再上岸,用汽车拖运帆船到南加州,再继续架船沿西海岸北上到旧金山附近的伯克利。

在波士顿的西蒙尼不得不一次又一次将他们频繁修改中的论文稿邮寄到每一个克劳泽可能停靠的港口。克劳泽航行中也在不断地撰写论文,到港口后便与西蒙尼长途电话协调。在他遭遇风暴不得不改变航程但终于安全抵达伯克利时,他们的论文也基本大功告成。

1969年10月,署名克劳泽、霍恩、西蒙尼、霍尔特的论文《检验局域性隐变量理论的实验提议》2在《物理评论快报》上发表,量子纠缠的辩论以此从纯粹的思辩走向实际的验证。根据作者的姓氏缩写,这篇里程碑式的文章后来被称之为CHSH论文。


其实,贝尔论文发表后收到的第一个回信不是来自克劳泽。早在1966年12月初,那篇被《现代物理评论》耽误了两年的论文终于发表时,他收到了罗森菲尔德措辞严厉的信件。罗森菲尔德直言了当地告诫:“我需要告诉你,我觉得你寻找隐变量是在浪费才华。我也不知道你应该为此高兴还是难受。”

同样遭到罗森菲尔德冷嘲热讽的还有德国海德堡大学的年轻教授泽赫(Dieter Zeh)。泽赫是理论物理学家。他是在研究原子核时发现量子力学的蹊跷的。原子核是一个自我封闭的量子系统,其中质子、中子都在同一个波函数的纠缠中演变。以小看大,泽赫突然想到整个宇宙就如同一个原子核,世间万物都在其中以同一个波函数纠缠演变。唯一的区别只是宇宙之外不会有观察者造成波函数的坍缩。于不知情中,泽赫重新发现了艾弗雷特的多世界诠释,并发展出了比艾弗雷特更为详尽的数学理论。

泽赫的导师是在1963年与维格纳一起获得诺贝尔奖的核物理专家詹森(Hans Jensen)。他没法明白学生的新思想,将论文稿寄送罗森菲尔德征求意见。罗森菲尔德的回信措辞严厉,以至于詹森不敢转述给年轻的泽赫,只是告诫他千万不要再继续这个研究,否则会前途尽毁。泽赫后来发现詹森还是在同事间传阅罗森菲尔德的回信,一起哄笑不已。他们的师生情谊因而破灭。

泽赫不信邪地将论文提交给学术刊物发表时一而再再而三地碰壁。回馈的审稿意见基本上很一致地指责论文为无稽之谈。无奈,他将论文寄给了素不相识的维格纳,终于第一次得到支持。

那已经是1970年,美国的两位物理教授出于对当时主流学术刊物对这方面研究的歧视深为不满,自己创办了一个名为《物理学基础》(Foundations of Physics)的月刊作为对抗。维格纳是编辑部成员之一。他鼓励泽赫给这个新刊物投稿。很快,泽赫的论文在《物理学基础》的第一期上发表面世。


玻尔尚在世时,罗森菲尔德作为他曾经的长期助手已经成为哥本哈根学派的主力干将。面对相继来自玻姆和艾弗雷特的挑战,罗森菲尔德无论是公开场合还是私下通信都竭尽挖苦、打击之能事。玻尔去世后,他更是当仁不让,将维护导师精神遗产为己任。罗森菲尔德性情急躁,也是一位激进的马克思主义者。他坚信玻尔的互补原理是唯物辩证法之典范,不容亵渎。3

但在1960年代后期,罗森菲尔德发现他的使命愈加艰难。贝尔、泽赫这些小字辈不难对付,但挑战哥本哈根诠释之权威地位的并不限于那个躁动年代中的小年轻。

1965年,属于量子理论第一代、曾经在解释原子光谱反常塞曼效应上抢了海森堡之先的兰德出版了《量子力学新基础》4。兰德早在1929年离开德国,在美国的俄亥俄州立大学担任教职。在进入学术晚年之际,他却也不再信服曾坚持了大半辈子的正统思想,提出了自己的质疑。

维格纳更是公然举起了反叛的大旗,在学术媒体上与罗森菲尔德展开激烈的论战。在私信中,维格纳表示他的目的更在于为年轻的西蒙尼、泽赫等人提供保护伞,让他们有一个能够研究科学问题——包括哲学性的物理学基础问题——的自由学术环境。的确,面对属于前辈的兰德和诺贝尔奖获得者维格纳,罗森菲尔德无力再凭资历居高临下地恶语相向,只能眼睁睁地看着原先那只是一小撮的持不同政见者逐渐发展壮大。


玻尔1927年在科莫湖举行的纪念伏特大会上第一次提出他的互补原理时,费米还只是会上一位不知名的物理青年。二战前后,费米已经以在物理学诸多领域的卓越贡献成为公认的第一流物理学家。为表彰他的成就,意大利物理学会在1953年创立“费米国际物理学校”,每年夏天在学会所在的科莫湖举行专题讨论会。一年后,年仅53岁的费米不幸因胃癌英年早逝,以他命名的暑期学校则作为纪念延续至今。

1970年6月底,量子力学的基础问题第一次成为费米会议的主题。那次会议由法国科学家德斯班雅(Bernard d'Espagnat)主持组织。他是德布罗意的学生,欧洲核子研究中心的第一个理论物理学家。在维格纳的推荐、协助下,德斯班雅别具一格,邀请了玻姆、贝尔、西蒙尼、泽赫等人。他们在科莫湖畔欢聚一堂,被戏称为量子力学持不同政见者的盛会。德斯班雅没有邀请罗森菲尔德。

1970年意大利量子基础会议与会者合影。维格纳坐在第二排左八,是唯一系领带者。其他与会者包括:贝尔(二排左六)、德斯班雅(二排右三)、泽赫(一排右二)、西蒙尼(四排右二)。

会议第一天,维格纳做了主题发言。他开宗明义地指出如何理解量子力学依然是一个悬而未决的难题,存在有包括哥本哈根正统思想之内的六种不同诠释。泽赫兴奋地看到维格纳将他的新理论也列于其中。

贝尔第一次在量子力学的会议上成为众人瞩目的对象。就在那之前一年,剑桥曾举办过一个名为“量子理论及其它”5的学术会议,讨论量子力学的现状和前景。那个会上还没有人提到过贝尔。

西蒙尼在会上作了系列讲座,详细叙述了他们准备以实验来验证贝尔不等式在量子力学中表现的设计思想。


参加科莫湖畔这一盛会的还有德维特。他那时已经成为离开了物理学界的艾弗雷特的非官方代言人。

当年德维特与艾弗雷特通信时被告知他从来没有亲身感受到自己在测量过程中“分裂”成两份的辩解不过是以前人们声称自己感觉不到地球在运动的翻版已经是13年前的往事。在那漫长十几年中,深受感触的德维特一直对此无法忘怀。

在意大利会议的两个月后,美国物理学会的会员刊物《今日物理》(Physics Today)发表了德维特的一篇题为《量子力学与现实》6的文章,全面介绍了艾弗雷特的多世界诠释。与维格纳在会上的演讲类似,德维特将艾弗雷特的理论与哥本哈根诠释相提并论,还指出它其实更为合理。

在德维特的坚持下,艾弗雷特终于拿出了自己已经封存14年之久而陈旧不堪、但尚未被导师惠勒强行阉割的博士论文原稿。德维特阅后更为豁然开朗,完全信服了这个新理论。他将这份手稿和其它有关文章汇集起来,编辑成学术专著出版。

艾弗雷特的创见终于得以重见天日。那时候,他自己正在一个接一个地创办科研、咨询公司,成为军工企业的大拿,不再关心物理学的争执。

(待续)

系列目录

1

哲学系授予的博士学位,非通称的“Ph. D.”

2

Proposed Experiment to Test Local Hidden-Variable Theories

3

泡利曾经用数学公式将罗森菲尔德表达为玻尔乘以托洛茨基的平方根。托洛茨基(Leon Trotsky)是著名的苏联革命家。

4

New Foundations of Quantum Mechanics

5

Quantum Theory and Beyond

6

Quantum Mechanics and Reality