量子纠缠背后的故事(卌九)

嬉皮士的狂欢

1975年,一本题为《物理学之道》1的书同时在英国和美国出版。这是一本非主流的小众读物。在美国的出版社只是伯克利一个成立没几年的小作坊,专门推销一些与佛学(Buddhism)密切相关,“改造个人、社会、地球的创造性和良心方式”的书籍,迎合那个年月的“新时代”思潮。这本书题目中的“道”来自中国的道学(Taoism),副标题进一步解释了它的主旨:对现代物理学和东方神秘主义类比的探索2

谁也没料到这么一本题材冷门、作者和出版社都名不见经传的小册子竟会一鸣惊人。印数两万册的第一版在一年内销售一空,其后连年推出新版,印数一再翻番。短短几年间,它被翻译成20多种语言,畅销世界各地。在几十年近乎闭关锁国后刚刚开放的中国,这本书的编译版也以《现代物理学与东方神秘主义》为题作为风靡一时的《走向未来》丛书之一于1984年与读者见面。那时,中国也正风行起以耳朵认字、意念移物为代表的特异功能热潮。

书的作者是一位默默无名的年轻物理学家。卡普拉(Fritjof Capra)出生于奥地利,1966年在维也纳大学获得理论物理博士。作为那生不逢时一代的成员,他几年后就陷入了失业困境。他原本打算编写一部教科书以提升资历。相识的老前辈威斯科夫耐心地帮他审阅书稿,却也告诫他这是吃力不讨好的苦差,既不可能带来稿费收入,也对敲开学术界大门不会有多大帮助。

穷困潦倒之际,卡普拉在海边散心时突然有了灵感。他在加州担任博士后时曾被那里的“新时代”嬉皮浪潮吸引,跟着研习了印度学(Hinduism)、佛学、道学、孔夫子儒学(Confucianism)、禅(Zen)等一系列东方哲学。在惊涛拍岸的轰响中,他领悟到那些神秘的古老睿智与他更为熟谙的现代物理学有着太多殊途同归的共鸣。

他于是全面地改写了书稿。那不再是为物理学生准备的教材,而成为一本迎合新时代青年口味,并行交叉阐述现代物理学与东方传统思想的普及性读物。没有哪个正式的出版社愿意接手这么一本奇怪作品。在美国,只有伯克利那个也是新时代产物的小作坊将它作为介绍佛学及其它东方宗教的新书推出。

卡普拉因而一举成名。


当玻尔采用阴阳太极图作为贵族纹章时,他只是看到那个图案贴切地体现了自己在量子力学中发现的“对立即互补”理念。在那以外,他对其背后的道学并没有太多的了解或兴趣。

玻尔熟悉的是从古希腊到康德(Immanuel Kant)、马赫、叔本华(Arthur Schopenhauer)的西方哲学。他在大学期间还曾精心研读丹麦前辈哲学家的著述。那些对他后来的互补原理影响深远。

与玻尔一样,20世纪初欧洲知识界的精英们接受的是通才教育。那一代物理学家不仅对西方哲学、历史耳熟能详,还有着自己的艺术专长:爱因斯坦酷爱小提琴,海森堡是钢琴高手,薛定谔则沉迷于戏剧和吟诗作词3

遥远的东方对他们来说却只是一个神奇。世纪初,爱因斯坦、玻尔、海森堡和狄拉克等曾相继远洋旅行,对他们眼中的亚洲风土人情充满好奇和讶异。也是在那个时代,中国、印度的古籍陆续在欧洲得到系统性的翻译介绍,引起知识分子的强烈兴趣。薛定谔、泡利、约旦以及弗洛伊德、荣格等都曾投入大量时间精力研究东方哲学思想。玻恩也曾在“流放”印度的那一年中对那里的文化着了迷。

从印度的梵典到中国的《易经》,这些古朴遥远的人类思想因其陌生被统称为“东方神秘主义”。


卡普拉曾几度拜访年迈的海森堡,讨论写作中的《物理学之道》,据称得到了这位不确定原理发现者的首肯。在书出版后不久的1976年,海森堡因癌症离世,享年74岁。

在卡普拉接触新时代思潮的1960年代末,美国的嬉皮士也重新发现了东方的哲学和独特的生活态度。打坐冥想、瑜伽、气功、太极都成为追求精神解脱、释放人身潜力的新时尚。与古希腊逻辑强调局域性的因果关系相反,东方哲学大而化之,注重天人合一的整体观念。这正同鬼魅般的纠缠不谋而合。量子力学中人类意识与自然世界的相互影响、惠勒的参与性宇宙更不啻儒学之天人感应。

那个年代的新一辈物理学家、威斯科夫的学生盖尔曼(Murray Gell-Mann)还曾借用佛学中的“八圣道”为他新发现的基本粒子分类法命名。

卡普拉在书中指出,爱因斯坦在20世纪初催生的相对论和量子力学是一场深刻的思想革命,颠覆了人类对客观世界的认识。因为相对论,质量与能量、时间与空间成为能互相转化的概念。因为量子论,物体同时是粒子和波动,薛定谔的猫可以既死又活。玻尔总结的互补原理正相应于道学中的对立统一。

他甚至发现从玻尔到惠勒那些物理学家充满哲理的语言也与上千年前大师的禅宗“公案”、相反相成之理辩如出一辙。在书中,他特意将这古今东西两个不相干阵营的语录并行罗列,相映成趣。

《物理学之道》的畅销让卡普拉一夜间实现经济独立。他后来以文为生,不再需要学术职位。因为作者系专业出身,又有威斯科夫的把关,他这本书的物理部分逻辑严谨,清晰可靠。虽然隶属于大众畅销书,它也还是在一些大学里被用为物理学入门教材。卡普拉自己也曾在伯克利的加州大学内开坛传道。他很得意地向威斯科夫汇报,来听他课的学生中三分之一来自正牌物理系。他创作教科书的初心并没有完全付之东流。

相对而言,他书中关于东方哲学的那另外一半内容则备受争议。其实,卡普拉也没有试图在现代物理和东方哲学中划等号。他在前言中声明“科学不需要神秘主义,神秘主义不需要科学。但人类却须两者兼备”。


旧金山、伯克利、斯坦福彼此相邻,散布在加州北部的海湾周边。在1970年代,这里正悄然孕育着一场新的科技革命,将在十多年后形成举世皆知的“硅谷”(Silicon Valley)。那里的嬉皮一代当时还没有意识到那个潜在的新潮流,他们的注意力依然集中于抗议、狂欢和修身养性。

盖勒的特异功能不仅引来了国防部、中央情报局的注意和投资,也吸引了一批商业场中的成功富豪。他们拿出自己的大笔资金,在湾区招兵买马,一时热闹非凡。当地众多在大裁员中走投无路的物理学家也久旱逢春雨,找到了新的生活来源。伯克利那个基础物理小组的成员们自然引领潮流,纷纷募得资金建立自成一体、独立于正统学术界的私营研究所。他们以各种途径发表、传送论文,还经常召开名目繁多的学术讨论会。因为当地特有的优越自然环境,辅以财大气粗的高档招待能力,他们的会议每每吸引很多正统学术界的世界名人。惠勒、费曼等人成为这里的常客,德斯班雅和泽赫也不远万里从欧洲赶来。

他们甚至还设立了一个“实在基金会大奖”(Reality Foundation Prize),奖励在量子力学实在性方面的贡献。克劳泽和贝尔是第一届获奖者4

卡普拉的成功更是为这个沸腾的场景火上浇油。

伯克利不仅是接受卡普拉的出版社所在地,这里也云集了大量对物理学耳熟能详的嬉皮士。他这个充满着人文关怀的新颖叙述方式首先在基础物理小组中引起强烈共鸣。小组成员为其热烈讨论、广泛介绍推销。卡普拉当然也加入了这个激情小团体的行列。

斯塔普一次在家里举办小组的聚会时看到三四十人挤在他那小小的后院。他们三五成群,全都在热烈地讨论准备写一本什么样的书,如何找到更为新奇的视角和表达手法。

事实上,从专业的德斯班雅到业余的卡普拉、斯塔普、赫伯特等,那时几乎每个人在写作量子力学新书,形成一股“通俗形而上学”5出版热。随着这个新浪潮,量子力学、不确定原理、互补原理、量子纠缠、薛定谔的猫、贝尔不等式这些科学名词几乎家喻户晓。

1979年,又一本题为《舞蹈中的“物理”师傅》(The Dancing Wu Li Masters)横空出世,再度洛阳纸贵。这本书的作者祖卡夫(Gary Zukav)也是伯克利基础物理小组的成员。他作为记者参加了一次那时流行的科学讨论会,听到一位来自台湾的太极师傅介绍“物理”在中文里有着一些有意思的同音词:“物理”、“吾理”、“无理”、“握理”、“悟理”。祖卡夫大彻大悟,以这些词汇所具备的不同层次含义作导引写出了自己关于现代物理和东方神秘主义的畅销书6


基础物理小组的赫伯特自然也乐在其中。但在出书和组织、参加那些没完没了的学术会议之外,他有着更为宏大的目标。

爱因斯坦拒绝接受波函数纠缠的根本理由是那鬼魅般超距作用会超越光速,违反狭义相对论。赫伯特没有这个思想负担。他看到的是克劳泽的实验已经证实了量子纠缠的存在,那么下一步的任务只能是发掘其中隐藏的魔力,实现超光速通讯。在用打印机、传真机接收人类意识的种种试验均告失败后,他和他小组中的同僚们全力以赴发掘量子纠缠的实用技术。

1975年,赫伯特发表了一篇论文,以极其简洁的方式重新证明了贝尔的定理。同时,他也证明贝尔不等式的违反必然会伴随着纠缠中粒子之间的超光速联络。以此为基础,他又提出一个超光速通讯的具体设计。

光子在左右、前后、上下那三个互为垂直的方向上的自旋叫做“线偏振态”。它还有着一种“圆偏振态”的模式:相对于光子的运动方向,光子可能有顺时针(右旋)或逆时针(左旋)的两个量子态。圆偏振态并不是独立的自旋本征态,它们只是线偏振态的特定线性组合,亦即叠加态。反之,线偏振态也是圆偏振态的特定叠加态。它们的关系类似于解析几何中直角坐标系和极坐标系的不同选择。

1936年,普林斯顿的一位实验物理学家在爱因斯坦和波多尔斯基的帮助下发明了一种“半波片”(half-wave plate),可以探测这个特殊的自旋态。当右旋的光入射半波片时,它会促使半波片旋转一个角度,然后自己变成左旋光射出。左旋光则会让半波片向相反方向旋转,然后自己转化为右旋光。

线偏振光通过半波片时不会引起任何转动,因为它们之中所包含的左旋、右旋光的效应正好互相抵消。

克劳泽实验中所用的偏振片是针对线偏振态设计的。光子通过时,其波函数会坍塌为偏振片预设方向上的线偏振态。如果他改用半波片,那就会促使通过的光子坍缩为圆偏振态。

赫伯特因而设想这一选择可以通过光子之间的纠缠被另一颗光子所感知。在克劳泽的实验中,纠缠中的两颗光子在产生后分别走向左边和右边的测量仪器。赫伯特提出,可以观察左边那颗光子能否让半波片转动而得知右边那颗光子在如何被测量。如果右边的光子经过的是偏振片,它会坍缩为线偏振态。因为量子纠缠,左边的光子也随之进入线偏振态,不会造成半波片转动。反之,如果右边的光子经过的是半波片,坍缩为圆偏振态,那么左边的光子也会处于圆偏振态而让半波片发生转动。7这样,仅仅观察左边光子所在的半波片转动与否,就能知道右边光子所在之处的实验员选取的是偏振片还是半波片。

而这两个测量发生的地点可以相距十万八千里,甚至在宇宙的两端。但这一信息却能够不花任何时间地瞬时传递。更进一步,赫伯特指出,右边的实验员可以有规律地持续变换偏振片和半波片,就如同电子计算机用0和1两个数字进行编码一样传递实用的信息,实现超光速通讯交流。


1976年,65岁的惠勒到了普林斯顿的退休年龄。他已经在那里连续任职了将近40年。惠勒显然没有退休的打算。他又来到美国南方,在德维特任教的得克萨斯大学继续担任教授和新开张的理论物理中心主任。在20多年的广义相对论研究之后,他的学术兴趣随着对早期宇宙的思考又转回到量子理论。

受他在普林斯顿的好友维格纳影响,惠勒开始关注量子力学的测量问题。到得克萨斯之后,他与当年在普林斯顿进入广义相对论领域时一样自告奋勇,开设一门量子理论的研究生课程,系统地研究这个被人忽视的问题。

那不是席夫式“闭嘴、计算”的量子力学教程。惠勒在课堂上着重讨论爱因斯坦的EPR纠缠、薛定谔的猫,还有贝尔的不等式和克劳泽的实验。他鼓励学生积极搜寻在非主流和地下刊物发表的论文材料,准备编辑成书填补正规教材中的空白。他也与德维特一起经常举办学术会议,邀请各路神圣前来讲学,让地处偏僻的得克萨斯学生多见世面。

已经完全远离物理学界的艾弗雷特也收到了邀请。在1962年的俄亥俄那个小会之后,他又一次有机会在物理学家面前讲述自己20年前的理论,也第一次与他真正的伯乐德维特相见。虽然对德维特冠以的“多世界诠释”这个名字不甚满意,艾弗雷特对德维特为他的理论重见天日所做的种种努力十分感激。

那年,艾弗雷特还不到50岁。在国防工业发财之后,他衣食无愁,却已经陷入酗酒、颓废的深渊不可自拔,与正常生活渐行渐远。

狄拉克在1969年辞去了他在剑桥的卢卡斯教授席位。他一直与讲究排场、资格的英国学院传统格格不入。二战之后,他相当多时间是在美国的普林斯顿高等研究院度过。8在那里,他最喜好的工作是在周末协助研究院在周围茂密的树林中砍伐大树,开辟新的路径。

两年后,狄拉克带着妻子曼琪永久地离开了自己的祖国,在美国佛罗里达州立大学安家,继续他完善量子电动力学的努力。

整整半个世纪后的1977年,在第五届索尔维会议那场“哲学性”争论中洁身自好、只认同优美数学方程的狄拉克回首往事,也不得不承认他极大地低估了理解量子力学的困难:“事实证明,诠释的问题比写出数学方程困难得多。”


在1927年的第五届索尔维会议上,120来年前杨的双缝实验是爱因斯坦与玻尔争论的焦点之一。光通过一个开有两条狭缝的挡板时会在后面的屏幕上产生干涉条纹,呈现波动特征。在量子化后,光由单个的光子组成。每颗光子自行通过狭缝,似乎随机地落在屏幕上的某个点上。然而,众多光子在屏幕上留下的痕迹也会总体性的呈现干涉条纹,证明光同时具备波动和粒子性。

如果在某个狭缝后设置上诸如云室的探测仪器,确定光子究竟是从哪一个狭缝通过,那么干涉条纹就会不复存在。海森堡的计算表明光子在云室中经历的碰撞破坏了它已有的路径,量子力学的不确定原理“抹平”了原有的干涉条纹。

玻尔则高屋建瓴,指出那是互补原理的表现:云室是一个测量光子粒子性的仪器。因为测量者的这一选择,光子便不可能再呈现波动性。

当测量者选择测量某一类物理量时,量子的世界便会随之展现那一面的客观实在,同时掩藏起其另一面。而自然界是如何响应人类这一选择的,量子力学却没能给出令人信服的答案。那便是测量问题的症结所在。

惠勒提出如果那个云室不是在光子通过之前放置,而是在光子以光速的运动已经通过那个地段之后才突然被放置在狭缝背后,会出现一个更为奇妙的情形。海森堡那具体的碰撞、散射计算不再适用,因为光子经过时并没有遭遇云室。然而,测量者还是已经做了测量粒子性的选择,只不过他的实际动作稍微慢了一拍。这样的话,光子在屏幕上是依然会按照测量者的选择表现出粒子特性,还是因为与测量仪器擦身而过未受影响而呈现出波动的干涉条纹?

作为玻尔的信徒,惠勒认为在这个“延迟选择”(delayed choice)的情形中,已经错过云室的光子仍然会“知道”后者的存在,从而表现出其粒子性。屏幕上不会出现干涉条纹。

在1978年,当惠勒提出这一假想试验时,他的着眼点已经不只是再来一轮有根据的猜测或启发性的思辩。他也正密切关注着克劳泽、阿斯佩等人的实验进展,期望在不久的将来能看到这个延迟的选择在实验室中真切地展现。


在赫伯特广为发送他超光速实验设计论文的1979年,超心理学会已经在美国科学促进会中有了十年的会员历史。这个组织也正随嬉皮士、《物理学之道》的影响在发展壮大中。那年,惠勒不得不再次在科学促进会年会上发表演讲,大声疾呼应该取消超心理学会的会员资格,从科学的殿堂中彻底驱除伪科学。

惠勒尤其对超心理学会成员引用他自己的量子力学论文“证明”超感官知觉的存在根据深恶痛绝。他在演讲中系统地阐述物理理论,希望能澄清是非。他尤其强调相对论在物理学中的重要性,指出任何关于超光速的推测都不过是痴人说梦,更不成其为心灵感应特异功能的途径。

他也再次失败了。直到今天,超心理学会仍然是科学促进会的会员之一。

(待续)

系列目录

1

The Tao of Physics

2

An Exploration of the Parallels between Modern Physics and Eastern Mysticism

3

基本上都是为不同女友创作的情诗。

4

不明就里的贝尔写信给克劳泽询问这个奖的来路。尽管克劳泽打了包票,贝尔还是谨慎地谢绝了奖金。

5

“形而上学”(metaphysics)是亚里士多德整理的学说中物理类科学“之后”或之外的学问,现在通常泛指与科学有关的哲学思考。

6

书题中的“舞蹈”来自太极的教学方式:物理的师傅不直接教导学生。他只与学生共舞,但学生会因而领悟。

7

因为波函数坍缩的随机性,半波片转动的具体方向不可预测,但在这里无关紧要。

8

在麦卡锡主义盛行时期,狄拉克也曾因为对共产主义的支持而遇到签证麻烦。