Thursday, February 25, 2021

量子纠缠背后的故事(卅五):分崩离析的裂变

EPR论文发表的1935年,67岁的索末菲退休。他在给爱因斯坦的信中诉说纳粹的上台摧毁了自己一辈子的爱国情操。现在他宁愿看到德国不复存在,并入一个崇尚和平的欧洲。

索末菲的退休是海森堡在莱比锡一直在等待的机会。他梦寐以求回返慕尼黑接替导师的席位。然而他生不逢时。在那之前几年里,海森堡没有参与斯塔克和萊纳德的“德意志物理学”运动,反而支持、协助了劳厄的抵制行动。海森堡坚持物理是客观的科学,无论其理论是否来自爱因斯坦或别的犹太人。

斯塔克没有忘记。为阻扰海森堡的升迁,他发起大批判揭露海森堡的不坚定立场,还给他戴上“白犹太人”的致命高帽。海森堡措手不及,不得不求助与他家有往来的纳粹高级领袖希姆莱(Heinrich Himmler)。希姆莱及时地为海森堡提供了保护,但也严厉警告他必须说话小心,不可造次。在那之后,海森堡吸取教训,不再轻易提及爱因斯坦等犹太物理学家的名字。当然,他的慕尼黑梦想也付诸东流。


EPR论文问世之际,狄拉克正好结束他在高等研究院的短期访问。

相比众望所归的海森堡和薛定谔,名气不高的狄拉克在1933年获得诺贝尔奖时只有区区两个提名。其中之一来自在1925年因X射线衍射实验与父亲共同获奖的布拉格。那时才25岁的布拉格迄今还是最年轻的科学奖获得者。狄拉克得奖时31岁,成为历届获奖者中最年轻的理论物理学家(这个记录在1957年被还不到31岁的李政道(Tsung-Dao Lee)打破。(如果按照所得的1932年奖来算,海森堡比李政道还会更年轻几天。但他是在1933年才得到那个奖。))。

在高等研究院,狄拉克重写他的《量子力学原理》,推出大为改进的第二版。他那套符号表述还没能得到广泛接受,但至少在他手里已经圆润成熟。然而,美轮美奂的数学背后,计算结果中出现的无穷大问题依然让他束手无策。

至少在同行眼里,年过而立功成名就的狄拉克不再是过去那个心无旁骛孜孜不倦的勤奋青年。他上班时经常在活动室里钻研各种棋局,包括充满异国情调的围棋。似乎数学公式及其中的困难都已经不再能拴住他的身心。

更让他们大跌眼镜的是一向不近女色,过着僧侣般日子的狄拉克居然坠入了情网。一次午餐时,狄拉克偶遇研究院朋友维格纳(Eugene Wigner)从欧洲来探望的妹妹曼琪(Manci),一见钟情。曼琪已经是两个孩子的母亲,刚刚摆脱了一场梦魇般的婚姻。她为人爽快健谈,性格活脱脱是狄拉克的反面。

结束在研究院的访问后,狄拉克与六年前一样乘火车横越美国大陆,在旧金山搭乘邮轮经日本、苏联到东欧去看望曼琪。这是他的第二轮环球旅行。

曾经在芝加哥师从康普顿的吴有训已经学成归国,在清华大学担任物理系主任。他得到消息后立即与同校的周培源教授一起邀请狄拉克顺路访问中国。1935年7月12日,狄拉克从日本乘船到天津,然后在北平逗留了一星期。

1935年7月16日,狄拉克在中国访问国立北平研究院物理所。前排左起:吴有训、狄拉克、李书华、熊庆来、严济慈。

他游览了长城、故宫等名胜,也在清华大学做了两场关于电子、正电子的讲座。随后,他乘火车由东北转西伯利亚铁路至莫斯科,继续他的行程。


虽然与院长关系紧张,爱因斯坦对普林斯顿的环境还是很满意。他在1935年5月专程出国,按规定在美国境外的领事馆递交了归化申请。这是他继瑞士、奥地利、德国后第四次也是最后一次更改国籍。在那之后,他再也没有离开过美国。

他和妻子艾尔莎在小镇僻静的街道上置买了一栋普通小楼,与一直跟随着他的秘书杜卡斯合住。他们的小日子不幸非常短暂。艾尔莎的身体每况愈下,在1936年底去世。随后,艾尔莎的二女儿和爱因斯坦的妹妹相继从欧洲来到美国,与杜卡斯一起照料这个举世闻名的鳏夫。(曾担任过爱因斯坦秘书的那个艾尔莎大女儿也已经病逝。)

爱因斯坦与前妻玛丽奇的大儿子也来到美国。他在父亲母校苏黎士理工学院获得工程学位,已然成家立业(爱因斯坦曾经像自己父母拒绝玛丽奇一样强烈地反对儿子的择偶选择)。在其后的年月里,他逐渐修复了因为父母离异、父子隔绝而对父亲的怨恨。爱因斯坦和玛丽奇的二儿子患有精神疾病,只能留在欧洲继续由母亲照料。

年近花甲的爱因斯坦是在艾尔莎病重后才真切体会到自己对这个保姆式后妻的依赖,一时间急剧衰老。妻子去世后,他更加任性地不修边幅,由着那一头白发在风中狂乱飘逸。他沉默寡言,试图独自沉浸在钟爱的物理之中。但除了他自己,所有人都能看出他在学术上已是勉为其难,不再有睿智的思想火花。

当玻尔在1937年初来到普林斯顿时,他看到的正是这样一个激情不再的爱因斯坦。那还是他们1930年索尔维会议分手后的第一次见面。在与薛定谔、玻恩等人热火朝天通信来往时,爱因斯坦与这位老对手完全没有联系。索尔维会议后,埃伦菲斯特作为两人的共同好友曾一度居中传话,试图澄清误解。那个别扭的渠道早就随着他的自杀消失。

尽管爱因斯坦和玻尔在两次索尔维会议上的唇枪舌剑中始终保持着友好的姿态,那天长日久的争执也不可避免地伤害了个人感情。这次重逢,他们寒暄依旧,却不再能敞开心扉畅所欲言。

玻尔也只是在他的环球旅途中路过普林斯顿。日本的物理学家在爱因斯坦、海森堡和狄拉克相继访问后已经花了十年时间在邀请、期盼玻尔来访。奈何玻尔日程繁忙,曾几度推迟行期。1934年,他与大儿子和朋友出海游玩时遭到风浪,儿子落水遇难,给这个和睦的家庭带来沉重打击。这样直到1937年,玻尔才得以携妻子玛格丽特和二儿子踏上旅途。他们在普林斯顿短暂逗留后也横穿美国大陆,乘邮轮前往日本。

吴有训得知后又赶紧委托在美国的周培源向玻尔发出顺路访问中国的邀请。(周培源在加州理工学院获得博士学位后在莱比锡和苏黎士分别担任过海森堡和泡利的助手。在他们的推荐下,他曾到波尔研究所访问,是那时去过那里的唯一中国人。)玻尔欣然同意,于1937年5月20日从日本乘船抵达上海。他们一家三口先后访问上海、杭州、南京、北平,拍摄了大量照片甚至一段彩色电影片。沿途,玻尔也做了多场演讲、座谈,向中国的物理学家、知识分子讲解互补原理以及最新的原子核理论。

1937年,玻尔(前排中)访问中国时与当地物理学家合影。

直到6月7日晚,他们才从北平乘火车出山海关,与狄拉克一样取道苏联返回丹麦。

一个月后,北平郊区的卢沟桥发生事变。短短半年后,玻尔曾经流连忘返的那几个城市相继沦陷于日本军队的铁蹄之下。中国进入全面战争状态。


当薛定谔在1936年10月回到阔别十多年的故乡时,那里已物是人非。奥地利名义上还是独立国家,但已经沦为德国的附庸。虽然薛定谔既不是犹太人也不热衷政治,他在荣获诺贝尔奖前突然离开柏林大学的行为让德国政府和纳粹党徒大光其火,曾经在报刊上大肆批判。回到矮檐下的薛定谔只好低下头,专注于自己的教学任务和学术研究。在跟着爱因斯坦纠缠了一番猫的死活后,他又对爱因斯坦与爱丁顿正在研究的统一场论产生起浓厚的兴趣。

他的个人生活恢复了“正常”,又可以在妻子安妮、两个情人和小女儿之间如鱼得水。作为一个小小的象征性反抗,普朗克还主持将1937年的普朗克奖章授给了薛定谔。那正是薛定谔自己八年前为德国物理学会设立的大奖项。

然而,不到半年后,德国正式吞并了奥地利。这个也是希特勒故乡的传统小国成为德国的一个州。一时间,奥地利的犹太人成为被清洗、驱逐、羞辱的对象。薛定谔也成为眼中钉,言行受到紧密的监视和控制。为了保住岌岌可危的职位,他向校方递交了一份“自白书”,承认自己过去的认识错误,无保留地宣示对德国和“元首”的效忠。这封热情洋溢的信件立即出现在德国和奥地利报纸的头版,并通过英国报刊的转载传遍全世界。在伦敦,林德曼和牛津大学的同僚们为之气愤、痛心。

对薛定谔来说,更糟糕的是他还不得不舍弃那个交往不久的新情人。因为她是犹太人,他只得断然终止关系并要求她将以前的情书尽数焚毁,不留痕迹。

他的高调表态一度改善了处境。1938年春天,他被许可到纳粹德国的首都柏林参加普朗克80岁生日庆祝。夏天,他又带着老情人希尔德去拜访普朗克夫妇,一起在阿尔卑斯山中度假。然而,薛定谔回家后就收到了被解职的公文。奥地利已经不再是他的容身之地。他和安妮不得不再次踏上流亡路,在费米的帮助下取道意大利逃出法西斯领地。

第一次世界大战后从英国赢得独立的爱尔兰那时正在努力提升自己的文化、科学地位。他们模仿普林斯顿的高等研究院在自己首都创建一个同样的学术机构,连名字也完全照搬:都柏林高等研究院。薛定谔还在奥地利时,爱尔兰人就已经通过玻恩与安妮辗转地秘密接头,希望能有这个诺贝尔奖获得者去当新研究院的带头大哥。于是,薛定谔在一番折腾后阴错阳差地获得了他求之不得的理想职位。他不再需要花时间站讲台授课,还有了个至少在名义上与爱因斯坦平起平坐的位置。(在其后的1940年代,玻恩所在的爱丁堡和薛定谔的都柏林成为美国之外中国学生的聚集地。计有彭桓武、程开甲、杨立铭、黄昆、胡宁等人曾在那里学习、进修。)

已经屡次被薛定谔行为激怒的林德曼也再次伸出援手,为他们提供了行程便利。在牛津和比利时临时任职等待一年后,薛定谔和安妮在1939年10月初到达都柏林安家。他们还带着玛奇已经“送还”的希尔德和小女儿。薛定谔另外的那个情人自己逃离奥地利后也与他们再度汇合,重归于好。

他的生活又一次恢复了正常。


1939年初,玻尔再度来到普林斯顿。高等研究院已经永久性地聘请他为访问成员,拥有随来随去的特权。这一次,他在研究院中驻扎了半年之久。然而,爱因斯坦似乎有意回避远方的客人,他们只在所里的聚会场合有过几次碰面。其间爱因斯坦做过一次统一场论进展的讲座,玻尔躬逢其盛。爱因斯坦一如既往地坚持那才是有望解决量子力学问题的最佳途径。但他又直视着玻尔强调他不愿意再继续讨论这个话题。被噎住的玻尔甚是不快,无可奈何。

其实玻尔这次也不会有多大兴致继续那个争论,他有着更紧迫的现实问题。就在丹麦的码头上登船那一刻,他得知了来自柏林的最新实验结果:当铀被中子撞击时,出现了质量不到铀一半的钡。因为犹太人身份逃离德国的迈特纳(Lise Meitner)和侄子弗里施(Otto Frisch)认为那是铀原子核被打击后分裂成两个质量差不多的碎片,钡是其中之一。

卢瑟福早就确定了原子不是一成不变的“元素”。质量重的原子核可以自发衰变为另一种原子,轻的也能被考克饶夫和沃尔顿的加速器中出来的质子打开,发生人工嬗变。但原子核整个地一分为二却还是非同小可。弗里施借用生物学中细胞分裂的术语把它称作“裂变(fission)”

还在横渡大西洋的邮轮上时,玻尔已经认定伽莫夫的液滴模型是理解原子核裂变的有效工具。自然地,他需要一个得力的年轻助手协助他完成具体的计算并撰写论文。事有凑巧,在纽约港口迎接他的是曾在哥本哈根镀过金的老相识惠勒(John Wheeler),立刻就抓了他的差。惠勒已经是普林斯顿大学的助理教授,正好天时地利人和。师徒俩一头扎进这个新课题,短短几个月间奠定了原子核裂变的理论基础。

相比之下,爱因斯坦的纠缠和薛定谔的猫不是那么急迫。

那年7月,玻尔结束在美国的访问回到哥本哈根。两个月后,德国军队发动闪电战大举入侵波兰。欧洲的第二次世界大战揭开序幕。


那个夏天海森堡也一直在美国巡回访学、出席学术会议。尽管他刻意回避,他们的话题总不可避免地会涉及一触即发的战争形势。在罗切斯特,他过去的助手威斯科夫(Victor Weisskopf)和老相识贝特(Hans Bethe)都强力劝说他在美国留下。但海森堡立场坚定。他相信纳粹会赢得这场战争。虽然他本人对纳粹并没有好感,却也必须为国效力。

一站又一站,海森堡的老朋友们听到的是同一个回答。在8月份的会议上,他没等会议结束就匆匆辞别。因为他必须赶回去参加机关枪射击训练。

短短三年后,贝特和威斯科夫不得不向美国政府提议在战争中寻找机会以绑架、轰炸甚至暗杀的形式对付他们这位过去的导师、朋友,“否决敌人的大脑(deny the enemy his brain)”。

其后两年中,美国军方做了多次尝试,只因种种缘由未能奏效。1944年12月,海森堡到中立的瑞士讲演。他不知道听众席上正坐着一位怀中揣着手枪的美国间谍,其使命是只要听到海森堡透露出他们在核武器上有任何进展的迹象就不惜任何代价将他当场击毙。海森堡的那次演讲却是纯学术,讲解他为解决量子问题新发明的“散射矩阵(S-matrix)”理论。为了避免外交纠纷,间谍没有采取行动。(这位间谍名叫伯格(Moe Berg)。他原来是美国职业棒球明星,也是普林斯顿和哥伦比亚法学院毕业的高材生。因通晓七国语言在战争爆发后投身地下工作。)

海森堡侥幸活到了战争的结束。与贝特和威斯科夫一样,当年在一起探索自然秘密的物理学家都因为战争归属了敌对的两个阵营。发现电子自旋后就到美国工作的古德斯密特受命在战场上搜捕参与核武器计划的德国物理学家,将他们统一关押于设在英国的特殊营地,通过监听手段获取他们的机密。海森堡、劳厄、萊纳德等人都成为那里的阶下囚。他们是在那里听到原子弹在日本爆炸的新闻才知道美国、英国已经超越德国,获得了他们未能攫取的成功。

87岁高龄的普朗克也被古德斯密特追踪捕获。他没有被送往战俘营,而是获准自己养病。普朗克深受脊背痛苦,已然伛偻龙钟。在80岁生日之后,即使德高望重也因为立场不坚定被指为“白犹太人”的他决定彻底退休,不再过问政事。临别之际,他还做主把1938年的普朗克奖章授予德布罗意:一位追随“犹太物理学”的法国人。

普朗克曾在一战中失去他的大儿子,二儿子在法国战场上被俘而幸存。战后,那个儿子逐渐成长为政府中的部长助理,但在希特勒上台那天辞职。1944年,已经败像毕露的德国军队中发生政变,部分高级官员刺杀希特勒失败。在随后的大清查中,普朗克的儿子也涉案被捕。年老的普朗克不得不低声下气地向希姆莱、希特勒求情,但儿子还是被处以绞刑。(在哥本哈根改编《浮士德》的德尔布吕克的妹妹、妹夫和妹夫的弟弟也在那次事件中牺牲。)


卢瑟福没能看到原子核裂变的发现。他在那之前的1937年一次手术中意外离世。作为原子核嬗变的鼻祖,卢瑟福清楚核反应时会释放能量。但他认为那能量过于微弱,不具备实用价值,只是所谓的“月光(moonshine)”——不切实际的痴心妄想。

裂变是剧烈的核反应,释放出比卢瑟福看到过的嬗变中大很多的能量。那却也不过是稍微明亮一点的“月光”。匈牙利物理学家西拉德(Leo Szilard)却一直坚持着一个可能性。铀原子核裂变时还会产生几颗中子。如果这些中子又能碰到另外的铀原子核如法炮制,便可以形成持续性的“链式反应(chain reaction)”。这样,微观世界那微乎其微的能量可以在极短时间内聚集,在宏观世界中宏伟壮丽地爆发,甚至成为可以决定战争胜负的巨型炸弹:原子弹。

西拉德也是众多从欧洲逃到美国的犹太人之一。他人微言轻,只好联合同是匈牙利人的维格纳和泰勒(Edward Teller)说服大名鼎鼎的爱因斯坦出面。(他们三人后来被戏称为促成美国核武器的“匈牙利阴谋”。)他们一同起草了一封致美国总统罗斯福(Franklin Roosevelt)的信,提醒政府注意这个潜在的威胁和机会。信由爱因斯坦签名送达白宫时,德国刚刚入侵波兰。

1939年8月,西拉德(右)与爱因斯坦讨论给罗斯福总统的信稿。

那年年初在纽约港口迎接玻尔的除了惠勒还有费米。因为妻子是犹太人,费米在意大利也处境艰难。正好,他因为核物理研究的成就获得了1938年诺贝尔奖。在斯德哥尔摩领奖后,费米带着妻子和两个孩子以奖金为路费直接来到了美国。

三年后,费米和西拉德所带领的团队在芝加哥实现了人类第一个链式核反应。

1945年8月6日和9日,两颗不同型号、设计的原子弹分别在日本的广岛、长崎上空爆炸。8月15日,作为法西斯轴心国最后堡垒的日本无条件投降。第二次世界大战结束。


作为德国研制核武器的“大脑”,海森堡虽然逃过了反法西斯同盟国的追杀,却没能为他的祖国建造出原子弹。第一次世界大战之后,德国的物理学在普朗克坚定、稳健的领导下重新崛起,在最尖端的量子力学、核物理上傲视全球。海森堡没能在核武器上取得突破,也始终确信敌对方更不可能有所成就。直到在战俘营中听到原子弹爆炸的新闻他才如梦初醒。迫于形势,他极力改写历史,为自己塑造出一个在内部消极抵抗纳粹,故意拖延原子弹进程的新形象。

原子弹的爆炸再一次将爱因斯坦推上举世瞩目的前台。卢瑟福的“月光”在一瞬间变作史无前例之“比一千个太阳还亮”的释放,充分展示狭义相对论所揭示质量转化能量的威力。

因为那封给罗斯福的信,爱因斯坦也经常被看作原子弹的始作俑者。其实,他的信只得到一般性的注意。美国研制原子弹的“曼哈顿计划”是在那之后两年多才开始实施。那时日本已经轰炸了珍珠港,将美国拖进大战。原子弹的初步研究也已经在英国完成。

由于还有着同情共产党和反战的嫌疑,爱因斯坦没有获得接触最高机密的资格,与曼哈顿计划无缘。而对原子弹举足轻重的也不是他的相对论,而是那同样由他首创,却始终让他爱恨交加的量子理论。

真正领衔实现了海森堡未能做到之壮举的却是一个由他过去同事、朋友和学生组成的强大团队。他们中的主力正是包括西拉德、维格纳、泰勒、弗兰克、费米、贝特、威斯科夫等一大批因为纳粹迫害而逃离欧洲的犹太物理学家。他们也有着如斯莱特、惠勒那些曾经在欧洲的量子力学圣地游学、镀金的少壮。当然,还有曾在美国各个大学校园中聆听索末菲、玻尔、玻恩、海森堡、狄拉克等人巡回讲座的年轻人。而最为出乎意料,他们这一方的“大脑”竟是曾在剑桥和哥廷根镀金,与狄拉克相交甚欢的那个纨绔弟子奥本海默。

毫无例外,他们都是以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派的成员,或者是在其熏陶下学习、掌握量子力学的新一代。

原子弹的爆炸不仅宣告了第二次世界大战的结束,也标志着人类进入核能量的新时代。从世纪之初贝克勒尔在铀矿石中发现放射性,经过卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔等人的不懈努力,量子的概念不再只是为了解释黑体辐射、光谱数据的权宜之计,也不再局限于看不见摸不着的微观世界。它伴随着原子弹那眩目的闪光、骇人的蘑菇云进入了寻常人家的视野。

1945年8月6日和9日分别在日本广岛(左)、长崎爆炸的原子弹所产生的蘑菇云。

原子弹的成功又一次无可辩驳地宣示了量子力学的正确性。而在那战火辉煌的年代,爱因斯坦对量子力学完备性的质疑只是杞人忧天,无人再问津。

惠勒只是愧疚他们的动作还是太慢了。他的一个弟弟曾在1944年惨烈的意大利战场上寄回一张明信片,上面只写有两个字:“快点(hurry up)!”拥有历史学博士学位的弟弟了解哥哥曾经与玻尔一起研究过原子核裂变,早就猜想到他是在后方参加研制威力强大的新武器。但弟弟已经等不及了。明信片寄出几个月后,他在战场上捐躯。


(待续)


Monday, February 15, 2021

量子纠缠背后的故事(卅四):薛定谔的猫

薛定谔1933年底来到牛津,当即让学校现成地捡到一个诺贝尔奖。他自己和促成他到来的林德曼都很风光了一阵。薛定谔英语十分流利,讲课风格与在柏林时同样地别具一格,很快在老派英国教授中出类拔萃,成为最受学生欢迎的老师。

他自己却不那么开心。无论是在柏林还是牛津,他都承担着相当多的教学课时,占用了太多精力。老朋友爱因斯坦在柏林时就享有特殊待遇,是那里绝无仅有的不开课教授。离开柏林后,他又得到美国高等研究院的职位,照旧没有授课负担。这让薛定谔羡慕不已。得到诺贝尔奖后,他最期望的就是能获得与爱因斯坦同等的地位、待遇。

为此,薛定谔与爱因斯坦保持通信联系,期望老朋友能在高等研究院也为他谋个位置,重温他们在柏林郊区亲密无间的时光。

高等研究院当时所寄居的普林斯顿大学倒是正好在寻求理论物理教授。他们自然地把目标锁定于诺贝尔奖新秀。狄拉克已经在剑桥稳坐卢卡斯席位,海森堡没有离开德国的意愿,薛定谔便成为首选。然而,当薛定谔得知那里给出的一万美元年薪比爱因斯坦的待遇少三分之一,还必须授课时,他心理无法平衡,回绝了聘请。

薛定谔那时没意识到普林斯顿大学的待遇已经是美国大学教授的最高标准,只是无法与高等研究院、爱因斯坦的特例比肩。不过他也不着急,宁愿在牛津静候爱因斯坦迟早会给他带来的更好消息。

至少在个人生活上,他在牛津正如鱼得水,与妻子安妮和情人希尔德堂而皇之地享受一妻一妾的日子。这是他终于能胜过爱因斯坦的一筹:妻妾同堂是爱因斯坦曾心向往之但未能如愿的梦想。

希尔德很快生下了一个女儿,终于让望子心切的薛定谔品尝到弄瓦之喜。只是孩子出生登记上父亲的名字还只能写上希尔德那留在奥地利的丈夫玛奇。因为生活的变故,希尔德得了严重的产后抑郁症。同样钟爱孩子的安妮义不容辞地承担起抚养幼儿的重任,同时也精心照顾丈夫的情人。

在这不寻常的日子里,薛定谔看到远在大洋彼岸的爱因斯坦再度出头质疑量子力学,不禁欣喜。


EPR论文的发表只在玻尔、泡利、海森堡周围的小圈子中引起骚动,在玻尔发表回应后顷刻烟消云散。量子物理学的主流——尤其是更年轻的一代——早已转移战场。中子的发现打开了理解原子核组成、结构的窗口。在EPR论文问世之际,伽莫夫已经推出原子核结构的“液滴模型(liquid drop model)”,费米提出解释β衰变的弱相互作用理论,日本的汤川秀树(Hideki Yukawa)也发表了原子核中强相互作用的“介子(meson)”猜想。这些与实验现象息息相关的新思想激发了量子力学又一个埋头计算、验证的高潮。他们没有闲情顾及爱因斯坦与玻尔那十多年没完没了的务虚争辩。

在他们眼里,爱因斯坦早就无可救药地落伍了。他不再是专利局中异军突起,以相对论的时空观和光的量子性挑战物理学权威那个无所畏惧的施瓦本小伙。几十年后,他业已蜕变为死抱着决定论、局域性、因果关系这些经典规则不放的昏庸卫道士。

爱因斯坦在给薛定谔的信中无奈地自嘲:“毕竟,年轻时的妓女多数会转变为虔诚的老妇,很多青年革命家也会成长为老年的反动派。”薛定谔在回信中惺惺相惜,自承也属于从早年革命家变成的老反动派。相隔着大西洋,他们频繁鸿雁往返,有时等不及对方回复就又有信件寄出,分享最新的思想火花。

爱因斯坦也收到很多反驳EPR论文的私信。这些信中的论据五花八门,互为矛盾,让他既觉得滑稽,也更坚定自己的立场。同时,他孜孜不倦地试图找到更有说服力的表达方式,以弥补波多尔斯基在论文中的辞不达意。

在EPR论文问世不久的1935年6月,爱因斯坦就在给薛定谔的信中提出一个极为简单的情景:有两个箱子,其中有一个球。在打开箱子查看之前,我们不知道球在哪个箱子里。球在每个箱子都有着50%的可能性。一旦打开箱子,真相立即大白:球在一个箱子里的几率或者是100%,或者是0%。

爱因斯坦指出,箱子打开之前的几率不过来自我们认知的缺陷:不知道球在哪里。作为物理实在,那个球一直就在其中的一个箱子里。它在那个箱子中的几率从来都是100%,而在另一个箱子里的几率一直是0%。它在哪个箱子里都不曾,也不可能有过50%的可能性。这个可能性更不会因为箱子被打开而突然改变。

在爱因斯坦看来,量子力学之所以坚持箱子打开前球在其内的几率是50%,然后又会随着箱子的打开而突变,完全是出于主观的认知缺陷,没能完整地描述这个系统的物理实在。因此,量子力学不完备。

两个月后,他在给薛定谔的信中又提出一个更具爆炸性的例子:设想有一堆不稳定的炸药,随时可能因为内部发生自燃而爆炸。在任何给定时刻,它的物理实在非常清楚:或者尚未爆炸,或者已经爆炸。然而,爱因斯坦抱怨道,量子力学的波函数描述却坚持炸药会处于一个既爆炸了又没有爆炸的混合状态。


当一根精确调准的琴弦被拨动而发声时,人们听到的并不是单一频率的纯正音调,而是几种频率混合而成的音色。

乐声来自琴弦的振动。在两端固定的琴弦上,稳定、持续的振动是有着特定频率的驻波。频率最低的驻波波长是琴弦长度的两倍,正好以两端作为半个波长的节点。那就是该琴弦的“基频”。同样的琴弦上还可以形成更多的驻波,它们的频率是基频的整数倍。

两端固定琴弦上的驻波示意图。最上面的是基频驻波,依次往下是频率越来越高(波长越来越短)的倍频。

当乐师以不同的力量和技巧拨动琴弦时,会同时激发强度各异的多个驻波。它们组合成不同的音色。耳朵好使的专家能够自然地分辨出乐声中所蕴含的各个频率成分,技术人员则有各种频谱仪器可以帮忙进行同样的分析。

驻波能够组合成音色是因为琴弦振动的数学方程是线性的。当驻波是这个方程的解时,它们以任意比例的线性组合也同样是满足方程的解,也就是在那琴弦上允许出现的振动。

同样,当牛顿用一个棱镜将太阳光分离成缤纷的彩虹时,他揭示出白光其实是由不同频率的光组合而成。棱镜就是一个光的频谱分析器。

无论是光束中的颜色还是乐声中的音调,它们都是实在的物理波动,因此能被仪器分离、过滤。它们组合而成的整体效果在视觉、听觉上可能更为丰富精彩,赏心悦目。但在物理性质上,单频的成分与整体的合集没有区别:它们都是满足同一个波动方程的解,同样的波动。

与声波、光波一样,描述量子波函数的薛定谔方程也是一个线性的微分方程。因此,它的解具备着同样的可“叠加(superposition)”性:如果方程有着多个波动解,那么它们的任意线性组合也同样是方程的解。

在狄拉克、约旦、冯·诺伊曼等人的努力下,量子力学已经有了完整的数学表述。相应于琴弦的驻波,薛定谔方程的解有着一系列“本征态”(它们在玻尔原子轨道上形成的驻波式直观图像正是德布罗意提出物质波的根据)。不仅每一个本征态是薛定谔方程的解,它们的各种线性组合也都是方程的解。后者因此也叫做“叠加态”。

在爱因斯坦的简单例子中,球在第一个箱子里是一个本征态,球在第二个箱子里也是一个本征态。它们的线性组合——球以一定比例在第一个箱子里,同时也以一定比例在第二个箱子里——就是一个叠加态,也是一个满足条件的波函数。同理,炸药可以处在一个既爆炸了又还没有爆炸的叠加态。(这些叠加态中两个本征态的相对比例可以是任意数值,只要两个几率加起来成为百分之百。比如,炸药完全可以处于80%可能已经爆炸、20%可能尚未爆炸的叠加态中。用各为50%的比例只是为了叙述方便。)

然而,量子力学的波函数也有着与声波、光波截然不同的一面:它不是物理的波动。按照玻恩的诠释,波函数体现的只是几率,本身不是可观测的物理量。如果扔上足够多次的硬币,我们可以总结出硬币正面、反面出现的几率各为50%。但在每次扔硬币的具体测量过程中,我们只会看到或者正面或者反面,不会有一个50%的数值出现。

冯·诺伊曼认为量子世界的测量是同样的情形。当系统处在一个由多个本征态组成的叠加态时,每次测量的结果只能是其中的一个本征态。只有在大量重复同样的测量后才能看出每个本征态出现的几率由它在叠加态中所占比例决定。这是海森堡早就提出的量子力学中波函数坍缩机制的更精确描述:测量的过程会导致原本处于叠加态的波函数瞬时坍缩到其中一个本征态上,坍缩到哪个本征态上的几率取决于它在叠加态中的份量。

在这样的测量发生之前,没有人为干扰的量子系统会持续处于叠加态中,依照薛定谔方程在希尔伯特空间运动。这时不会有波函数的坍缩。量子的叠加态像一曲美妙的交响乐,是其中各个本征态的和谐组合。

于是,在打开箱子的测量之前,爱因斯坦的球会以叠加态的方式同时藏在两个箱子里。他的炸药也同样地处于既爆炸了又没有爆炸的状态中。


爱因斯坦那一封接一封的来信让薛定谔脑洞大开。他收到关于炸药的那封信后几乎立刻就回了信,兴奋地告诉爱因斯坦他依照这个思路找到了一个更能显示量子力学之怪诞的例子。

随后,他发表了在EPR之后跟进的第三篇论文。正是在这篇题为《量子力学之现状(The Present Situation in Quantum Mechanics)》的论文中,他提议用“纠缠”描述爱因斯坦那鬼魅般的超距作用。进一步,他又绘声绘色地描述一个新场景:

我们还可以构造出更滑稽的情形。一个铁箱子里关着一只猫和一个恶魔般的装置(这个装置必须置放在猫够不着的地方):在一个盖革计数器内有一丁点放射性材料,其数量如此之小,在一个小时之内最多只会有一颗原子可能发生了衰变,但也同样可能完全没有任何原子发生衰变。如果确实发生了衰变,那盖革计数器就会有反应,通过一个接力装置拉动一把锤子,打碎一个盛有氰化氢气体的烧瓶。在这个封闭的仪器不被干扰地置放一小时后,如果还没有原子发生衰变,那猫会活着;只要有过衰变发生,猫就会被毒死。这么一个系统的波函数会把这个状态描述为同等成分的死去的猫与活着的猫混合地涂抹在一起。

他在文中专门为使用“涂抹(smear)”一词抱歉。那其实是一个讨论量子力学时经常使用的字眼,表明电子等微观物体不是一个点状的粒子,而是被“涂抹”开来的波,具有一定的空间分布。但在这里,这个形象的字眼为本来就挺恐怖的场景增添了更为恶心的画面。

薛定谔的猫假想试验示意图。

他也没忘了感谢爱因斯坦,明确表示他这一灵感来自与爱因斯坦的持续讨论和EPR论文。


也是在1930年代,美国漫画家戈德堡(Rube Goldberg)因为擅长创作以非常复杂的接力方式完成日常生活中最简单任务的漫画名噪一时。他所描绘的那类没有实际效用但能博君一笑的设计因之被称为“戈德堡机器”。

戈德堡1931年创作的“自动餐巾”漫画。图中喝汤的人手里举起勺子,逐次牵动一连串运动,最终导致餐巾摇摆擦嘴。

薛定谔所描述的也是一个戈德堡机器。

把一只猫关在封闭的铁箱子一小时,猫可能会因缺氧憋死,也可能依然苟延残喘地活着。那不过只是爱因斯坦炸药的另一形式。但薛定谔在箱子里增添了放射性材料,加上盖革计数器、锤子、毒气瓶以及它们之间没有明确但肯定会是相当复杂的接力、放大装置。它们连接了两个极端:宏观世界中的猫和微观世界中的放射性原子。

这中间正是玻尔的软肋所在。在哥本哈根诠释中,微观是量子的世界。那里只有波函数,在被测量时发生坍缩而显示某种物理实在。宏观则是日常的经典世界,没有波函数、随机性,一切都有着确定的因果关系。这是泾渭分明的两个世界,它们只会在测量过程中发生接触。然而,玻尔他们从来没能说明如何界定这两个世界之间的分野。

薛定谔反其道而行之,用那一连串戈德堡式机制让这两个世界发生了“纠缠”,显示它们其实不可区分。

依据伽莫夫的解释,原子核中的α粒子以所处位置而言处于一个量子的叠加态。其中绝大成分的本征态在原子核内部。但由于隧道效应,也有一小部分处在原子核外的本征态。当我们观测α粒子时,会引起这一叠加态的坍缩。如果坍缩碰巧落在原子核外的本征态上,α粒子便会出现在原子核外。它会激发盖革计数器,进而带动戈德堡机器运转,直至拉起锤子,击碎烧瓶,毒死那只猫。反之,如果坍缩落在原子核内部的本征态上,α粒子继续逗留在原子核内,猫安然无恙。

薛定谔在箱子里置放了合适数目的放射性原子,它们在总体上形成有50%的可能性至少有一颗α粒子出现在原子核外。那戈德堡机器也就有着50%的几率处于被触发状态,亦即猫有着50%的机会已经被毒死。同样,也有50%的可能是所有的α粒子都留在了各自的原子核内,箱子里啥事也没发生过。

因为箱子上封闭的,无法对α粒子的位置进行测量。在打开箱子之前,所有α粒子都会保持着原有的叠加态,没有坍缩的发生。它们既在原子核内也在原子核外。由此,薛定谔宣布,那只猫也相应地处于既死去又活着,两者混合“涂抹”在一起的状态。

这样,宏观世界里、日常生活中的猫也有了量子的叠加态。

爱因斯坦立刻领会了薛定谔新版假想试验背后的意义。他回信盛赞薛定谔完全领会了他质疑量子力学的深意。至少他们俩有了完全一致的理解。

但爱因斯坦看到薛定谔把他这篇论文发表在德国学术刊物上时大惑不解。他揶揄地指出希特勒治下的德国大概已经没有剩下关心这个问题的物理学家了。

其实,即使在德国之外也没有人愿意继续奉陪他们的狡辩。当玻尔来伦敦访问时,他毫不留情地当面指责薛定谔与爱因斯坦合谋,以知名物理学家身份继续攻击量子力学,无异于犯了“叛国罪”。薛定谔那只猫纵然既死又活,也还是没能引人侧目。


在那段时间里,爱因斯坦乐于通信的老朋友还有玻恩。作为波函数几率解释的始作俑者,玻恩的立场与爱因斯坦迥然相异。但他们依然延续着诚挚的友情。玻恩那时也正自顾不暇,无意介入这新一轮的争论。

1933年的诺贝尔奖对长期抑郁的玻恩是雪上加霜。当初,海森堡在海岛上的灵机一动是在玻恩的慧眼下才成为严谨的矩阵力学。薛定谔的波动方程也是在玻恩揭示其几率波本质后才有了物理意义。然而,在物理学界最高荣誉面前,玻恩再一次被忽视、遗忘。

得奖半年后,海森堡曾在访问剑桥时面见玻恩,劝他回国一起挽救、重振德国的物理学。他告诉玻恩已经与政府沟通,会允许他从事科研,只是不能授课。玻恩也只能自己一人回去,不能带家属。看到昔日的弟子居然能够兴致勃勃地转达这样的条件,玻恩气愤莫名,只能挥袖而去。一年后,他收到一纸公文,正式被哥廷根大学除名。

1935年7月23日,正式解除玻恩教授职位的希特勒签名信。

还在意大利避难时,玻恩宅心仁厚地只愿意接受临时职位,以免占了位置耽误年轻人的升迁机会。他自认为早已是国际知名教授,不至于走投无路。在剑桥短短两年,他出版了历史上第一部《原子物理》教科书和一本面向大众的科普书籍。

狄拉克的得奖让剑桥有了自己的理论明星,玻恩于是显得多余。在没有更好选择的情况下,玻恩接受也是新科诺贝尔奖得主拉曼的邀请远赴印度访问。拉曼在那里组建一个新的研究所,希望能将玻恩留下担任终身教授。玻恩也深深喜爱上那里的异国情调。不料,他的提名遭到当地几个教授激烈反对。有人当场指出玻恩只是一个被他自己国家抛弃的不知名二流教授,不够资格。玻恩会后回到家里,不禁在妻子面前潸然泪下。

两手空空回到英国后,他开始学习俄语,准备通过关系去苏联谋生。也正是在那绝望时刻,达尔文终于带来了好消息。


即使是全世界最著名的科学家,爱因斯坦发现美国也不尽是他的理想庇护所。因为他频频发表的演讲和联署的宣言,美国一些民间组织怀疑他是一个共产主义者,曾游说外交部拒绝他入境。(还在欧洲时,爱因斯坦为了避嫌曾多次谢绝访问苏联的邀请。)在1932年底赴美之前,他果然在申请签证时遭受美国领事馆官员盘问,气愤地甩手离席。幸好妻子艾尔莎及时向媒体报信,引起《纽约时报》等舆论关注后才得以成行。

在普林斯顿,高等研究院的院长弗莱克斯纳也唯恐爱因斯坦会说错话,为他这个新研究院带来不利影响。他想方设法限制爱因斯坦的公开露面,甚至私自截留、审查爱因斯坦的私人信件。爱因斯坦发现后,负气地把自己回信地址写成“普林斯顿集中营”,并向研究院理事会提出正式申诉。弗莱克斯纳不得不做出让步,但他们俩还在萌芽中的友谊因之彻底夭折。当爱因斯坦屡屡提出邀请薛定谔、玻恩来研究院时,弗莱克斯纳总是不假思索地否决。

薛定谔因此没能等到他所期盼的好消息。同时,他发现自己在牛津的好时光也已日薄西山。

他在林德曼面前信誓旦旦地称作“不可或缺”的科研助手玛奇终于来到了牛津。玛奇看到妻子希尔德的状况后决定不再逗留,带着她和他们名义下的女儿一起返回奥地利老家。妾离子散的薛定谔倒还没有太在意。他已经有了新的情人:安妮当年在维也纳打工时老板的女儿。

虽然林德曼在得知玛奇一事后怒不可遏,他还是借助诺贝尔奖的光环为薛定谔在牛津延长了聘用期。薛定谔却已经不再满足于这种临时职位。在去美国无望后,他积极在欧洲寻觅正式职位。

1935年进入尾声时,在苏格兰历史悠久的爱丁堡大学担任物理教授的达尔文急流勇退,辞职去担任一所学院的院长。爱丁堡大学很快决定聘请大名鼎鼎的薛定谔继任。不料,苏格兰政府迟迟未能办理薛定谔的居留许可。而薛定谔向新欢探寻是否愿意一起去苏格兰时,却发现斯人已自己计划了回维也纳老家。

突然间,薛定谔发现他和安妮被“遗弃”在英伦。恰好,家乡的维也纳大学和格拉茨大学也联合向他发来了邀请。于是,他思乡心切起来,决定逆着逃难大流返回奥地利。那里有他的女儿,还有两个让人牵肠挂肚的情人。

时过境迁,无论是苏格兰还是奥地利,薛定谔能得到的待遇都远远不及当初被他轻易拒绝的普林斯顿大学。而且,他还需要在奥地利两所大学中承担起更为繁琐的教学任务。

在达尔文的推荐下,爱丁堡大学向几近山穷水尽的玻恩张开了双臂。玻恩很快走马上任,终于有了自己的归宿之地。


(待续)


Tuesday, February 2, 2021

量子纠缠背后的故事(卅三):鬼魅般的超距作用

爱因斯坦与波多尔斯基和罗森合写的那篇“攻击量子理论”的论文在1935年3月25日投寄美国的《物理评论》。《纽约时报》5月4日分布消息时,论文尚未问世。

10天后,刊载这篇已经引起在媒体上引起轰动论文的刊物才逐渐送达世界各地的物理学家手中。论文的题目是一个直截了当的设问:《量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗?(Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? )》。即使没有《纽约时报》的预警,收到杂志的行家不需要阅读内容也能判定这篇带着爱因斯坦大名的论文只会给出一个否定的回答。

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森发表的EPR论文首页。

其实,这篇依惯例按作者姓氏缩写被称作“EPR”的论文并非出自爱因斯坦之手。波多尔斯基晚年后曾向儿子透露,他和罗森两人在征得爱因斯坦首肯后独立完成了论文,未经爱因斯坦同意擅自署上后者的大名发表。

罗森则记得爱因斯坦全程参与了研究过程,几乎每星期都与他们俩讨论并提供了论文中的主要思路。罗森自己做了具体的数学演算,波多尔斯基作为主笔撰写了论文(英语不是母语的波多尔斯基在论文题目的“量子力学的描述”前遗漏了一个挺重要的定冠词“the”,颇引人注目)。

无论如何,爱因斯坦显然不会像玻尔那样在论文写作时反复斟酌,为每一个措辞斤斤计较。相反,在概念、思路上提供指导之后,他大概的确连论文稿都没仔细看过,就漫不经心地由着两个小年轻拿去发表了。只是在收到大量反馈之后,他才在给薛定谔的私信中抱怨波多尔斯基没能写好这篇论文:太多的数学细节埋没了其实非常简单的基本思想。


作为一篇讨论量子力学对“物理实在”描述的论文,EPR开门见山就提出一个至少对物理学家而言似乎不言而喻的哲学性论断:有一个独立于任何理论的“客观实在(objective reality)”的存在。在这个基础上,人类构造出理论描述这个客观的实在。这样的理论通过自己的物理概念描述客观的现实。

如何才能知道一个理论是否成功?爱因斯坦和他的两个合作者在论文中提出理论必须同时满足两个条件:正确性和完备性。

物理学家对检验理论的正确性非常内行,毋庸多言。一个成熟的理论能够通过其物理概念对现实做出定量的预测。如果这样的预测能够经得起实验测量的检验,那么便可以判断理论的正确。虽然量子力学还相当年轻,它毫无疑问已经相当理想地通过了这一检验。如同爱因斯坦在诺贝尔奖提名信中所言,量子力学中至少有着正确的成分。

让爱因斯坦放心不下的是量子力学的完备性。那也正是EPR论文的焦点所在。

为了避免无的放矢的泛泛而论,他们也专门给出了下一个定义:只有当物理实在的每一个元素都能在理论中有对应的概念时,那个理论才是完备的。它没有遗漏任何现实成分,可以对物理实在的每一个表现作出可验证的预测。

那么,什么又是“物理实在”呢?“如果在不对系统造成任何干扰的前提下,我们能够以百分之百的确信度预测一个物理量的数值,那么该系统中必然存在有一个与这个物理量相对应着的物理实在。”

这一连串的定义在论文中以强调语气的斜体字出现,强烈地提醒读者其重要性。只有把这些概念交待清楚后,他们才能具体地阐述量子力学的完备性问题。

比如最简单的只有一个粒子的物理系统。由于海森堡不确定原理的限制,这个粒子的动量和位置不可能被同时确定。如果针对粒子的动量进行精确的测量,就会造成波函数的坍缩,使得粒子进入一个有确定动量数值的量子态。这样,粒子的位置变得完全不可预测,会以同样的几率在任何位置出现。这样的测量显然干扰了系统的状态。根据他们的定义,这里的位置和动量不能同时是物理实在。

取决于观察者对测量手段的选择,当这个粒子的动量成为物理实在时,它的位置便不可能是物理实在。反之亦然。这是已经被接受的哥本哈根诠释下的量子力学的现状。EPR指出这也许已经表明量子力学波函数对物理实在的描述不够完备。

但如果更进一步地考察有着两个粒子的系统就更有意思了。那正是爱因斯坦与波多尔斯基和罗森屡次讨论的结果。他们不再需要原来那个假想的光子箱,甚至罗森曾经计算过的氢分子。他们——至少波多尔斯基和罗森——可以直接用量子力学的数学形式来描述这个抽象的双粒子系统。

两个粒子在近距离的互相作用下会进入同一个量子态,由同一个波函数描述、引导。随后,它们相揖而别,各自飞向相反的方向。在没有外界干预的情况下,它们无论彼此分开多远,也会不忘初心,继续处于那个共同的量子态中。

它们中一个可能碰巧来到地球附近,引起这里人类的好奇。他们观察了这颗粒子的动量,引起其波函数的坍缩。这个干扰行为使得这颗粒子的动量完全确定,进入了一个不同的量子态。它的同伴这时可能远在宇宙另一端,遥遥不相及。然而,因为系统总动量的守恒,测量者可以由这个近处粒子的动量确切地推算出远方那个粒子的动量。这样,那颗粒子的动量也成为已知数。或者说,它的量子态也随之发生了变化。

然而地球上的测量行为只是对近处这颗粒子造成了干扰,并没有涉及远处那颗粒子。即使这样的测量可能干预到整个体系,这一干扰最快也只能以光速向那另一颗粒子传递。当远处的粒子因为近处粒子被测量而突然具备确定的动量数值时,它显然还不可能感受到测量行为的干扰——那只会是几年、几百年甚至几亿年之后的事情。

于是,爱因斯坦他们提出,远处那颗粒子是在没有经受任何干扰的前提下有了百分之百可预测的动量数值。因而,根据他们给出的定义,那颗粒子的动量是一个物理实在。

同理,如果地球人没有测量动量而是测量了近处这颗粒子的位置,他们也能推算出天边那颗粒子的位置。这样,那颗粒子的位置也是一个物理实在。

然而,在量子力学中,地球上对近处粒子动量、位置的测量只能二选一,不能同时精确测量。对远处那颗粒子动量、位置的预测也就不可能同时达到百分之百的确信度。对那颗粒子来说,它的位置和距离都是实在的物理量,却在量子力学中不可能同时准确预测。这说明量子力学中的物理量没能做到与那颗粒子的物理实在一一对应。再次根据他们给出的定义,这样的量子力学显然不可能是完备的。


经过几十年的努力,美国的物理学界比世纪之初已经有了长足的进步,《物理评论》也有了40年的历史。但相对于欧洲的老牌大学、期刊,他们的影响力还是乏善可陈。两年前,波多尔斯基在加州理工学院与托尔曼、爱因斯坦合作的那篇光子箱论文也是在《物理评论》发表,结果只是石沉大海。为了不重蹈覆辙,波多尔斯基这次先向《纽约时报》透露了信息。这家有国际影响的大报一直在追踪爱因斯坦在美国的活动,得到消息如获至宝,立刻冠以醒目标题发出新闻。随着世界各地媒体的跟进,欧洲的物理学家们不可能再错过这篇“爱因斯坦攻击量子理论”的新论文。

在苏黎士的泡利火冒三丈。他立即给海森堡写信,对爱因斯坦的又一次故伎重演牢骚满腹:“我们都清楚,他每次这样做都是一场灾难。”他还刻薄地讥讽,如果是一个刚刚接触到量子力学的学生提出这篇论文中的反对意见,倒是蛮聪明的,会很有前途。

在荣格两年的精神分析帮助下,泡利的个人生活已经大为好转。他不再像过去那样花天酒地,也有了一个稳定的第二次婚姻。他暂时停止了专业的精神辅导,但对梦境解析的兴趣丝毫未减,还继续与荣格共同探讨。

泡利咄咄逼人的个性也有所收敛。他刚刚接受了高等研究院的邀请,即将赴美访问与爱因斯坦成为同事。这自然不是他出头惹是生非的好时机,所以他只是激励师弟出面维护哥本哈根的正统。海森堡很快写就了一篇反驳,但在听说玻尔已经兢兢业业地准备回应爱因斯坦后就压下了。虽然已经是诺贝尔奖得主,海森堡在玻尔面前依然自觉是小字辈。在这个关于量子力学本质的原则问题上,他乐于置身事外,旁观高手的直接对阵。

玻尔读到EPR论文后也觉得非同小可,立即停下手中一切工作,拽上他那时的助手罗森菲尔德(Leon Rosenfeld)日以继夜地讨论如何应对这新一轮挑衅。罗森菲尔德是比利时人。两年前,他在那里做量子力学的学术报告时,尚在比利时避难的爱因斯坦就曾向他谈起他与波多尔斯基和托尔曼合作的光子箱假想试验,询问对其中一个光子的测量如何能够直接导致另一个光子量子态的改变。

罗森菲尔德当时无法作答。这时他在哥本哈根发现玻尔也同样地焦头烂额,无法理清爱因斯坦的思路。他们俩整整花费了六个星期,全力以赴地对付这个头等大事。七月份,玻尔先在英国的《自然》杂志上发表了一个初步的回应,立刻引得《纽约时报》的关注。两位量子大师在物理学中的原则性分歧成为新闻界追逐的好题材。

玻尔的正式回应则发表在10月15日的《物理评论》上,相距EPR论文正好五个月。这个论文发表速度对于玻尔也相当罕见。他不仅选取同一个刊物,还干脆采用了同一个题目:《量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗?》。当然,他的答案与EPR针锋相对,是毫无疑问的肯定。

玻尔回应EPR的论文首页。

有意思的是,在这篇他独自署名、全文采用第一人称单数叙述的论文中,玻尔完全回避了EPR论文中由两个粒子构成的物理图像。他认为那个新的假想试验不过是爱因斯坦在1927年索尔维会议上双缝试验的翻版,换汤不换药。由此,玻尔在论文中又一次详细分析了他自己所称“人们已经熟悉了的”索尔维会议辩论。从单缝试验到双缝试验,他再次全面阐述了互补原理,论证量子力学中不确定原理之无法避免。

当然,玻尔与爱因斯坦最大的分歧还在于对“物理实在”的看法。

玻尔指出EPR给出的定义中“不对系统造成任何干扰”这个前提非常含糊,无法适用于量子的微观世界。正如他们在索尔维会议上已经确定的那样,如果在双缝试验的狭缝后面装上诸如云室一类的仪器进行测量,就会不可避免地干扰整个的系统。

而如果没有测量,也就没有物理实在。玻尔这一观点与EPR论文开宗明义宣布“存在一个于任何理论的客观实在”截然相反。他认为人类对物理实在的认识取决于测量仪器和方式的选择。对某些物理量测量的过程必然形成对系统的干扰,从而使得另一些物理量变得不可知。

但玻尔强调,这个“缺陷”不仅仅是出自对那些物理量的无知,更是由于在这种测量的选择下不可能明确地定义那些物理量——只要选择了测量粒子的位置,粒子的动量就无法定义,也就不成其为物理实在。因此,量子力学的这一局限是本体性的,不是只局限于人类的认知层面。

爱因斯坦的新假想试验中那两颗有着同一波函数的粒子属于同一个量子系统。对其中一颗粒子的测量不仅干扰了这颗粒子,也干扰了整个系统,从而同时干扰了另一颗粒子。这样,EPR的挑战便迎刃而解:那正是量子世界的必然。至于两颗粒子之间距离遥远、以光速尤不可及的困难,玻尔并没有专门涉及。他觉得那并不会对量子世界的特性构成障碍,不成问题。


波多尔斯基在论文发表之前向《纽约时报》透露消息的举动的确保证了他们这篇论文不至于无人问津。他的苦心却也只带来非常短暂的绩效。玻尔论文的发表不仅让海森堡、泡利省去麻烦,也一锤定音地为这个为期近十年的辩论下了最后的结论。在那之后,基本上没有人还会继续讨论这个话题。如果有人好奇地提起,也总会得到一个现成的回答:玻尔已经解释过了。

正如冯·诺伊曼已经严格地证明了量子力学中不可能还有未知的隐变量。

爱因斯坦对波多尔斯基的行为非常恼火。他罕见地给《纽约时报》去信谴责他们的新闻来源于未经许可的泄漏,非常不恰当。他声明自己从来不会在媒体上讨论尚未发表的科学结果,这不符合科学研究的规范。(当然,爱因斯坦自己无论以前在德国还是后来在美国都经常向媒体透露他的新进展。尤其是他在统一场论中时不时的“颠覆性革命”,曾一再引起新闻轰动。)

论文发表时,波多尔斯基已经在爱因斯坦和狄拉克的推荐下获得美国辛辛那提大学的职位后离开了高等研究院。他后来与爱因斯坦不再有个人联系。罗森在高等研究院逗留的时间长一些,继续担任着爱因斯坦的助手。他们在广义相对论、引力波等领域的合作卓有成就(详见《捕捉引力波背后的故事(之一):爱因斯坦的先知、失误和荒唐》)。罗森因之成为与爱因斯坦共同发表论文最多的物理学家。

在EPR论文上,爱因斯坦最为失望的还不只是波多尔斯基的写作风格和擅自行动。在他看来,玻尔再次剑走偏锋,将他对量子力学中局域性的忧虑转变为对不确定原理的怀疑。他们的论战又一次陷入鸡同鸭讲的僵局。

因为海森堡的不确定原理,人类对量子世界的认识犹如在昏暗的油灯下观察一头大象。我们只能迷迷糊糊地看到大象脑袋和尾巴的形状,却没法把它们同时看清楚。如果要凑近仔细观察,能明晰地看到大象脑袋像一块石头。那时候却又看不到大象尾巴,不知道尾巴会是个什么样子。如果换一个角度能真切地看到大象的尾巴像一根绳子,却又不可能知道那时的大象脑袋是个什么样子。

按照玻尔的解释,当我们凑近大象的脑袋时,那个像一块大石头的脑袋是一个物理的实在。但那时,大象的尾巴无法定义,便不是物理实在。如果我们是去观看大象的尾巴,那么尾巴成为细绳状的物理实在,而大象的脑袋却又不实在了。因为我们永远无法同时看清脑袋和尾巴,也就不存在一个客观的大象整体。我们对大象形状的理解与我们自己的主观选择息息相关。

正像埃伦菲斯特在1930年索尔维会议后发现,爱因斯坦早就接受了量子力学这个奇异的特性,不再怀疑不确定原理。在这新一轮质疑中,他与波多尔斯基和罗森别出心裁地安排了两头这样的大象。它们在一起相处后分开,彼此距离越来越远。在某一个时刻,地球上某一个人决定看看近处的那头象的脑袋,发现它长得像一块石头。就在那一瞬间,爱因斯坦他们指出,十万八千里之外的那另一头象也会突然呈现出石头的形状。

反之,如果这个人看到的是自己身边的大象是一根绳子,遥不可及的那另一头大象也会同时变成一根绳子。

两头大象似乎拥有特异功能,可以互相心灵感应。在爱因斯坦看来,这就如同海神波塞冬眉头一皱,千里之外立刻洪水滔天一样地荒唐。自泰勒斯、勒皮普斯、芝诺以降的哲人已经在这上面绞尽过脑汁:如果自然界果然如此,就无法建立严格的因果关系,也就无从认识、解释这个世界。只有具备可分离性和局域性,才可能有严谨的逻辑。

然而,在量子力学中,那共享着一个波函数的两个粒子之间丝毫不具可分离性。它们纵然天各一方,却依旧如胶似漆密不可分。

虽然EPR论文的题目大张旗鼓地设问“量子力学对物理实在的描述可以被认为是完备的吗?”并在文中旗帜鲜明地给出了否定性回答,爱因斯坦他们也不得不考虑到还存在另一种可能性。那就是量子力学本身其实是完备的,只是不具备局域性。他们的假想试验只证明量子力学或者不完备,或者非局域。二者必居其一。

但爱因斯坦无法接受一个违反局域性的科学。那样的话,量子理论中会有着经典物理不存在的某种超越空间的关联。他把这个自从“鬼场”起就让他牵肠挂肚的场景称作“鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)”。及至十多年后,他还会在给玻恩的信中念叨:我绝对不可能相信上帝会掷骰子,或动用起心灵感应。

对爱因斯坦来说,违反因果关系的超距作用只能是不合逻辑的无稽之谈。这样就只剩下一种可能性,那就是量子力学并非完备。


狄拉克在那年秋天也来到普林斯顿的高等研究院访问。因为语言和性格上的障碍,他在那里与爱因斯坦没有太多接触。他也没有太关注EPR论文,只是漫不经心地表示,如果爱因斯坦证明了量子力学不完备,那我们就只好再次从头开始。

在狄拉克眼里,量子力学面临的危机并不在于如何被“诠释”,而是数学上的“发散”。这是他随着量子场论的推进所发现的新问题:一些具体计算往往会得出物理量变成无穷大的荒谬结果,导致整个理论失去物理意义。这个真实的数学困难正让他一筹莫展。

只有薛定谔一如既往,仍然是爱因斯坦唯一的知音。

薛定谔读到EPR论文后立刻致信爱因斯坦,热情洋溢地夸赞老朋友终于抓住了量子理论的尾巴。他也当即成为玻尔之外唯一发表论文回应的知名物理学家。在接连发表的三篇论文中,薛定谔系统地总结了量子力学所处的现状和面临的挑战,并为爱因斯坦描述的那种以超越空间距离、因“鬼魅般超距作用”而不可分离的状态赋予一个形象的名称:“纠缠(entanglement)”。


(待续)


Wednesday, January 27, 2021

量子纠缠背后的故事(卅二):二度难产的诺贝尔奖

在那个让物理学家人心振奋的1930年代初,已经问世30年、逐渐被接受为学界最高荣誉的诺贝尔物理学奖却在1931和1932年连续两年空缺。在瑞典的评奖委员会人员眼里,当时居然没有值得表彰的人选。

这个奖上次出现这种状况时还是1921年。那时的委员会为爱因斯坦的资格争执不下只好暂时搁置颁奖。老资格的阿伦尼乌斯和古尔斯特兰德认定爱因斯坦的理论不符合诺贝尔遗嘱中设定的条件:为人类福祉做出显著贡献的“发现或发明”。

当43岁的奥森在1922年加入这个委员会时,他成为其中第一名理论物理学家。他也同样认可“发现或发明”应该是确切的实际结果或被实际证明的预测,不能只是理论的推断。

但他机灵地施展乾坤大挪移,以爱因斯坦在光电效应中发现而且被证实的规律解开了死结,让委员会避免了难以摆脱的尴尬。由此,爱因斯坦最引人注目的相对论从未得到过诺贝尔奖的肯定。但他的光电效应解释基于量子理论,却为后者的获奖另辟蹊径。在爱因斯坦获得被延迟的1921年奖同时,玻尔搭上顺风车赢得1922年的物理奖。作为量子理论的创始人,他俩得以双星联袂,倒也不失为诺贝尔奖的佳话。

几年过后,阿伦尼乌斯和古尔斯特兰德相继去世,奥森成为委员会中首屈一指的权威。爱因斯坦和玻尔的旧量子理论也已成为历史,被新一代的新理论迅速取代。

从1927年开始,新理论的代表人物薛定谔、海森堡相继获得提名。他们的呼声也随着理论被广泛接受而逐年增高。奥森每年兢兢业业地审查、报告所有被提名人的贡献。他指出新量子力学还只是数学推理,没能带来切实的“发现或发明”。那几年,物理学奖延续传统,接连颁发给实验物理学家。获奖者中包括发现光子散射的康普顿和发明云室的威尔逊。

1929年的诺贝尔奖终于别具一格,授予了理论家德布罗意。他那奇异的物质波有了实验证明,成为货真价实的新发现。随后的1930年,物理奖又重回实验领域:拉曼(Chandrasekhara Raman)因为在光散射中的新发现成为印度也是亚洲的第一个科学类诺贝尔奖获得者。

薛定谔和海森堡在那几年中一如既往地获得多人提名。奥森也始终如一地坚持他们的理论不满足“发现或发明”的条件。他还指出这个新理论也不像索末菲的旧量子理论那样包括了狭义相对论,尚未完成。

于是,当年爱因斯坦成就斐然却连年无法获奖的戏剧在薛定谔和海森堡身上重演。甚至有人模仿奥森当年的暗渡陈仓,在提名中强调海森堡曾在最早尝试计算氢分子光谱时提出因为两个原子核自旋方向不同会出现两种不同的氢分子(分别为“正氢(orthohydrogen)”与“仲氢(parahydrogen)”),即“自旋异构体(spin isomers)”。这个预测已然被证实,应属于与爱因斯坦光电效应相当的新发现。奥森对这一说法倒没有异议,但调侃如此成就应该为海森堡提名化学奖。

这一次,他们内部的争执甚至超过了十年前,最终导致1931和1932两年持续未能发奖。按照诺贝尔的遗嘱,当年空缺的奖可以在下一年补发。但如果下一年仍然没有合适人选,就只能永久地过期作废。1931年的诺贝尔物理学奖因而付诸东流。在那之前,这个奖还只在1916年时因为第一次世界大战而完全空缺过。

这个荒诞的局面自然让众多物理学家极其沮丧。也与十年前一样,从普朗克、爱因斯坦、玻尔到泡利、费米等重要角色都相继加入提名行列,试图施加压力扭转局面。玻尔过去的助手克莱因已经成为瑞典的知名教授,也积极地参与了游说。不料,转机在1933年意外地出现。

那年,狄拉克也获得了一个提名。作为后来者,他的声望远不如海森堡和薛定谔。他的理论也是在矩阵、波动力学基础上的延伸。然而,正电子在安德森的云室中的出现彻底改变了奥森的立场。因为狄拉克,量子力学终于有了与爱因斯坦光电效应、德布罗意物质波同样被实验证明的新发现。并且,狄拉克方程融合了狭义相对论,又去除了奥森内心中另一个障碍。

当1933年的诺贝尔奖揭晓时,物理奖既属众望所归又因其分配方式令人瞠目。在奥森的安排下,海森堡因“发明”量子力学并“发现”氢分子自旋异构体独享补发的1932年奖。1933年的奖则由薛定谔和狄拉克平分,表彰他们“发现”原子理论中的新方法。

海森堡很不好意思。他的矩阵力学是在玻恩和约旦发扬光大之后才真正“发明”了量子力学,不该由他独享这一殊荣。薛定谔因为与狄拉克分享而觉得平白无故比海森堡矮了一截,颇有微词。狄拉克则完全没有想到自己会栖身获奖行列。他对这一荣誉会带来的社交麻烦恐惧万分,第一反应是干脆拒绝。老道的卢瑟福提醒他那样只会招惹更多的注意力,狄拉克才很不情愿地踏上了领奖之途。

也正是由于诺贝尔奖委员会莫名其妙的运作,旧量子理论和新量子理论在相隔11年前后都出现了奖项难产后的联袂颁发。1922年时,爱因斯坦在东亚旅行,并未能与玻尔同台领奖。1933年底,海森堡、薛定谔和狄拉克同时来到了斯德哥尔摩,在那里的火车站不期而遇。

1933年12月9日,前来领取诺贝尔奖的薛定谔(右一;留意他的穿着)、海森堡(右二)和狄拉克(右三)在斯德哥尔摩火车站相遇。分别陪同他们的是海森堡的母亲(左一)、薛定谔的夫人安妮(左二)和狄拉克的母亲(左三)。

薛定谔与他的结发妻子安妮同来。仍然单身的海森堡和狄拉克则由他们各自的母亲陪伴。海森堡的父亲刚去世不久。狄拉克没有邀请他长大过程中专制、蛮横的父亲。与沉默寡言的狄拉克相反,他那从来没出过远门的母亲成了媒体明星,四处兴奋地为记者提供各种花絮。她也细致地观察着三位获奖者的表现,发现年长的薛定谔总想以三人之首自居,好出风头而不得;海森堡阳光热情;而她的宝贝儿子则总是拼命躲避着各方的注意力(但狄拉克也有出彩的一刻:在颁奖仪式上致辞时,他出乎意料地阐述起经济、社会问题并鞭笞资本主义制度的弊病,令举座茫然)。

10年前,爱因斯坦事后到瑞典补做领奖演讲后曾就近访问哥本哈根。那是他唯一一次踏足玻尔以及量子的大本营。这次,玻尔也邀请新一代的获奖者顺道来哥本哈根继续庆祝。曾经在那里病倒还惨遭玻尔“虐待”的薛定谔谢绝了好意。在玻尔那豪华的嘉士伯府邸里,海森堡意气风发,亲自上场为当地歌星的献唱提供钢琴伴奏。狄拉克却只是偷偷溜回自己房间休息。入夜后,玻尔又会去将他揪下来。客人已经散去,那是他们讨论物理问题的好时光。


很少参与诺贝尔奖提名的爱因斯坦最早在1931年10月致信委员会提名薛定谔和海森堡。他在信中直言表达自己的犹豫:那两人对量子力学的贡献彼此独立,又都相当显著。他们各自都当之无愧,不应该只是分享荣誉。但爱因斯坦却难以定夺哪一个更应该先得到嘉奖。他认为薛定谔的波动方程更有前途,因而是更高价值的成就(这里他特地加上脚注表明只是一己之见,不一定正确)。但在理论的突破上海森堡显然早于薛定谔,拥有优先权。最后,爱因斯坦决定:如果由他做主,他会把奖先发给薛定谔。

爱因斯坦在1931年10月10日写给诺贝尔奖委员会的提名信。(信头地址之“Caputh”是他的别墅所在地。)

他这封提名信发出的时间早已错过1931年的截止期,因而被当作1932年的提名。1933年,爱因斯坦只提了薛定谔,干脆没有再包括海森堡。也许属于意料之中,玻尔那几年持续提名海森堡和薛定谔,并一直将海森堡列在首位。爱因斯坦和玻尔都没有提过狄拉克的名。他们也绝不曾预料到最后的结局。

但爱因斯坦在这个提名上的彷徨也不只是薛定谔与海森堡之间的孰优孰劣。他在信中解释量子力学的贡献应该获奖的缘由时写道:“以我之见,这个理论无疑包含了终极真理的一部分。”

在量子力学的本质问题上与哥本哈根正统鏖战多年后,爱因斯坦也无法忽视量子力学——尤其是薛定谔的波动方程——在原子分子光谱、原子核衰变和人为嬗变、反粒子等一系列实际问题上所取得的辉煌成就。这样的理论即使不尽合理,也应该会有着其正确的一面。

只是,纵然有着正确的成分,他依然无法肯定量子力学已经是科学的真理。


当海森堡、薛定谔和狄拉克在北欧领奖欢庆时,爱因斯坦已经在美国安家落户。

1929年9月,就在美国股市大崩溃的前夜,在新泽西州经营百货公司的一家子急流勇退,将家族产业出售给纽约市大名鼎鼎的梅西百货公司。那兄妹俩都没有子嗣后代,便将套现的巨额财富的一部分与职工分享,其余全部用于公益事业。1930年5月,他们以500万美元起始资金支持的“高等研究院”注册成立。第一任院长弗莱克斯纳(Abraham Flexner)雄心勃勃,要把它建成一个自由学术的乐园。在这个别具一格的研究院里,学者们生活无忧,没有教学负担,无需参加无聊的会议。他们也没有任何任务指标、年终评比,可以如同诗人、作曲家一样心无旁骛地追求自己心目中“没用的知识”。(弗莱克斯纳后来以《无用知识的用处(The Usefulness of Useless Knowledge)》为题发表了他的办院宣言。)

这个诱惑显然对爱因斯坦有着特殊的吸引力。他在1932年回绝加州理工学院和牛津大学的盛情,成为这家研究院的第二位受聘专家。

当弗莱克斯纳询问爱因斯坦对薪金的要求时,爱因斯坦小心翼翼地提出每年三千美元的价码。弗莱克斯纳目瞪口呆,干脆撇开这位科学大师改与他夫人艾尔莎谈判。他们很快达成协议,支付爱因斯坦一万五千美元的年薪。那是当时美国也是全世界科学家的最高档次。(作为院长,弗莱克斯纳自己的年薪是两万美元。)

让弗莱克斯纳更为瞠目结舌的却是爱因斯坦提出的另一要求:必须同时聘请他的助手梅耶(Walther Mayer)。

梅耶是个年轻的单身汉,爱因斯坦完全不是像薛定谔那样醉翁之意不在酒。从1929年起,梅耶就一直担任爱因斯坦的助手。即使是爱因斯坦与艾尔莎每年跨大西洋到美国访学时,他的私人秘书杜卡斯(Helen Dukas)和梅耶都永远地伴随在旁。

与玻尔必须在同他人交谈的过程中才能有效工作的风格相反,爱因斯坦的创造性思维永远是他自己孤独的努力。自从普朗克和能斯特以特殊待遇将他聘入柏林大学之后,他就是一个不讲课的教授,也从来没有过自己的学生。他乐此不疲,还经常开玩笑建议政府应该雇用理论物理学家担任海岸灯塔的守灯人,让他们能有更多没有外界干扰的时间独自思考、发现。

但在进入50岁之后,爱因斯坦也深感力所不逮,无法再自己对付广义相对论、统一场论中越来越繁复的数学推演。梅耶是数学博士,正好成为爱因斯坦不可或缺的助手。几年下来,他赢得了一个绰号:“爱因斯坦的计算器”。

弗莱克斯纳心目中的高等研究院成员都是世界首屈一指的学界明星,梅耶显然不合要求。他非常不情愿从一开始就来上一个降格以求的先例。但在爱因斯坦顽固的坚持下,他也只好让了步。何况,梅耶也是犹太人,独自留在德国会前途莫测。

爱因斯坦在1933年10月上班时,那高等研究院还并不存在。他们只是临时在就近的普林斯顿大学数学系新楼中租借了几间办公室,等候自己的大楼破土动工。那时他们也只有寥寥五名正式成员,其中包括冯·诺伊曼和外尔。本来就每年在普林斯顿大学访问半年的冯·诺伊曼已经爱上了美国,趁这个机会扎了根。在哥廷根接替导师希尔伯特退休后席位的外尔收到聘请后犹豫了两年,几经反复。最后他还是在希特勒上台、自己精神崩溃后才下定决心投奔新大陆。

弗莱克斯纳虽然被迫接受了梅耶,却也只是给了他一个永久职位,并没有把他算作正式成员。爱因斯坦对这个安排不尽满意,但梅耶本人更让他失望。在人身安全、职业都有了保障之后,梅耶不再愿意专职为他人打下手。他也对统一场论也没有兴趣,一头转回了自己的纯数学研究。爱因斯坦还是不得不另觅助手。

或者说,他不得不热情面对主动找上门来的年轻人。那在普林斯顿并不缺乏。

第一个来敲他办公室门的是刚刚获得博士学位的罗森(Nathan Rosen)。他在麻省理工学院师从当年在哥本哈根的BKS论文风波中梦魇一场的斯莱特,曾做了统一场论方面的硕士论文。爱因斯坦很感兴趣,当即建议他来研究院“共同研究”。兴奋的罗森很快成为研究院的博士后。

按照欧洲传统,研究院每天下午3点供应茶点,让大家惬意地聊天交流。1934年的一天,罗森在下午茶时不经意地向爱因斯坦提起他曾经计算过氢分子光谱。他觉得那很奇妙:在量子力学中,氢分子的两个原子只能共享同一个量子态,无法存在各自独立的量子态。罗森觉得不可思议。他不知道爱因斯坦多年前已经在他的鬼场中看出这个“分离性”大问题。海森堡在为氦原子的两个电子构造波函数时也发现过同一机理。

他们的交谈吸引了旁边另一位年轻人的注意。那便是曾在加州理工学院与爱因斯坦和托尔曼合作发表过论文的波多尔斯基。离开加州理工学院后,波多尔斯基回到苏联老家,跟着正好在那里访问的狄拉克研究过量子电动力学。之后他也是在爱因斯坦的推荐下又来到高等研究院继续深造。

爱因斯坦、托尔曼和波多尔斯基当初发表的那篇论文没有引起注意,但波多尔斯基自己却印象深刻。当时他们设想在爱因斯坦的光子箱上开两个孔,让两颗光子同时向相反方向逃出。因为光子原来在箱子里处于同一个量子态,它们离开箱子后无论跑出多远,其波函数还是会紧密地联系着。

波多尔斯基意识到两个原子的氢分子和两个电子的氦原子其实都是开了两个孔的爱因斯坦光子箱。当两个原子或电子由于互相作用形成同一个量子态时,它们就会永远地联系在一起。如果这时让它们在空间上彼此分离,各自向相反的方向运动,那就是光子箱假想试验的一个更为直观的实现。他立即向爱因斯坦提议继续探讨这个非常有意思的问题。爱因斯坦微笑颔首。

近一年后的1935年5月4日,《纽约时报》冷不丁地发表了一篇题为《爱因斯坦攻击量子理论》的新闻。

1935年5月4日《纽约时报》报道“爱因斯坦攻击量子理论”的标题部分。

这篇报道的标题部分便提纲挈领地归纳了其全部内容:“【爱因斯坦】与两位合作者发现【量子理论】虽然‘正确’却还没有‘完备’”“【他们】看到存在更完备理论的可能”、“相信一个‘物理现实’的完整描述终将出现”。


(待续)


Tuesday, January 19, 2021

量子纠缠背后的故事(卅一):现实世界的坍缩

哥本哈根的年轻人取笑爱因斯坦和他的跳蚤时,爱因斯坦刚刚结束又一次在美国的访问回到德国。那是他第三次去美国,也是连续第二年在加州理工学院越冬。那里的校长密立根正在施展浑身解数,试图将这独一无二的国际大师聘请到自己的学校。这不仅会大力提升他这个新学院的地位,也足以让美国在学术领域与欧洲的传统列强分庭抗礼。

爱因斯坦和夫人爱丽萨对南加州的阳光海滩赞不绝口,誉之犹如天堂。但爱因斯坦还是难以割舍欧洲的传统文化氛围和他在柏林近郊的别墅,只同意每年冬天来这里访问几个月。

1933年2月,爱因斯坦在南加州海滩。

1932年底,他们第三次来到加州理工学院。新年刚过,德国的形势便急转直下。1月底,希特勒正式掌握行政权;2月底,“国会纵火案”事件发生,希特勒借机取缔了作为主要竞争对手的德国共产党。3月份,议会通过决议事实上赋予希特勒政府独裁权力。

及至4月7日,议会又通过法律,强迫在德国大学、公务员系统中的犹太人教授、职员辞职。在年迈总统兴登堡(Paul von Hindenburg)的坚持下,曾在第一次世界大战中服役或有直系亲属为国捐躯者以及在战前业已任职的得以豁免,大大缩减了法案的适用范围。但即便如此,仍有成千上万人在一夜之间面临突然失业的命运。

作为犹太人中佼佼者,爱因斯坦首当其冲。那年3月,当爱因斯坦还在从美国回返途中时,他的别墅遭到搜查,心爱的小帆船被没收充公——他被怀疑参与走私、窝藏武器等阴谋活动。邮轮在比利时靠岸后,他立即前往布鲁塞尔的德国领事馆退还了护照。这是他在15岁时逞少年之勇后第二次放弃德国国籍。


在柏林,普朗克也收到了爱因斯坦辞去普鲁士科学院、柏林大学全部职位的信件。他大松一口气,回信表示感谢。因为那是能够让大家都避免麻烦的体面之举。爱因斯坦在国外批评德国政策的言论已经在国内引起轩然大波。作为最早慧眼识珠并一路提携的伯乐,普朗克非常不愿意面对不得不亲自主持开除爱因斯坦的局面。

科学院的秘书却擅自以官方名义发表了一篇谴责爱因斯坦的声明。当年曾受普朗克之托作为第一个学术界人士到专利局拜访那无人知晓的“爱因斯坦教授”的劳厄打抱不平,要求表决撤回声明。他的提议没人响应。普朗克认为那只会造成适得其反的后果。

德高望重的普朗克已经75岁了。刚上台的希特勒也给他发来生日贺电。借答谢机会,普朗克在那年5月谒见首相,委婉地希望对犹太人也能有所“区别对待”,为德国的科学和未来保留一些人才。希特勒不由分说地拒绝了他的请求,声称不惜过几年没有科学的日子也必须彻底清除犹太人影响。

在十多年前的一战期间,普朗克的两个儿子都上了战场,一个战死一个被俘。他自己曾在战争初期联署公开信为德国的传统、行为辩护,并在战后的满目疮痍中竭尽全力鼓舞士气,主张科学救国。战后主要在德国孕育、发展的量子力学证明了他的远见,也是他作为德国人的骄傲。为了保存这来之不易的果实,普朗克与德国其他所有“雅利安种”科学家一样,在讲课、演讲前一丝不苟地行纳粹礼。他以服从的态度解雇了自己的犹太职员并禁止犹太学生来上课。他讲解的内容中不再提及犹太科学家的贡献、名字,包括他已故的好朋友、前德国物理学会主席瓦尔堡。

爱因斯坦在柏林最亲近的朋友、曾在他与玛丽奇离婚过程中斡旋的著名化学家哈伯也陷入了困境。哈伯是犹太人,但早已皈依天主教。他因为在一战中研制、使用毒气弹的功劳在德国被看作国家英雄(当然也被敌方协约国视为战犯)。作为化学研究所的主任,他消极抵制开除犹太人,最后不得不辞职离开了祖国。在欧洲流浪几个月后,他贫病交加,在瑞士辞世。

爱因斯坦的宿敌斯塔克和萊纳德则重新回到权力中心。自十多年前充当反对“犹太物理学”的先锋后,这两位诺贝尔奖获得者在德国学术界一直只是默默无闻的边缘人。斯塔克一度弃学经商,很早就成为纳粹的支持者。希特勒掌权后,他也卷土重来,在萊纳德的协助下占据了德国物理学会和科研基金会的领导地位。但他试图全面控制、重建“德意志物理学”的努力遭到劳厄公开的强力抵制,未能得逞。


纳粹崛起的主力军还是激进的年轻一代,尤其是热血沸腾的大学生。被当地学生们称之为“犹太大学”的哥廷根大学首当其冲。那里的物理系由玻恩和第一个实际探测到能量量子化现象的弗兰克分别主持着理论和实验两大部门。两人都是犹太人,但也都曾是一战中的功臣,属于被法律豁免之列。面对学生们群情激愤的压力,弗兰克选择了辞职。玻恩随即也在报纸发表的停职表上看到了自己的名字。

哥廷根的数学系比物理系更负盛名,也同样地遍体鳞伤。当教育部长询问希尔伯特他的研究所是否真的因为失去犹太教授而损失重大时,希尔伯特无可奈何:“损失?不,没有损失。部长先生,只是研究所已经不复存在了。”

5月10日的傍晚,哥廷根、慕尼黑、柏林和德国各地大学的学生们燃起熊熊篝火,大举焚烧“反德”、“非德”的政治不正确书籍。爱因斯坦的著作自然也在其中。第二天凌晨,当校园广场上的火堆还在细火慢烧,空气中弥漫着烟雾和灰烬之时,玻恩带着妻子和儿子乘车离开了这个历史悠久、环境优美的大学城。

他们没有离开德国太远,就在境外意大利北部与奥地利、瑞士接壤的边境小镇塞尔瓦住下。这里地处阿尔卑斯山中,也是一个度假胜地。在玻恩他们来到的初夏,成片的野花正在满山坡上怒放着,仿佛世外桃源。很快,在苏黎士的外尔带着玻恩的两个女儿前来汇合。玻恩的一些年轻学生也闻讯陆续赶来。在那里,他们登山越野,继续研讨量子物理,似乎是在与往年无异地举办夏季学术活动。

1933年夏,玻恩(右三)和他一家子在阿尔卑斯山中避难。

就连身宽体胖,从不参与户外活动的泡利也来凑热闹。在中立国瑞士的泡利还没有感到切身的危险。他曾写信约海森堡一起来商讨如何抵制希特勒的排犹政策。海森堡虽然对攀登阿尔卑斯山很是心动,还是拒绝了师兄的邀请。与普朗克一样,海森堡的心思完全在于如何保全德国的物理学。他致信玻恩劝导师忍辱负重,回祖国效力。

他们的另一个师弟约旦则已经正式加入了纳粹党。他还志愿成为其最激进、暴力的冲锋队一员。

在玻恩的邀请下,薛定谔也带着夫人安妮来到塞尔瓦拜访。只是当时没人知道他们的到来其实还另有所图。


还在纳粹得势之前的1932年,英国牛津大学的教授林德曼(Frederick Lindmann)曾在德国穿梭旅行考察。他已经预感到德国犹太人将会面临的危险,早早地开始了未雨绸缪的准备。在人道营救的同时,林德曼也有着私心的企图。他所在的那个老资格大学在20世纪不仅完全错过了在欧洲蓬勃发展的现代物理学,就连自家隔壁的剑桥也已经望尘莫及。他们迫切需要新的人才。德国形势的恶化正是一个机会。

在1930年代初,牛津大学也在每年邀请爱因斯坦来讲学,是与加州理工学院争聘这位国际大师的最强劲竞争对手。

但林德曼更关注年轻的一代。他早期曾在柏林大学师从能斯特获得博士学位,还被邀请作为秘书参加过1911年的第一届索尔维会议。凭借多年的关系,他在德国广泛物色合适的人选。索末菲向他推荐了刚刚计算了氢分子光谱的伦敦。

伦敦那时已经到柏林大学担任薛定谔的助手,正踌躇满志地要在这个学术宝地大展身手,没有立即接受林德曼的聘请。当林德曼与薛定谔商量时,薛定谔提出如果伦敦执意不受,他可以自己取而代之。

林德曼大吃一惊。薛定谔不是犹太人,在柏林正风生水起,完全不在他的涉猎、营救的目标范围内。

满腹学究的薛定谔从来不过问政治。但在纳粹的德国,政治也逐步在过问到他头上。爱因斯坦的去国不归令他失去了一位好不容易才得到的契友,不再能有田野漫步湖上泛舟的好时光。当普鲁士科学院因为爱因斯坦而争执时,薛定谔洁身自好,不再参与这个他曾经花了相当心血的机构的活动。

1933年的4月1日是德国全面抵制犹太人商店的日子。薛定谔那天正好在一家犹太人开的大百货公司附近,因为看不惯现场众多纳粹冲锋队员的蛮横而发生言语冲突。好在冲锋队中有一位物理研究生认出了大教授,及时将他护送出围,才让他免受一顿暴打的厄运。

柏林已经不再是薛定谔钟情之地。

伦敦其实也没有自己的选择余地。作为犹太人,他很快被柏林大学解雇,不得不接受了林德曼的聘请。林德曼也没有因此放过薛定谔这条更大的鱼。他回国广泛筹集资金,为薛定谔又设立了一个席位。

薛定谔却又提出一个条件,要同时聘请他在老家奥地利的年轻物理学家玛奇(Arthur March)。他信誓旦旦地告诉林德曼,玛奇正与他合作研究,已经开始发表论文。他到牛津后的科研工作非有玛奇作为助手不可。


在哥本哈根,玻尔也在深切地体会到时局的变化。他的研究所依然生气勃勃,但来来往往的物理学家们不再只是沉浸于科学的探求。他们面带焦虑,人人担心着自己的前景,互相交流更多的是如何在英国、美国等更安全的地方寻找机会。

玻尔自己的地位早已非同小可。长期资助他研究所的嘉士伯啤酒公司创始人去世后将其豪华的府邸捐献给国家,由丹麦科学院遴选在科学、文学、艺术方面做出突出贡献的人免费使用。玻尔在1932年成为这一人选。

嘉士伯的基金会也在他的引导下开始了营救犹太科学家的计划。接受玻尔邀请到研究所工作的不再只是二十来岁的年轻人,也有了诸如哥廷根的弗兰克这样的老牌教授。他们在这里得以暂时落脚,然后争取到机会再前往美国、英国等地。

1933年春天,玻尔到美国讲学访问。那年的复活节聚会于是推迟到9月中旬才举行。“校友”和年轻人再度济济一堂,却再也无法重现一年前《浮士德》演出时的轻松和欢乐。

1933年9月玻尔研究所的学术讲座上。前排左起:玻尔、狄拉克、海森堡、埃伦菲斯特、德尔布吕克、迈特纳。(很可能是埃伦菲斯特最后一张留影。)

会后,狄拉克和与他私交甚密的埃伦菲斯特在嘉士伯府邸门前道别。狄拉克感慨这里虽然看起来是年轻人的世界,其实都应该归功于作为长辈的埃伦菲斯特对他们的无私提携。

狄拉克没料到埃伦菲斯特听到后竟然泪流满面,拉住狄拉克的手情绪冲动地表示感激。对人情世故一窍不通的狄拉克不知所措,只能目瞪口呆地看着埃伦菲斯特蹒跚离去的背影。

短短五天后,埃伦菲斯特在阿姆斯特丹的一家护理院里接出他患有唐氏症的15岁小儿子。两人到附近一个公园坐下后。埃伦菲斯特掏出手枪,朝儿子的头部开枪后随即也结束了自己的生命。

埃伦菲斯特出生于1880年1月,随着1930年代进入知天命岁月。他与爱因斯坦年岁相当,是爱因斯坦少有的同辈好友。早在1912年,当爱因斯坦准备离开布拉格大学回苏黎士时就曾推荐由埃伦菲斯特接替他在布拉格的席位,并提示他可以同样地在填表时糊弄有关信仰那一栏。然而,那时还在焦头烂额四处寻找工作但已经叛离犹太教的埃伦菲斯特却不愿意妥协,固执地坚持自己没有信仰而未获通过。后来,荷兰的洛伦兹退休。莱顿大学在争取爱因斯坦失败后,终于接受他的提议聘请了埃伦菲斯特。

在莱顿,他培养了发现电子自旋的古德斯密特和乌伦贝克,挽救了费米那几乎夭折的物理生命,也与狄拉克等青年一代有着亲切友好的关系。正像德尔布吕克为他定位的那个浮士德,他心地善良随遇而安,经常在爱因斯坦、玻尔等大师之间充当和睦、调解的中间人角色。

但年轻的德尔布吕克不可能知道埃伦菲斯特内心中与浮士德更为相像的另一面。他与歌德剧中的主角一样痛感才疏学浅,为青春不再却还没能做出突出贡献而陷入深深的自卑、抑郁(在歌德的原剧中,浮士德的情人亲手杀死了他们的儿子。那个情人在哥本哈根的版本中成了“中微子”。)。当年导师玻尔兹曼的自杀、德国的反犹政策、好友爱因斯坦的流亡都让他体会到挥之不去的绝望。最后,他做出了与浮士德截然不同的另一个选择。


玻恩所在的塞尔瓦也正是玛奇的家乡。薛定谔夫妇来到后不久,玛奇也带着他的妻子前来探望。他并不知道薛定谔已经在安排他去牛津大学,也从没想过要离开奥地利。他对薛定谔十分崇拜,但并没有太多私交。

薛定谔在意的却也不是玛奇本人,而是他新婚不久的妻子希尔德(Hilde March)。在甜蜜的几年后,薛定谔与他的小情人依西的感情已经趋于淡漠。依西曾意外怀孕,不顾望子心切的薛定谔的反对堕了胎,随后伤心地离开了柏林。那时,薛定谔在去奥地利讲学时见到玛奇夫妇,回家后便神魂颠倒地向妻子安妮描述希尔德的美貌。

在阿尔卑斯山遐意的盛夏,薛定谔独自带着希尔德骑自行车长途游览。当他们终于返回时,希尔德已经怀有身孕。玛奇虽然心有不满,也只好接受了现实。安妮早已习惯了丈夫的艳遇。她自己也正乐不思蜀,在与情人外尔如胶似漆地相亲相爱着。一时间,他们又找回了昔日在苏黎士时的多角浪漫时光。

在大雪封山之前,玻恩在狄拉克的协助下在剑桥大学谋到一个临时职位,终于有了知识的落脚之地。他年轻时曾在剑桥短暂留学,属于旧地重游。

当第七届索尔维会议1933年10月在布鲁塞尔召开时,与会者中已经没有了埃伦菲斯特,也没有爱因斯坦。在欧洲辗转半年多后,爱因斯坦又已经转往新大陆。出乎意料,加州理工学院、牛津大学和其它几个学校都没能如愿以偿。他最后选择了美国东海岸刚刚成立的一个“高等研究院”。那里待遇丰厚,与他在柏林大学一直享受着的特殊待遇一样没有教学负担,可以专心于他的统一场论。(爱因斯坦还将他工资的三分之一捐给林德曼,协助他的人道营救行动。)

从那时起,索尔维会议上不再有爱因斯坦那神秘莫测的微笑、鬼斧神工的假想试验。那一年,卢瑟福和玻尔带着其他的女巫们得以兢兢业业地探究更实际的会议主题:核物理。

薛定谔出席索尔维会议后便和夫人安妮带着希尔德来到牛津大学。他告诉林德曼,玛奇因为搬迁耽搁,会迟些时候再赶来报到。

为这位国际知名物理学家的加盟,牛津大学举办了正式的欢迎宴会。当他们完成仪式,依次就座准备进餐时,突然有记者打来电话报喜:他们这位远来的新聘教授刚刚荣获了诺贝尔奖。


(待续)


Wednesday, January 13, 2021

量子纠缠背后的故事(三十):冯·诺伊曼的证明

随着1930年代的开始,泡利、海森堡、狄拉克、约旦相继在进入人生第30个年头,开始告别他们的青春岁月。

牛顿在24岁时发明微积分、动力学和万有引力,创立经典力学的宏伟。爱因斯坦在专利局的奇迹年中连续发表光电效应、布朗运动、狭义相对论时是26岁。玻尔也在27岁时提出原子模型。麦克斯韦完成他的电磁学方程时也不过30岁。物理学——尤其是理论物理——永远属于最富有创新能力的年轻人。

渐次年长的泡利这新一代也已大致完成了新量子力学。他们都有着稳定的学术地位,进入收获季节。

与世纪同龄的泡利在1930年率先进入而立之年。到苏黎士担任教授后,他还是与在慕尼黑、汉堡时一样地花天酒地,每晚在夜总会声色犬马。他退出了从小随父母皈依的天主教会,还娶一位舞女为妻。这个门不当户不对的婚姻不到一年就解体。让泡利愤愤不平的是把老婆拐跑的竟然只是一位“太过一般的化学家”。

雪上加霜,他那也是高级知识分子的母亲因为无法容忍父亲的外遇吞药自杀。他父亲却很快与小情人再婚,更让泡利愤恨不已。在父亲建议下,泡利结识了在苏黎士已经成名的精神分析师荣格(Carl Jung)。他俩随即开始长达26年的亲密交往。

荣格对这位不可多得科学天才的心理案例如获至宝。他们逐渐从为泡利解析梦境、排解心结过渡到对心理学和量子物理——两门20世纪初的新兴学问——之间可能存在的内在联系的共同探讨,最终合作出版一本题为《自然与心理的诠释》的论著。他们常年的来往通信后来也以《原子与原型》(Atom and Archetype)的书名结集出版。其中,泡利细致地记录了自己的1000多个梦,荣格则对其中400多个提供了专业解析。

在这场个人危机中,泡利没有像玻恩那样逃避本职工作。有悖于一向执着于数学严谨的风格,他提出原子核的β衰变中还有另一个粒子在起作用,以保证过程中的能量守恒。这个未知粒子无质量、不带电,因而实验探测不到。泡利提出这么一个无法实际验证的假设后非常尴尬,将之归咎于他正所经历的疯狂岁月,才会公开这样的愚蠢念头。(泡利预测的“中微子”直到26年后才被实验证实【参阅《宇宙膨胀背后的故事(廿四):深藏不露的胆小鬼和猛男》。)

海森堡和狄拉克青春结伴环游世界后,都开启了他们著书立说的教授生涯。

海森堡的动作最快,因为他出版的就是在美国讲学时的讲义。他的书名叫做《量子理论的物理原理》,内容却始终贯穿着他秉承的“哥本哈根精神”。他和玻尔之间原有的分歧早已荡然无存,这本书宣教的完全是玻尔的正统思想。

狄拉克则反其道而行之。他在1930年还只有27岁时就获选英国王家学会院士,成为那个老派学院历史上最年轻的成员之一。他那年出版的是《量子力学原理》。

文如其人,狄拉克的书逻辑严谨、词语简洁,用他自己那套符号语言高屋建瓴地构造出量子力学的数学结构。他的书里没有互补原理。在推导不确定原理之外也不带有“哥本哈根精神”的痕迹——玻尔那套理论依然没有任何数学方程,无法与在他的推理中出现。即使是玻尔的大名也只是在回顾旧量子理论历史时才得以昙花一现。

泡利自然不甘落后。他在1933年发表了一篇内容全面、精细的量子力学综述。那是他几乎独门的拿手好戏。还是在攻读博士学位期间,泡利就因为替导师索末菲撰写相对论的综述而声名大振,赢得包括爱因斯坦的高度赞赏。在量子领域,他也早在1926年就发表过一篇综述,全面阐述了那时的玻尔-索末菲理论。1933年的新综述问世后,他戏称这两本书分别是量子力学的《旧约》和《新约》,分别集旧、新量子理论之大成。

这分别出自而立之年三人的三本量子力学教程风格迥异,各有千秋。在那个年代,狄拉克的数学语言依然超前于时代。他的书还要等一二十年后才显露出真正价值,成为量子力学的经典教材。薛定谔的讲义简单明了,是理想的入门教程。而泡利的综述面面俱到、缜密周详,倒真的成了研习量子理论的“圣经”。

在他们各以自己的风格整合量子力学理论之际,另外一本名为《量子力学的数学基础》的教科书也在1932年横空出世。它的作者只有29岁,是一名数学家。


即使与量子力学的黄金一代相比,冯·诺依曼(John von Neumann)也是一个不折不扣的神童,甚至有过之而无不及。1903年,他出生于匈牙利首都布达佩斯的一个富足犹太家庭。父亲是当地显赫的银行家,由奥匈帝国的皇帝册封贵族而在姓氏上得以冠上“冯”字名号。

冯·诺伊曼号称在六岁时就能心算两个八位数的除法,八岁时自学掌握微积分。到19岁中学毕业时,他已经发表正式论文,首创集合论的“序数(ordinal number)”概念。

虽然他从小表现出非凡的数学能力,务实的父亲还是坚持他去学化工,以获取有价值的谋生技能。冯·诺伊曼很听话。在22岁大学毕业时,他有了一个化工专业文凭。但同时,他却也已经赢得数学的博士学位。

哥廷根的数学大师希尔伯特参加了他的博士论文答辩。据说希尔伯特在会上忍不住发问:谁是这位候选人的裁缝?与他的数学一样,冯·诺伊曼永远一丝不苟地衣冠楚楚,着装极为考究。

毕业后,他师从希尔伯特真正开始数学生涯。短短三年里,他以几乎每月一篇的速度连续发表了32篇有分量的数学论文,涵盖数学的各个分支领域,很快便暴得大名。这时他再度扩展自己的地盘,插手于最前沿的物理。

1932年的冯·诺伊曼。

那时他已经受聘为美国普林斯顿大学的教授。他这本出乎意料的《量子力学的数学基础》进一步推广了狄拉克和约旦为量子力学所归纳的数学形式,将整个理论统一为希尔伯特空间中的一个公理体系。按照纯数学逻辑,他从最简单的基本假设出发逐一推导出薛定谔、海森堡、狄拉克、约旦等人的全部结果。

对他来说,最棘手的基本假设是如何处理量子力学中的测量问题,也就是那让爱因斯坦处心积虑的波函数坍缩。

爱因斯坦最早在1927年的第五届索尔维会议上以“泡泡悖论”的形式正式提出这一质疑。无论是他自己的“鬼场”、德布罗意的导航波还是薛定谔的波函数,他们在处理波粒二象性时都会遭遇到同样的麻烦:原来在空间中广为弥漫的波必须在某个时刻、某个地点突然聚集——即坍缩——成为粒子。这个瞬时的过程没有数学、逻辑的描述。

玻尔不以为然。在他的哥本哈根诠释中,量子力学只适用于微观世界。测量却是微观世界与宏观世界“相遇”时表现,因为对微观世界的观测只能通过经典物理描述的宏观仪器——荧光屏、盖革计数器、气泡室等——进行。这种测量的结果给我们以波函数坍缩的错觉。其实,只有测量结果才是真实的。那之前既没有粒子也没有波,也就不存在坍缩的过程。

在索尔维会议上,爱因斯坦曾屡次指责玻尔在“作弊”。为了反驳爱因斯坦的挑战,玻尔不得不一而再再而三地将不确定原理应用于屏幕、光子箱的运动,违背了他自己设定这些宏观仪器不遵从量子规律的前提。玻尔无言以对:他始终无法给出一个区分微观世界和宏观世界的明确界限。

主张量子力学只适用于微观世界却无法同时界定这个适用的范围,这显然在逻辑上是不完备的。为摆脱这个明显的软肋,冯·诺伊曼提出量子力学是普适的。无论是微观还是宏观世界,它们都应该遵从同样的物理定律。

但他也指出,测量的过程必然地包括两个截然分开的部分:测量方和被测量方。作为描述客观世界的理论,量子力学只涉及被测量的对象而不涉及观测者。在测量尚未进行时,被测量的世界依照量子力学或薛定谔方程的描述,连续、确定、平稳地随时间演变,风平浪静波澜不惊。只是当测量发生时,因为来自观察者的干扰,被测量的系统会发生瞬时、不具备因果确定性的突然变化,也就是坍缩。

由此,测量作为一个分离且奇特的物理过程第一次正式出现在量子力学教科书中。尽管冯·诺伊曼背离了哥本哈根的正统思想,玻尔、玻恩、海森堡等人还是为他的另一个大发现喜出望外。冯·诺伊曼在书中宣布,他这个滴水不漏的数学体系可以严格证明量子力学在测量时所呈现的随机性是理论的内在必然,不可能出自某种尚未被发现的隐藏变量。

于是,无论是爱因斯坦的鬼场还是德布罗意的导航波,都被他彻底地宣判了死刑。

多年以后,冯·诺伊曼成为举世公认的数学大家,享有“冯·诺伊曼可以证明任何事情;冯·诺伊曼证明的任何事情都不会错”的盛誉。在1932年,他还没有那样地一言九鼎,却也足够让哥本哈根的人们欢欣鼓舞。无论在论文中还是讨论时,他们只要提一句“冯·诺伊曼已经证明……”,就可以轻松地了结有关隐变量的任何争执。


1929年春天,泡利和克莱默不约而同写信询问玻尔能否在大学复活节放假时回哥本哈根的“母校”访问。玻尔收信后灵机一动,干脆向曾在他的研究所工作过的20多个年轻人发出邀请,在复活节那个星期同时“返校”,来个热闹的重聚。

这个起意当然获得热烈响应,立即成为波尔研究所的一项年度活动。每年这个星期,玻尔的前弟子们纷纷从欧洲各地赶回哥本哈根朝圣,熙熙攘攘不亦乐乎。与索尔维那个论资排辈的女巫盛宴相反,这里没有资格等级。除了玻尔自己和喜欢凑热闹的埃伦菲斯特都只是一群二三十岁的青年。玻尔还特意要求已经担任教授的人带上一位学生来见世面。

他们更没有豪华的旅馆,只是就近寻找房间。教授和学生不分彼此地搭伙搭铺。这个聚会不安排学术报告,甚至没有日程。玻尔与几个同僚商量,随便抛出几个有意思的话题,便任由在场的人们随心所欲,天马行空。

年轻人更有着年轻人的玩法。在哥廷根发明原子核α衰变理论后,伽莫夫回国途中顺路拜访玻尔。在玻尔的热情挽留和资助下,伽莫夫在那里逗留了一年多,成为哥本哈根青年中的主力成员。天生好事的他在1931年的聚会上冒出鬼点子,组织所里年轻人编排节目在最后一天献演,以热情、幽默的方式欢庆自己的节日并表达对恩师的感激。

1932年是波尔研究所成立10周年,更是喜气洋洋。然而,伽莫夫回苏联后被政府没收护照,无法再躬逢其盛。节目的编排任务于是落到一个刚刚来到研究所的26岁小青年德尔布吕克(Max Delbruck;后来成为分子生物学创始人之一,赢得1969年诺贝尔生理医学奖)的肩头。那年也是德国诗人歌德逝世100周年。作为纪念,他改编了歌德的著名戏剧《浮士德(Faust)》,将其嬗变为量子世界的奇闻轶事为聚会献礼。

歌德剧中代表正义的上帝(Lord)自然是玻尔。他的对立面、魔鬼(Mephisto)正是那经常与玻尔顶撞,又自以为是目空一切言语刻薄的泡利。夹在二者之间患得患失的主角浮士德则成了现实生活中也是菩萨心肠、优柔寡断的埃伦菲斯特。这些角色都由年轻的学生扮演,每人脸上带着画有角色头像的面具,吟诵着既脱胎于原剧又符合物理学家性格经历的诗句。

原剧中的魔鬼曾讲过一个故事:有一个昏庸的国王,宠爱着自己豢养的跳蚤,让他身边的人叫苦不迭(即著名的《跳蚤之歌》)。在德尔布吕克的版本里,这个至高无上的国王便是爱因斯坦,他的跳蚤有个名字,叫“统一场论”。


在哥本哈根的《浮士德》中,爱因斯坦牵着跳蚤出场。(伽莫夫绘)

海森堡、狄拉克和其他一些熟悉的物理学家都在剧中占据一席之位。就连伽莫夫也在铁窗内露面,抱怨监狱高墙的势垒实在太高。

全剧最后,狄拉克的角色仿照原剧中的诗句警示:“啊!年岁就是发寒热,每个物理学家都深受其苦!当他过了30岁,跟死去已经没有区别!”(“Certainly! Old age is a cold fever / That every physicist suffer with! / When one is past thirty, / He is as good as dead!”)

海森堡的角色接话道,“那最好还是让他们都早点死去。”就连作为魔鬼的泡利这时也不再有话可说,悲伤地落下大幕。


在那量子力学理论蓬勃发展的20来年里,卢瑟福的卡文迪许实验室一直只是个旁观者,在玻尔离去后不再有显著的建树。也是在1932年,他们终于接连有了重大突破。那年2月,那里的查德维克(James Chadwick)宣布发现中子:原子核中不同于质子的新粒子。中子的发现根本地颠覆了物理学家对原子核的看法,开辟了核物理的新时代。(那年,也不到30岁的伽莫夫在英国出版了《原子核的组成和放射性》——第一本核物理教科书。出版商不得不专门再聘请一位物理学家纠正拼写和语法,因为他的书稿“偶尔会出现一句正确的话”。)

中子随即成为那年哥本哈根会议上反复争论的新话题。在他们的《浮士德》中,查德维克作为浮士德的助手瓦格纳(Wagner)出场。

哥本哈根的《浮士德》落幕仅三个星期后,卡文迪许实验室的考克饶夫(John Cockcroft)和沃尔顿(Ernest Walton)再传捷报。他们利用在伽莫夫帮助下设计制作的加速器将质子加速后轰击锂原子核,成功将其“击碎”,实现原子核的人工嬗变。

随后的那年8月,美国加州理工学院的研究生安德森(Carl Anderson)在他的同学、中国留学生赵忠尧(Chung-Yao Chao)先期实验的启发下,又发现了一种新的粒子。它与电子有着同样的质量,却带有正电荷。这个与电子既相同又相反的粒子是电子的“反粒子”,叫做“正电子(positron)”。

反粒子是狄拉克已经纠结了好几年的奇葩概念。他那个让理论家心旷神怡的狄拉克方程自出生就带有一个致命的缺陷,其中电子会有无穷多个负能量的态。这不仅没有实验证据,即使在逻辑上也无法自圆其说。为了摆脱困境,狄拉克提出那所有的负能级都已经有电子占据,所以不被察觉。只有当这个布满电子的“海洋”中出现空位时才会显现出其存在,那就是一个与电子相对的正电子。

狄拉克的“狡辩”实在过于天方夜谭,从来没有被同行们接受。在哥本哈根聚会的讨论中,就连宽厚的玻尔也失去耐心,诘问“告诉我们,狄拉克,你真的相信这些?”在其后的《浮士德》中,狄拉克的角色则被编排进行自我批评,承认自己理论荒谬,只配被付之一炬。

安德森的发现石破天惊,不仅再次打开一个物理的新天地,也大大地提升了狄拉克的声誉。那年,他在剑桥受聘久负盛名的卢卡斯数学教授席位。他依然不到30岁,只比牛顿1669年上任这个席位时大几个月。


在那个动荡的年月,原子核也不是唯一被强力分裂的实体。卡文迪许实验室中轰击原子核成功的三个月后,纳粹在1932年7月31日的大选中成为德国议会第一大党。1933年1月30日,希特勒获任德国首相。


(待续)

Wednesday, January 6, 2021

量子纠缠背后的故事(廿九):爱因斯坦的光子箱

当年轻的伽莫夫在1928年的夏天来到哥廷根时,他发现一个生机盎然的科学天堂。那里的导师玻恩却心情沉重。这个崇尚亨德尔音乐、曾经举办过“玻尔节”的大学城也是纳粹党的早期活跃基地之一。一些大学生正在偷偷地搜集整理教授中的犹太人名单,准备有朝一日实施清洗。玻恩是一个极力融入德国主流社会、对自己的犹太传统并不在意的知识分子,但他也不得不为前途忧虑。

45岁的玻恩正陷入严重的中年危机。他曾经与约旦一起完善海森堡的矩阵力学,为薛定谔的波函数提出几率解释,因而在量子力学创始人群体中占据重要位置。但他的贡献一直没有得到广泛赞誉,只是作为锦上添花而黯然失色。这几年,他眼睁睁地看着曾为麾下的泡利、海森堡、狄拉克、约旦都在学术上超越自己,真正引领着物理学的风骚。玻恩知道他已经落伍了。他曾以精通数学为傲,却竟然无法理解狄拉克和约旦所津津乐道的量子场论,甚至压根就提不起兴趣来。

玻恩当时还不知道,他的得意门生约旦那时还积极地在地下流传的小刊物匿名发文,为纳粹党的宣传攻势摇旗呐喊。玻恩更为焦虑的还是自己的家庭。他作风老派,却与妻子感情不合而长期分居。这时,他察觉到妻子已经有了外遇,小家庭随时可能分崩离析。

凡此种种,玻恩终于不堪压力精神崩溃。那年,他离开大学岗位,整整一年独自到野外远足、滑雪,在大自然中寻找自我。刚刚来到哥廷根担任助手的海特勒代替他承担了大部分教学职责。


还不到而立之年的狄拉克和海森堡却正春风得意。与爱因斯坦和薛定谔不同,他们还是快乐的单身汉。在第一次世界大战结束后异常繁荣、癫狂的“咆哮二十年代(Roaring Twenties)”即将落幕时,两人都在美国巡回讲授量子理论,尽情游览新大陆。这里的大学竞相开出丰厚的美元支票,足以让他们乐不思蜀。

当他俩在美国的中西部相遇时,海森堡提议干脆结伴横渡太平洋取道亚洲,完成一次环球旅行。也曾在哥本哈根镀金的一个日本老相识早就邀请他们访问日本,正好顺道。

1929年,狄拉克(左)和海森堡在美国芝加哥。

在完成各自的讲学任务后,他们在美国西部风景奇异的黄石公园会合,一起到旧金山搭乘日本邮轮,于1929年8月底抵达日本。在夜夜笙歌的邮轮上,海森堡尽显风流地活跃在舞会上。狄拉克总是独自坐在角落里观望。他很不理解海森堡为何热衷于跳舞。海森堡给他解释,与好女孩共舞会非常愉快。狄拉克沉思良久,仍然不解。问道:“可是海森堡,你在跟她跳舞之前,怎么可能知道她是不是好女孩?”

邮轮靠岸时,海森堡在甲板上愉快地接受了登船的日本记者采访。当记者抱怨找不到狄拉克时,海森堡也热情地表示他可以代替朋友回答一些问题。狄拉克当时正站在海森堡身旁,事不关己地欣赏着异国情调。

这是继爱因斯坦1922年来讲学后第二次有欧洲一流物理学家访问日本。爱因斯坦那次带来了相对论,狄拉克和海森堡则带来了量子力学。他们为日本物理学界打开眼界与国际接轨起了相当大的作用。

日本的行程结束后,他俩才分道扬镳。海森堡继续乘邮轮经印度回德国,狄拉克却渡海到他向往的苏联,乘坐西伯利亚铁路火车横跨欧亚大陆。

两个英气勃勃的物理学家都没意识到世界正处于一个大变动的前夜。


1929年10月25日,美国纽约证卷交易所的股市价格在早晨开门后急剧下滑,拉开了“大萧条”的序幕。大西洋彼岸的德国首当其冲。1920年代也曾是德国的黄金时代,有着一战之后经济和文化的稳定、蓬勃发展。然而,虽然战后的经济封锁已经解除,德国依然背负着战争赔款的沉重负担。表面上的繁荣基本上依靠来自美国源源不断的贷款。

当美国突然自顾不暇时,原已显露疲态的德国经济顿时一落千丈。大批工厂破产倒闭,失业人口在1930年激增至300多万。被暂时遏止的通货膨胀也再度冒头,重新回到战争刚结束时的凄惨和混乱。

在啤酒馆政变失败后曾备受打击、一蹶不振的纳粹党在1930年9月的国会选举中起死回生。它们原来在国会577个席位里只占有区区12席,这一次却骤然赢得107席,一跃成为仅次于社会民主党的第二大党。

玻恩只是最早感受到潜在威胁的极个别科学家。在1930年代来临之际,象牙塔中的物理学家仍然是受社会尊重的高级知识分子,保持着养尊处优的地位。几年前因为相对论被当作“犹太物理学”饱受攻击的爱因斯坦认为希特勒只是“存活在德国人饥饿的肚腹上。一旦经济条件复苏,他的重要性就会立即消失。”

那年10月,第六届索尔维会议照常在布鲁塞尔举行。

洛伦兹去世后,组织索尔维会议的重任落在郎之万的肩头。在以“光子与电子”为主题的第五届会议的三年后,量子力学的主战场已经从哲学性的争执转为实际的应用。郎之万将1930年的会议主题定为“磁性”。

磁铁和金属在磁场中的表现早就是物理学的常规问题。德鲁德和洛伦兹在世纪之初以微观的电子理论大体解释了这些宏观现象。但他们那时所能依据的只是经典物理,有着很多缺陷。海森堡、费米等人将量子力学的新规律——尤其是泡利不相容原理——应用于固体中的自由电子气,立刻就有了长足的进展。在海特勒、伦敦和伽莫夫分别向分子与原子核进军的同时,量子的先锋也已经进入日常生活所熟悉的固体领域。

与三年前的盛宴相比,1930年的会议不再那么引人注目。金属的磁性也很难与物理学的基本哲学相提并论。但爱因斯坦在这次会议上显然醉翁之意不在酒。还是在旅馆的餐桌上,他面对玻尔坐着,不紧不慢地又抛出一个假想试验。它与磁性毫不相干,却是三年前他们针锋相对的故伎重演。

设想有一个箱子,里面有着很多横冲直撞的光子。爱因斯坦慢条斯理地描绘着,你可以称量这个箱子的重量。箱子上还有一个非常小的窗口,可以在给定时间快速地打开然后关上。窗口打开的那一瞬间,可能会有一粒光子从中逃出。

玻尔聚精会神地听着。他觉得这个设计在原理上与上次那些单缝、双缝屏幕大同小异,没有新意。这时爱因斯坦缓缓地又补上一句:窗口关上之后,你可以再称一下箱子的重量。

话音未落,玻尔已经大惊失色。

三年前,爱因斯坦的一系列假想试验都被归结为对光子或电子位置、动量的同时测量。海森堡的不确定原理残酷地限制了这类测量的准确性,而爱因斯坦的种种尝试均未能突破这一禁锢。但不确定原理并不只是针对位置和动量的测量,还同样适用于其它类似的成对物理量,比如能量和时间。

玻尔发现爱因斯坦在这个新设计中用一个定时的机关打开箱子的窗口并迅速地关上。如果有光子从那里逃出,其通过窗口的时间便可以由这个定时机关测定。而在窗口打开的前后分别测量箱子的重量,又可以得知光子所带走的能量——因为相对论,能量与质量是等价的。这样,当光子逃出窗口的那一霎,我们既能确切知道它的能量也清楚当时的时间。

据会上一位目击者描述,那天晚上的玻尔犹如一只刚遭受一顿痛打的流浪狗,既灰头土脸又惶惶不可终日。如果爱因斯坦这个主意成立,量子力学的整个根基将被动摇,大厦岌岌可危。而这个简单明了的实验却让他一筹莫展,找不出其中的漏洞。海森堡、泡利、克莱默等也都是一脸茫然束手无策。

看着他们的狼狈,爱因斯坦面含微笑,一副胜券在握的悠然自得。

爱因斯坦(左)和玻尔在1930年索尔维会议期间。

一夜未眠之后,玻尔在下楼加入早餐行列时脸上又恢复了笑容。为了拆解这个新的智力游戏,他将爱因斯坦的泛泛描述像工程蓝图般仔细地描画出来,一丝不苟地琢磨了如何用弹簧和刻度称量箱子的重量,又如何用时钟定时控制窗口的开关。这时,他胸有成竹地向爱因斯坦解释:当光子离开窗口时,箱子重量发生的变化势必引起挂在弹簧秤上的箱子向上移动。这是称量箱子重量变化的原理。这个微小的运动却会使得箱子里的时钟在地球重力场中的位置发生变化。根据广义相对论,重力场的减小会导致时钟变快。这样,窗口机关开启的时间并不是当初设定的时刻。

玻尔描画的爱因斯坦光子箱模型。

这下轮到爱因斯坦惊讶地合不上嘴了。当然,玻尔并没有能力进行广义相对论的具体计算,那正是爱因斯坦的专长。尽管玻尔是在试图否证他的实验设计,爱因斯坦也立即施以援手,兴致勃勃地演算起光子逃逸时箱子移动所带来的时间变化。他果然发现,在这个前提下,对光子的能量和时间测量的准确性无法超越不确定原理的限制。

玻尔以子之矛攻子之盾,用爱因斯坦自己的广义相对论挫败了爱因斯坦对量子力学处心积虑的新挑战。这神来之笔不仅让他反败为胜,为哥本哈根诠释赢得历史性的胜利,也成为物理学界经久不息的美谈。


历史往往是由胜利者书写。爱因斯坦和玻尔在索尔维会议上的辩论也是一个实例。

他们在1927和1930年两次会议上的争论都发生在会下,大多是餐桌上的茶余饭后。所以辩论的内容没有出现在会议的纪要中。爱因斯坦会后除了在讲学中重复提到他的假想试验外没有留下过自己的文字版本。1949年,玻尔在爱因斯坦70岁生日纪念时详细地写下了那场思想交锋的回顾和分析。在那之后的量子力学史料往往都以玻尔的版本为主,辅之以海森堡等人的点滴回忆。他们显然也都偏向于玻尔。

于是,爱因斯坦在两届索尔维会议期间频繁挑战不确定原理,在玻尔睿智敏捷的回击下一败涂地的传奇与哥本哈根诠释的正统地位一样,成为量子力学历史的主旋律。

第六届索尔维会议大半年后,埃伦菲斯特到柏林拜访爱因斯坦。回家后,埃伦菲斯特立即在1931年7月9日给玻尔写信,详尽汇报了他们的交谈内容。他告诉玻尔,爱因斯坦其实早就接受了不确定原理,对位置、动量和能量、时间这些物理变量不可能同时精确测量不再存疑。

爱因斯坦也从来没有去设计一个“可以称重的”光子箱。他更不是去挑战能量与时间同时测量的精确度。那是玻尔自己的发明又一次将爱因斯坦引入了歧途。爱因斯坦的本意与前一次索尔维会议上提出单缝、双缝假想试验一样,在于量子力学中的局域性、系统之间的可分离性,以及这两个概念背后那至关重要的因果联系。

如果同时测量窗户开启的时间和箱子重量的变化,爱因斯坦承认这个测量的精确度的确会受到不确定原理限制。但根据玻尔的哥本哈根诠释,测量的选择会决定测量的结果。如果我们不去测量重量的改变,就能够准确地知道光子离开箱子的时间。反之,如果不去看控制开关的钟,也可以非常精确地知道光子所带走的能量。

问题是,这个测量并不一定要在窗户开启那一刹那进行,完全可以等个半年、一年之后。半年后,逃逸的那颗光子已经跑了相当远,与我们相隔着一个天文数字的距离:半“光年”或将近5万亿公里。再想象一下在那个距离我们半光年的地方置放一面镜子,就很有意思了。

如果在窗口开启的半年后我们选择仔细地看一下控制开关的时钟,那我们会非常准确地知道光子离开箱子的时刻。这样,我们也可以准确无误地预测那颗光子被镜子反射,在一年之后回到箱子的时间。只是我们不可能知道该光子的能量,或频率。

而如果我们没有去看那个时钟,却只是精确地测量了箱子重量的变化,那我们就能准确地知道那跑出去光子的频率,却对它会在什么时候回来完全没有概念。

我们在看箱子时所做的选择就这样会直接、瞬时地影响到那颗5万亿公里之外、几近无影无踪的光子所处的状态:它或者突然有了确定的频率,或者突然有了确定的所在地点,只因为爱因斯坦或玻尔随意地决定是好好地看一下时钟还是弹簧秤。

这是因为在量子力学里,本来浑然一体的波函数不会因为互相之间的距离变得遥远而脱钩。那颗光子即使跑到宇宙的另一头,也依然与箱子里的其它光子藕断丝连,无法“退群”。当某种测量在箱子所在地发生时,远在几万亿公里之外的波函数也同时发生了坍缩。

爱因斯坦早已发现这个不可分离性。还在1927年的第五届索尔维会议之前,他不得不撤回了自己即将付印的论文,放弃“鬼场”理论,就是因为他无法接受理论中出现的这一不可分离性。在他心目中,波函数这个性质呈现的是荒诞的超距作用,违反因果律。

即使在20来年后,当玻尔以非常详尽的笔调回溯他与爱因斯坦的争论时,他仍然以全部的笔墨描述爱因斯坦对不确定原理的挑战和失败。他没有提到过埃伦菲斯特那封信。也许他依然无法理解爱因斯坦背后的深意,也许他觉得这个变故不值一哂,也许他压根就没看到过那封信(埃伦菲斯特当时把信寄给玻尔的夫人玛格丽特,请她在玻尔不那么忙碌时再转交)。

深具施瓦本人之倔犟固执的爱因斯坦和木纳憨厚的玻尔都不谙辞令,绝非能言善辩之流。发生在他们之间的这场历史性对话也许只是一场鸡同鸭讲的美丽误会。(玻尔动用广义相对论的手法固然博彩,也获得了爱因斯坦的首肯,其实并不合逻辑。量子力学自身的内在矛盾不应该需要广义相对论来补救。)


索尔维会议结束后,爱因斯坦在年底远赴美国访问。那里加州理工学院的校长、曾经用实验证明了他光电效应预测的密立根盛情款待。爱因斯坦还参观了附近的威尔逊山天文台,拜访那里的天文学家哈勃(Edwin Hubble)。他引人注目地舍弃了自己的宇宙常数和宇宙模型,全盘接受了勒梅特、哈勃的膨胀宇宙概念。【详情参阅《宇宙膨胀背后的故事(十一):爱因斯坦错在哪里?》】

在广义相对论和宇宙学的讨论之外,爱因斯坦也没忘记量子力学依存的迷雾。在加州理工学院,他与物理学家托尔曼(Richard Tolman)和他的博士后波多尔斯基(Boris Podolsky)就光子箱的假想试验又进行了一番探讨,在美国的《物理评论》上合作发表一篇论文。这一次,他们在那个箱子上开了两个窗口,可以同时向相反的方向放出两颗光子。

尽管他无力唤醒沉睡中的玻尔和他的哥本哈根正统势力,爱因斯坦对量子力学本质的疑虑依然耿耿于怀,还没有放弃努力。


(待续)