解谜新自旋：探析量子力学之谜

21.迷惑不解的新自旋

戴维·玻姆，美国理论物理学家，以怀疑哥本哈根解释的量子物理崭露头角。为了减轻怀疑，他研究玻尔和其他人的思想并且写了一本有关这个主题的很好的教科书，尽可能正确地介绍哥本哈根的观点。然而，他甚至不完全信服自己的论证以及在1951年他与爱因斯坦关于该书的讨论——玻姆发现自己的具有新外表的怀疑。在所有这些努力之后，为了调和哥本哈根哲学，玻姆花费了他的大部分休息时间，以图弥补他与爱因斯坦所认为的标准量子力学的不足。

在写书期间，玻姆提出了一个EPR“悖论”的翻版，更清楚地说明其核心困境。对于基本的粒子对，现在我们设想一对电子，向不同的方向运动，你知道它的总自旋是零。像EPR原始陈述一样，它就是物理学家们一直认为的所谓“思想实验”——原则上可以做而实际上恐怕很困难。想象如何获得这样的两个电子是可能的：有一种亚原子粒子叫π介子，它能偶尔地衰变成两个电子。π介子有零自旋并且量子的和古典的物理学定律要求自旋守恒，那么两个一起出现的电子必定也有零自旋。

现在，你在这两个电子源的某个距离处设置一个探测器，但这时探测器将不测量位置和动量。用斯特恩—革拉赫磁铁作为一个替代物，它将测量通过它的电子的自旋。这里走到“悖论”的部分：决定斯特恩—革拉赫磁铁如何取向——垂直、水平，或在两者之间，是你的责任。必须选择斯特恩—革拉赫磁铁相对电子自旋轴向，以便如果它的取向是垂直的，那么被测量的电子必定有它的或上或下的自旋，例如，如果你测得第一个电子是“上”，那么你必定立即断言那时候远离的第二个电子是“下”，虽然你也知道，根据斯特恩—革拉赫装置工作方式判断，两个电子自旋在被测量之前都被假定为不定的。对第一个电子的自旋测量，似乎实际上已经“没有任何实际物理干扰地测量”了远隔的第二个电子的自旋。这第二个电子被迫从一个完全的不定的未测态变为一个确定的“下”态，即便不被直接测量。（见图6）

这就像我们最初的两个魔幻手套的情形：你发现一只右手的，并推断第二个已被迫变成左手的。

但是电子的比手套的多。原始的EPR的表述中，实验可以选择近处的粒子位置或动量，以决定在另一处的粒子的响应的性质。因为EPR“物理实在要素”的哲学预设，能够进行的两个不同的测量暗示，在测量之前，这两个电子的位置和动量不知什么缘故都是真实的，没有什么不确定。

在新的电子自旋翻版中，代替位置和动量我们能够测量的也是由不确定性原理联系着的两个自旋——垂直方向上的自旋（上或下）和水平方向上的自旋（左或右），你能测量这些量中的这个或那个，但不是两个。（见图6）(www.xing528.com)

图6　在爱因斯坦—玻多耳斯基—罗森实验中，已知总自旋为零的电子对似乎在测量被进行之前两个自旋是不确定的，而一旦第一个电子的自旋被测量，那第二个电子虽然本身不被测量却变成确定的。

这加强了从玻尔论证得来的观点，对一个电子的测量，即刻以某种物理上有意义的方式，决定另一个电子的自旋。如果电子事先不知道它的自旋将在哪个方面被测量——或上或下，或左或右——那么它们似乎必定保持它们的完全的量子不确定性直到测量的瞬间，并且一旦两个电子的任何一个的自旋被测量，然后必有两个电子的一个瞬时的“波函数坍缩”。

另一方面，理解如何从爱因斯坦的观点解释这个实验和他关于物理实在要求的信念是相当困难的。一个电子的自旋测量没有干扰地固定另一个电子的自旋这一事实，将迫使爱因斯坦的追随者断言电子自旋必定精确地构成一个要素。换句话说，它必定是电子的一个内在的客观属性。

但这似乎不可能与使用斯特恩—革拉赫磁铁的长期经验所支持的思想相一致，即自旋在被测量之前“必定”是不确定的。必定相对于某个轴或方向而确定的自旋，在电子飞出的开头你还不曾知道最终其自旋将在哪一个方向被测量，怎么可能是物理实在的一个要素呢？

技术上，是按照位置和动量还是按照自旋表述EPR论证，并不造成真正的差别。但对于大多数人来说，因为不确定性原理对于自旋的绝对性，自旋表述有比较绝对的影响。位置和动量被不确定性原理损害，在这里你对这个知道得越多，对另一个能知道得就越少；虽然如此，至少你总是能以某种准确度测定位置和动量。对于自旋，不管怎样，不确定性原理是直率的：一旦自旋在一个方向被测量，与其成直角方向上的自旋则变成完全有意义的。EPR论证质问的两端论成为不可避免的。