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命运之神在何方:探索量子力学

时间:2024-06-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:如果这个提问者问我,我想他会这样问,月亮影像位置的适当范围能表示月亮果真就在那个地方吗?我相信我的理论上的月亮,并且其他的人也同样相信,所以如果有人问我:“当没有人看它的时候月亮果真存在吗?”这就是量子力学所提出的见识,尤其是它的哥本哈根解释,以致使物理学家们不再相信存在一个独立的、客观的实在。

命运之神在何方:探索量子力学

19.月亮果真不存在吗?

一个物理量在它被测量之前不呈现任何实际的实在,这样一种思想极大地触犯了爱因斯坦关于物理学应当如何的观念,并导致一度有点悲哀地问物理学家阿布拉罕·派斯,他是否“真的相信月亮只有当你看它的时候才存在”。

这不是一个容易回答的问题,我心中有一个理论上的月亮。这个理论上的月亮,一个纯粹的智力构造,有某种假定的或提议的物理属性:它大概是一块球状的石头,沿着确定的轨道围绕地球转,它的表面具有某种反射性等等。任何时候如果有人问我月亮在天空中什么地方,以及它呈现什么样的盈亏,我就利用这理论上的月亮,根据日期、太阳的位置及观察者的所在纬度和经度等等进行必要的计算,然后我告诉提问者:“如果你举头用眼睛看天空的这个位置,你将发现这个月亮的像,并且它具有新月的形状,如果你希望知道它的细节,我也能确切地描述。”

于是我的提问者往上看。并且在这真实的天空中找到了一个真实的月亮,恰在我说它应该在的那个地方,正好具有我所预言的那种形状。

过一段时间,即使许多人用这个方法检验我关于月亮的知识,他们将发现我是不会错的。

我的理论上的月亮,沿着它的理论上的轨迹,总是使我知道任何什么人想要在天空中找到这真实的月亮的地方。

当然,即使它碰巧被乌云遮蔽,也可以认为月亮的像应当会在某某地方,要是没有云的话,不过由于在此期间天空很不清楚,我不能证明这月亮真的在这里,并且我的提问者也不能证明它不在这里。

或者更机灵的提问者可能告诉我他不打算直接看月亮,而希望观察月亮投在附近水底上的影像(在明月的夜晚,它是很清晰的)。那么我可以像以前一样可靠地预言,它的影像落在某个范围。如果这个提问者问我,我想他会这样问,月亮影像位置的适当范围能表示月亮果真就在那个地方吗?我只能这样回答,作为一个纯理论家,关于月亮是不是果真在那个地方我没有什么可说,并且即使月亮在那个地方,如果你,我的提问者,不亲自?望天空,那么这个问题就是未决的。

让我们来一个彻底的怀疑。如果有人问我是否相信,甚至在没有人看它的时候月亮还在那个地方,我不得不说这个问题没有意义。如果你想证实月亮在那个地方,那么你继续看——然而你不是在回答这个问题。另一方面,如果你想不进行任何能对这个问题直接提供答案的观察就可得到有关月亮实在性的某些证据,那么我的回答是,我是一个物理学家而不是一个牧师,对无法回答的问题没有兴趣。(www.xing528.com)

实际上,我不是真的这样严厉。多年来我一直确信我的理论上的月亮,它一直萦绕在我的头脑中;它的属性是不变的、可信的和可预言的,并且我可以在任何时候绝对自信地用它预言一个类月亮的影像将出现在天空中的哪个地方。我相信我的理论上的月亮,并且其他的人也同样相信,所以如果有人问我:“当没有人看它的时候月亮果真存在吗?”我热心地回答:“是的,为什么不在,它也可以在。”

但当我转向我的理论上的电子——智力的构造,拥有明确的性质和特征,它也萦绕在我的头脑中——情况就不那么好了。的确,如果有人问我在一个真实的实验中实际的电子的行为,我能够转向我的理论上的电子并用它去预言。但是我所能够提出的最好的预言只是可能性。如果有人问:“电子自旋是朝上还是朝下?”我必须说二者机会各半;并且如果有其他什么人问:“它将是朝左还是朝右?”我也不得不说它们也是机会各半。

如果有人问:“当电子自旋没有被测量时它指向一个特殊的方向吗?”我必须说,不,绝对不。

月亮和电子之间的区别是什么?当没有人看月亮的时候我不能完全确定月亮在哪个地方,但我能确定(因为许多年的实用)我的理论上的月亮总是照样不变的和可靠的,具有无论谁所能问及之问题的同样的性质。所以我能够确信有一个绝对可靠的和可信的理论上的月亮。

但我的理论上的电子远不是如此独立的东西。如果有人问我这电子自旋是朝上还是朝下,我倒是真地要问我的提问者:“你打算测量它是朝上或朝下呢?还是无准备地询问?它完全决定于……”

这就是量子力学所提出的见识,尤其是它的哥本哈根解释,以致使物理学家们不再相信存在一个独立的、客观的实在。在科学中我总是处理实验,获取数据,再由数据作出推论。在古典物理学中你可推断,例如,通过几夜的观察推断月亮的轨道,并且这个推断的轨道将正确地给出在任何其他夜晚月亮的位置。

但在量子力学中,这是做不到的。一个未被测量的电子,它的自旋完全是不确定的;如果你用某个特殊取向的斯特恩—革拉赫磁铁测量它的自旋,你将得到一个特定的结果;那么你能很有把握地说,这电子的自旋态当时确定地处于它被找到的那个方向,并且你能用那个作为基准的数据预言(以适当的概率)在不同方向上的其他自旋测量结果。如此等等。但在每一次测量中自旋都被重排,不严格地讲,得到一个新值并且丧失它以前的值的全部记忆。这常被说成,如果我在星期一、星期二、星期三夜晚观察月亮的位置,那么我就可以从星期一的观察预言星期二的位置,从星期二的观察预言星期三的位置,但不能从星期一的观察预言星期三的位置,因为插入星期二的观察会“重组”月亮的位置并使较早的观察成为无关的。

古典物理学的一种信条就是,所有的观点,总体说来,关涉一个单一的、一致的实在。量子力学不承认这种确定性:单个客体或系统的一系列测量,通常并不给出这样一组结果,它能一致地归因于一个继续是“实在”的那种东西的基本模式。在爱因斯坦看来,并且多年来其他人也这么看,如果你从科学中抹去所有观察者都能认同的那非常基础的实在观念,那么你正在抹去科学本身的基础之一。这就是为什么爱因斯坦如此努力地去证明量子力学充其量不过是一个不完备的现世理论。

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