讀古今文學網 > 時間的形狀 > 宇宙大法官 >

宇宙大法官

這個事情確實很煩,量子在空中怎麼翻滾是不可能觀測到的,即便我們看到了結果,也猜不出開始,很多實驗物理學家都非常苦惱,他們絞盡腦汁想要找到解決方案,但是苦苦尋覓了幾十年,都沒有找到辦法。直到出現了一個英國數學奇才,他的名字叫貝爾(注意不是發明電話的那個貝爾),他發現了一個數學「不等式」,這個不等式被科學界稱為「貝爾不等式」,被譽為「科學中最深刻的發現」。這個驚天地泣鬼神的貝爾不等式有一個巨大的魔力,可以對我們這個宇宙的本質做出終極裁決,它可以使得EPR實驗從思維走向實驗室。只是很遺憾的是,貝爾不等式發現的時候,愛因斯坦和玻爾都過世了,他們只能在天國注視著人間發生的一切,他們過去耗費了無數個不眠之夜來研究分析但一直懸而未決的世紀大爭論,很快就要有一個終極判決了。愛因斯坦和玻爾在天國想必也都肅然起立,等待著那個莊嚴的時刻。讓我們先來看一眼這個神奇的貝爾不等式:

有心的讀者估計要跟我抱怨了:你前面承諾過再也不出現一個數學公式的,怎麼又搞出這種讓人看了頭大的東西來了。

哦,哦,哦,親愛的讀者們,為了這個科學中最深刻的發現,請原諒我一次吧,這個貝爾不等式太至關重要了,它是審判我們這個宇宙本質的大法官,怎麼著也得讓我們一起認識一下吧,下面我給你解釋一下這個不等式的含義。

絕對值符號||不用我解釋了吧?初中就學過了。小於等於符號≤也不用我解釋了。

下標x、y、z代表著在空間中朝著x、y、z三個方向去測量的意思,也就是說我們拿到一個小球,可以從正面看過去,也可以從側面看過去,也可以從上面往下看,總之取三個固定的方向看過去,記作x、y、z。

然後就是要解釋一下這個P是什麼意思了,這個P叫作「相關率」,一個讓你費解的名詞,沒關係,我解釋一下,很好理解。看過金·凱利演的電影《楚門的世界》(The Trueman Show)嗎?裡面有一個讓人難忘的經典鏡頭。楚門坐在車裡看著車窗外的世界,然後嘴裡唸唸有詞,朋友過來問他:你在看什麼呢?楚門說注意,很快就會有一個抱著花的女人經過我的面前,然後一分鐘後,必定會有一輛黃色的「甲殼蟲」小汽車開過,我今天已經觀察一天了,絕對是這樣的,不信我們等著。結果果然如楚門預言的那樣,把他朋友嚇壞了。在這個鏡頭裡,女人的出現和汽車的出現,這兩件事情的相關率就是1,也就是只要女人出現,必定就會有一輛汽車出現,這事板上釘釘,絕不會錯。相關率就是A事件出現和B事件出現之間的相關聯程度。如果是0,表示兩者完全沒關聯;50%,則表示若A事件出現10次,則有5次會出現B事件。那麼這個Pxy代表什麼意思呢?就是說我們從x這個方向去測量量子的自旋狀態和從z這個方向去測量量子的自旋狀態,得到的結果的相關率。這裡面請注意一點,量子的自旋並不是真正的「左」和「右」的概念,量子本身也不是一個小球,它的自旋其實是「正」和「負」這樣的概念,當然其實也不是嚴格意義上的正、負,總之說起來太複雜,其實我也不是太懂,我們沒必要去搞得那麼清楚,總之只要知道是兩種相對的狀態即可。比如說,飛過來10個量子,我從x方向測量過去和y方向測量過去有8次都是同為正,那麼我就認為Pxy=0.8。我們可以認為同為正是相關,也可以認為一邊正一邊負為相關,這個都無所謂,只要所有的標準都一致就可以。

瞭解了P的概念後,我們就很容易理解貝爾不等式了。它的意思就是如果飛過來一個量子,我們從x、y、z三個方向去測量這個量子的狀態,最後計算各個方向的相關率。不管我們測量多少個量子,最終的結果必然要符合以上的貝爾不等式。

這裡我要特別特別說明的是,貝爾不等式是用嚴格的數學手段推導出來的,數學是凌駕於物理學之上的規律。這個貝爾不等式在EPR實驗中的含義是說:如果兩個量子是在分開的那一瞬間就已經決定了自旋方向的話,那麼我們後面的測量結果必須符合貝爾不等式。也就是說,假如上帝是愛因斯坦所想像的那個不擲骰子的慈祥老頭子,那麼貝爾不等式就是他給這個宇宙定下的神聖戒律,兩個分離後的量子絕不敢違反這個戒律。其實這根本不是敢不敢的問題,而是這兩個量子在邏輯上根本不具備這樣的可能性。如果我們測量的結果不符合貝爾不等式,那麼只能說明兩種可能:(1)真有超光速的信號存在,兩個量子之間瞬間可以互相知道對方的狀態;(2)量子的自旋狀態不是一個客觀實在,在我們觀測之前不存在確定的狀態,只有我們觀測之後狀態才確定。

上帝的最終命運,取決於EPR實驗中量子的各個方向上自旋狀態的測量結果。如果貝爾不等式是成立的,那麼愛因斯坦就會長吁一口氣,這個宇宙終於回到了溫暖的、經典的軌道上。但如果貝爾不等式不成立了,則上帝就摘下了慈祥的面具,變身為靠概率來玩弄宇宙的賭徒。用科學的語言來講的話,那就是要麼放棄「定域性」要麼放棄「實在性」,這兩個不可能兼得。到底要放棄哪個,你自己選擇,但你必須放棄一個。

這裡特別有意思的是,貝爾是愛因斯坦的忠實擁護者,當他發現了貝爾不等式後,興奮不已,躊躇滿志,他信心滿滿地認為:只要安排一個EPR實驗來驗證我的貝爾不等式,物理學就可以恢復光榮,恢復到那個值得我們驕傲和炫耀的物理學,而不是玻爾宣揚的那個玩弄骰子的上帝了。物理學已經被玻爾們的量子理論搞得混亂不堪、烏七八糟,整個天下都亂了,冒出來各種形形色色的搞不清是物理學家,還是哲學家,還是神秘主義者的人,什麼超光速、量子心靈感應、多個歷史、多個宇宙、結果決定原因……我已經厭倦了這些瘋狂的想法,是到了該做個了斷的時候了。

真的,也許就差那麼一小步,真的只有一小步,我們就可以回到溫暖經典的宇宙的懷抱了,我們多麼渴望上帝是一個慈祥的老頭子啊。但是,當年麥克爾遜為了證明以太存在的悲劇,又在貝爾身上上演了。