量子物理的實驗和哲學基礎

我今天演講的題目很大，叫做《量子物理的實驗和哲學基礎》。乍聽起來這兩者似乎沒有什麼關係，不過我會向你們解釋我的意思的。在量子力學剛開始出現的時候，對這個理論的意義就有過相當激烈的哲學上的爭論。我想推薦大家去閱讀一個非常有趣的例子，因爲它很激動人心，那就是波爾和愛因斯坦的對話。愛因斯坦試圖保持關於這個世界的經典的觀點，但波爾卻說這是絕對不可能的。在他們的爭論中，一個被稱爲Gedanken實驗的問題佔有顯著的地位。Gedanken的意思是思想，就是說只是在頭腦中進行的實驗。因爲當時的技術還不夠發達，不可能在現實中進行這種實驗。在過去的三十年中，有一個有趣的進展，那就是這種實驗成爲可能。在單個量子系統，對單個粒子進行的基礎實驗，證明了過去量子力學所做的那些奇怪的預言都是正確的。我只說兩點有趣的情況，等一會我還要談及它們。單粒子干涉，由單個粒子而不是多個粒子所形成的干涉。還有貝爾定理。貝爾定理是關於世界本質的定理，非常深奧。我說過這類實驗室是在三十年前開始的，其中許多實驗室靠激光技術的發展纔有可能進行。進行這種實驗只是出於哲學上的考慮，是爲了想看一看量子力學有多麼奇怪。但僅僅十年的時間，由這個目的出發，結果卻使包括我在內的許多人大吃一驚，也就是說，我們自己也驚奇地發現，我們已經以這種方式爲新技術的發展奠定了基礎。這些新技術以諸如量子計算、量子通訊等名稱而嶄露頭角，其基本的概念是以量子的方法來處理並傳輸信息。最初在三十年前，人們有了使這類實驗成爲可能的條件，例如，實現了一個歷史上的Gedanken實驗，就是在波爾和愛因斯坦的爭論中出現的那個著名的Gedanken實驗，所謂的雙柵實驗。這裏是一條縫，這裏是第二條縫，後面是一個觀察屏。如果你從這裏發射光線，它就會從兩條縫中通過，在後面就形成了明暗相間的條紋。如果你知道光是一種波，那麼這種明暗條紋是很容易理解的。在暗的地方，通過兩條縫的光線相互抵消，在明的地方，光線相互增強。這種實驗是沒有任何問題的，但是當你用單個的粒子，也就是光的單個量子來進行這個實驗時，就會產生一些哲學上的問題。例如，粒子會通過這兩條縫的哪一條，或者當這個粒子通過某一條縫時，你怎麼知道另一條縫時開着的還是關着的。如此等等。我等一會再來說這個問題。事情往往是這樣，通過這個實驗，又產生了一些過去的討論中所沒有想到的新實驗的可能性，並以此爲基礎，產生了新信息技術的新觀念，我們現在所做的也是在探索量子力學的現實性範圍。正如你們中的一些人也許不懂得量子力學是怎麼一會事，據我所知這是個普遍現象。

量子物理學是德國物理學家麥克斯·普朗克於1900年在柏林提出的。他爲了解釋某些光學現象，不得不設想光是由量子所組成的，也就是單個的粒子，而且量子是不可分的。我想提一下，量子力學現在已經成爲許多現代高科技的基礎。例如激光，如果不靠量子物理學是無法理解激光的，這是激光系統，也不可能理解半導體，所以說計算機也來自於量子力學。如果沒有量子力學也不可能理解磁性，而且量子力學還可以解釋某些化學現象，所以這是一個普遍適用的非常精確的理論。美國的諾貝爾獎獲得者傑克·斯坦博格曾經估計，可能在當代的經濟中，三分之一的國民產值都以某種方式來自於一量子力學爲基礎的高科技。那麼問題在哪裏呢？理查德·費曼很好地表述了這個問題：“我認爲我可以肯定地說，現在沒有人理解量子力學”。理查德·費曼是有資格這麼說的，因爲他曾因發明了一個量子物理學的公式而獲得諾貝爾獎，所以他知道自己在說什麼。同樣地，還有一個人說：“這個理論非常精確，難以置信地精確，並具有難以置信的數學之美，但是荒謬之極”。而說這話的人也是一位著名的物理學家，他就是羅傑·彭羅斯。你們也許讀過他的書，對他有所瞭解。所以只有那些搞實驗的人才對量子力學的意義感到滿意。

我想說一下，第一個批評量子力學新理論的人是阿爾伯特·愛因斯坦。在1909年他就開始批評量子力學了，這是很早了。因爲在薛定鍔和海森堡提出新的量子理論之前，他就是少數幾個使用量子力學的人之一，他本身就置身於量子力學的研究之中。他在哥本哈根舉行的德國物理學大會上表示，他對量子力學所表現出的新的隨機性感覺很不舒服。我們所說的隨機性是指單個事件的隨機性，但是量子力學中的隨機性與經典物理學中或日常生活中的隨機性相比，具有新的性質。我們知道在量子力學中，隨即事件不但是沒有原因的，而且連隱藏在背後的原因也沒有，沒有那種雖然我們不知道，但大自然卻可能知道的原因。沒有！在量子力學中，偶然事件連哪怕是隱蔽的原因也沒有。這就是量子力學使愛因斯坦不舒服的原因之一。我想提一下，現在量子力學的情況時，對它有很多種解釋。應該說在談到量子力學時，有兩個不同層次的解釋。一個層次是形式上的解釋，即數學公式以及其如何與實驗結合，在這方面沒有什麼問題。但是如果要尋求深層的解釋，如果要問量子力學對理解這個世界有何意義，它有什麼意義嗎？這是人們可能要問的問題，那麼在物理界就有很多分歧了。所謂的哥本哈根解釋，有時也被稱爲正統的解釋，直接了當地說，對量子體系賦予性質時要特別小心，只有在極少數的情況下才可以這麼做。多個世界的解釋在對量子力學進行衡量時要表現出多個假設的世界，即使沒有其他毛病，這至少也是一種不經濟的解釋。還有其他一些解釋，我就不詳加討論了。以我之見，我認爲在深層次上至今還沒有什麼理解。

讓我們再回到實驗上，我們再來討論一下雙柵干涉實驗。我在前面說過，如果我們從左面這裏發射光線，通過這兩條縫，就形成了這種干涉條紋，由於波的干涉而形成明暗交替。問題是，我們通過普朗克知道了光是由粒子組成的，那麼就似乎應該問這麼一個問題，一個單個的粒子會穿過那條縫，然後會出現什麼情況？因爲最後的圖形畢竟是由許多單個的.粒子組成的。愛因斯坦試圖證明，可以知道粒子是從那條縫中通過的，而且如果收集許多的粒子，就會形成這種圖形。但是波爾已經證明他錯了。這是給實驗者提出的問題，實驗者對這種實驗做何反應呢？我要說明一點，這種實驗目前已經用多種放射性物質做過了，許多種粒子，而不僅僅是光線。

我們三年前做了另一個實驗，直到，今天是星期幾？今天是星期三，直到五天前才完成，這是個世界紀錄。我們得到了一些更好的結果。這是用碳60和碳70分子做的，這是在1985年發現的著名的富勒烯。我們實驗的主要目的是顯示生物分子的量子干涉。我們要做的是顯示很大的分子在這種雙柵實驗中所形成的量子干涉，使分子儘可能地像生物分子那麼大，爲什麼？理由很簡單。如果你與生物學家交談，就會知道目前生物學的觀念是量子物理只是在化學中起一點作用，我們或多或少地還是經典的機械。當我們解釋，比如大腦機能時，使用經典物理的方式。這雖然似乎是很合理的觀點，但是卻一點沒得到證實，而且我們身體的一些機能也說明這種觀點是錯誤的。爲了證明這是錯誤的，就需要與生物學家合作，而且要學會使用同一種語言。因爲語言差別很大，進行這種討論的方法之一，是證明量子現象在正常狀態下的生物分子中確實存在，而不是在人造的環境中。我們得到的第一個結果，是普啉產生的。它是一種相當複雜的分子，有四個耳狀結構的扁平的分子，其原子數是六百，所以很重。它是血紅蛋白的重要組成分子，是許多重要生物物質中的核心分子。我們用這種分子同樣能形成干涉圖形，與碳的性質一樣。我想說一下，這是在三百攝氏度的溫度下形成的，所以說溫度很高，不是太低。我們用的下一種物質是胰島素，大家知道它對調節人體內糖的轉運非常重要。另外，它的原子數是六千，比富勒烯大十倍。下一個是小的納米晶體，可以製成不同的大小，所以我們很容易控制它的質量。另一種很有意思的東西是這種被稱爲GFP綠色熒光蛋白的蛋白質，原子數是兩萬七千，能發出很純淨漂亮的光，所以用起來很有意思。我們還想要用這種東西形成量子干涉，就是用活的細胞，它很大很重，目前對此還沒有什麼辦法，但是我們還是想試一試。基於我們目前的實驗，我們有可能用至少有一千萬原子數的物質形成量子干涉，這相當於小的病毒的質量。最大的問題是實驗操作上的問題，如何使病毒或分子形成一條直線，並且一個一個地檢測它們等等諸如此類的問題。有很多問題以前從沒有人涉及，所以我們必須要自己想辦法，但我們對此很樂觀。我們從中所瞭解到的是，量子現象的有效性並不是嚴格地侷限於微觀世界，不是侷限於很小的東西。大於小的區別並不是量子與經典的區別，這完全是兩碼事。紐約著名漫畫加查爾斯·亞當斯曾畫了一張關於雙柵實驗的漫畫，我們知道關鍵問題在這裏，他從樹的兩邊過去了，可就是不知道是怎麼過去的。他到底是怎麼過去的？他玩了些什麼花招？這張畫是大約五十年前在紐約發表的。

現在的觀點是，信息對於解釋量子物理學起着至關重要的作用。如果對於粒子的路徑選擇有任何信息，那麼就不會有干涉。人們能否知道這個信息並不重要，關鍵是到底有沒有這種信息的存在？另一方面，如果沒有任何信息，無論你花多少錢也得不到這種信息，那麼就會看到干涉。這個理論很有意思，因爲干涉圖形，那些條紋就包含着信息。所以你可以選擇；或者知道粒子選擇哪條途徑；或者在干涉圖形中獲得信息。這說明信息在其中起着非常重要的作用。我在演講的最後還要再談這個問題。

在我們的討論中，另一個很重要的概念是糾纏態。對於不是學物理的人來說，有關這個物理學公式就不多作解釋了。這個問題是1935年由愛因斯坦、卜朵爾斯基和羅森提出的。它與至少兩個以上的，以一種非常有趣、非常密切的方式聯繫在一起的粒子有關。

現代量子力學的創始人之一薛定鍔，發展了一種量子力學理論。薛定鍔在1935年稱量子糾纏態爲量子力學的本質，量子力學最主要的特徵。他的意思是說，如果有兩個系統，簡單起見，這裏用兩個骰子表示兩個系統。當你去測量時，每一個骰子都會給出一個完全隨機的結果。然而，一旦你去測量一個骰子，對另一個的測量結果就被確定了。更嚴格地說，一旦你去測量一個粒子，另一個粒子的量子態立即就被確定了。但是在測量之前卻是完全不確定的。對於像光子之類的粒子來說，我等一會還要談這個問題，這與光的粒子，光子有關，這意味這極性是完全相關的，無論是水平的還是垂直的。愛因斯坦稱糾纏態爲幽靈式的超距作用。兩個系統，對一個系統的測量，就能確定另一個的狀態，無論它們相距多遠。

愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在二十世紀六十年代，對這種情況進行了研究。他試圖通過一個簡單明瞭的假設來分析這個問題。如果兩個系統之間有這種完全相關，那麼自然地這也是愛因斯坦提出的觀點，那麼自然地就可以推斷，這個粒子帶有一種性質，這種性質可以確定測量的結果。這種隱藏的變量性質超出了量子力學的範圍。就如在色子的例子中，骰子以某種方式可以知道它要給出的點數，而我們也就可以做出自然的解釋。貝爾定理說明，這種解釋是不可能的，所以粒子之間的完成相關就不可能有解釋。這種完全相關是基於粒子本身所具有的性質的。所以現在對於粒子的非定域性又一種說法，量子非定域性是用來描述這種情況的，也就是說一個粒子對於另一個粒子的依賴是非定域性的，這種相關是即時發生的，不是以光速發生，不是以任何速度發生，兩個系統之間相關性的產生不需要任何時間間隔。有的情況很有意思，當你考慮兩個以上的例子時，情況就特別有趣。例如三個粒子，被稱爲三個量子位，可以形成一個糾纏態，就會產生這種情形。在這種情況下，就出現了一種被稱爲局域現實的概念，就是說系統的性質是在局域確定的。

現在我來談談關於應用的問題，量子理論不僅僅是學術研究，它不僅僅是我們理解世界的一種有趣方式，它也對信息處理提供了許多有趣的新概念。一個就是量子計算機。世界各地都有許多研製量子計算機計劃，我知道中國也有。我不想詳細地談有關的具體的硬件，也就是說，它到底是什麼樣的？因爲今天還沒有人知道，完全處於想象階段。人們在嘗試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一箇中央處理器，我借用一個著名的電腦芯片公司的名字，稱之爲“昆騰”。基本的概念是我們可以用量子疊加的方式來處理信息。例如，如果要計算開平方，我們可以把數字4和9，以量子疊加態的方式同時輸入“昆騰”，那麼量子計算機，或用物理術語來說，一種大量的糾纏狀態，量子計算機就會計算出結果。不是一個一個地計算，算完一個再算另一個，而是以疊加態來計算，就如這個最簡單的例子，我們就可以得到以量子疊加態的形式輸出的結果，2和3。現在人們對於量子計算有各種各樣的說法。我個人覺得，大家知道計算機方面有一種趨勢，就是計算機變得越來越小，其元件如晶體管等等處理信息所用的電子越來越少，如果照目前的情況發展下去，就會達到量子水平。無論在哪裏，這也可能需要二十年的時間。所以說有趣的是，一方面可以從上面開始，越來越小，一步一步發展到子水平，另一方面，量子力學可以從下向上發展，製造出量子計算機。這種情況很不尋常，使我們對未來非常樂觀。但是還需要時間，我個人的估計是，至少需要二十年纔有可能製造出量子計算機，不過在座的每個人都可能一舉成名。如果你有發明量子計算機的好的想法，而且如果你的想法行之有效，你會馬上世界聞名。好想法確實是非常幸運，非常重要的。