爱因斯坦看好的隐变量理论正面临挑战

爱因斯坦看好的隐变量理论：挑战正统“哥本哈根解释”，道阻且长

    “哥本哈根解释”被大多数人所接受，并被视为量子力学的正统解释。不过并非人人都赞同“哥本哈根解释”，也有人提出了一些别的理论来挑战“哥本哈根解释”，隐变量理论就是其中之一。尽管这些理论受到的非议很多，但是怀疑是科学进步的动力，了解一些不同的声音也可以开阔思路，所以本章先介绍一下隐变量理论，其他几种理论在下一章再做简单介绍。

12.1 德布罗意的导波理论

    玻尔和他的支持者指出，因为量子现象显然和日常经验相矛盾，所以如果不放弃因果关系就无法理解。对玻尔来说，从“可能”到“现实”的转换发生在观察行为期间，独立于观察者的基本的量子实在不存在。而爱因斯坦则不同意这种主张。他认为，量子力学作为一个统计理论来说也许是正确的，可是作为一个单独的基本过程来说，却是不完整的。对于爱因斯坦来说，相信一个独立于观察者的客观实在的存在是探讨科学的最基本前提。

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    信奉物理实在论者并非爱因斯坦一人。为了驳斥概率论，物理实在论者提出了一套隐变量理论，试图用确定性的物理实在论来解释双缝干涉实验中的波粒二象性的实验现象。他们认为，光子在穿过双缝屏之前一定存在着某些来自屏幕后方的隐藏的变量，将后面是否有接收屏的信息传递给光子，并控制光子以相应的方式穿过双缝。这就是所谓的“隐坚持决定论的隐变量理论变量理论”。

    隐变量理论是反对哥本哈根解释的，它的基础是决定论（也可叫因果论），它相信量子力学理论是不完整的，并且有一个深层的现实世界包含有关量子世界的其他信息。这种额外的信息是一种隐藏的变量，是看不见的，但是真正的物理量。确定这些隐藏变量就能得出对测量结果的准确预测，而不仅仅是得到概率。

德布罗意就持这种观点。1927 年10 月，在第五次索尔维会议上，德布罗意宣读了论文《量子的新动力学》，提出一个替代波函数概率解释的方法，这个方法德布罗意后来称它为“导波理论”。在导波理论中，德布罗意认为，粒子和波的特性是同时存在着的，粒子就像冲浪运动员一样，乘波而来。在波的导航下，粒子从一个位置到另一个位置，它是有路径的。

德布罗意。图片来自网络

    可是在会上，德布罗意的导波理论遭到了泡利的猛烈抨击，让他无法招架。当德布罗意把求援的目光转向爱因斯坦并希望从这个唯一可能保持中立的人那里得到支持时，爱因斯坦保持了缄默，他可能觉得这个理论还有点粗糙，所以没有发言，这让德布罗意非常失望。几天后会议结束，爱因斯坦要回家了，也许是出于歉意，他拍着德布罗意的肩膀说：“要坚持，你的路子是对的。”爱因斯坦的鼓励并没有起到作用，德布罗意因为没有得到众人的支持而感到心灰意冷，没有再继续发展他的理论。

    德布罗意的导波理论实际上就是一种隐变量理论。隐变量并非制导波本身——那已经在波函数的性质和行为中充分揭示了，隐藏的实际上是粒子的位置。但是导波理论还存在许多明显漏洞，无法使人信服，所以爱因斯坦即使想支持也没法开口，只好保持沉默。

12.2 玻姆的量子势理论

    隐变量理论处在主流之外，所以支持者不多。美国普林斯顿大学的物理学家大卫·玻姆（David Bohm）在爱因斯坦的鼓励下，于1952 年发表了两篇论文重新讨论了隐变量问题。玻姆的隐变量理论与德布罗意的导波概念多有共同之处，被看成是导波理论的逻辑发展结果。因此，玻姆的新发展常被称为德布罗意– 玻姆理论。

大卫·波姆。图片来自网络

    在玻姆的理论中，波函数被重新解释为表达一种客观实在的场。玻姆假设存在一种实在的粒子，其运动嵌在场中，沿着实在的空间轨道，并且依照强加的“制导条件”，“受制”于相位函数。于是，每一个场中的每一个粒子具有精确定义的位置和动量，沿着相应相位函数决定的轨道运动。这样得到的运动方程不仅依赖于经典势能，还依赖于由波函数决定的另一种势能，玻姆称之为量子势。

    按量子势理论，原则上我们能追踪每一个粒子的轨迹。但是由于我们无法确定每个粒子的初始条件，所以才只能计算概率。概率仍然联系着波函数的振幅，但这并不意味着波函数只有统计意义。相反，波函数被假设具有很强的物理意义——它决定了量子势的形状。

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    量子势理论虽然认为粒子的位置和动量原理上是可以精确确定的，但也承认测量仪器或测量过程对波函数有重要影响，因而会直接影响量子势，从而影响粒子路径。所以测量仪器仍然是关键，量子粒子通过装置的轨道取决于实验设置。在测量仪器对测量结果有决定性影响这一点上，玻姆理论与玻尔的主张实际并不冲突。

    1979 年，C．Philippidis 等人对一组特定的实验参数计算了电子双缝实验的量子势图像，结果示于图12-1。

图12-1(a) 所示为从屏幕往回看双缝时的量子势，图12-1(b) 所示为从双缝前看屏幕时的图像。量子势在双缝附近区域呈现为一系列复杂的振动峰结构；在离缝较远处，衰减为平台和深谷结构，平台对应亮条纹，深谷对应暗条纹。对具有一定的量子势初始条件的电子， 计算出的实际轨迹示于图12-2。

    图中显示，各条轨迹在离开每一缝隙后立刻发散，但它们互不相交。两个缝隙的轨迹在正中间有分界线，各占屏幕的一半。电子会沿图中的某一条轨迹运动，然后落在屏幕上。每个电子有不同的初始条件，所以它们各自沿着不同的轨迹到达屏幕，总的结果是屏上的干涉图像的形成。

    “整体性”是量子势理论的核心。量子势实际上将空间里的所有东西看作一个不可分割的整体，任何测量仪器的变化都将导致整个量子势场的变化。量子势理论采取的是“自顶向下”的方法：整体比其局部之和具有大得多的意义，并且实际上决定着各个局部的性质和行为。

    到了20 世纪80 年代，玻姆又将其理论进一步发展，提出了“隐序理论”。他认为，物理世界有确定的秩序，不过这些信息因为波函数“卷起”而隐藏，一切可被感知和加以实验的特征（显序）乃是包含在隐序里的潜在性的实现，此时波函数被“展开”。隐序不但包含这些潜在性，而且决定着哪一个将被实现。在此，波函数的卷起和展开活动是最基本的。波的性质和粒子的性质在波函数不断地卷起和展开中得到体现。

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    隐变量理论并非当前量子物理的主流思想，因为已有的实验会使隐变量理论受到严重挑战，甚至可以说已经证明了该理论是错误的！即便如此，笔者还是把这一部分写了出来，因为这是很多人在思考量子力学时都可能会想到的一种情况。另外，隐变量理论将来是否会出现新的更好的模型还不得而知。总之，这种理论的发展道路必定会困难重重。