(Olena Shmahalo)

　　量子力學(xué)中那么多讀不懂的概念中，最讓人迷糊的可能要數(shù)“粒子在不被觀察時(shí)沒(méi)有確定的位置”。以哥本哈根詮釋詮釋為首的正統(tǒng)量子力學(xué)卻偏偏試圖讓我們相信，粒子存在于被一種叫做波函數(shù)的數(shù)學(xué)架構(gòu)所確定的概率云中。波函數(shù)自身又不斷演化，在一種叫做薛定諤方程的東西的制約下隨著時(shí)間變化。
　　數(shù)學(xué)算得清楚：波函數(shù)會(huì)在觀察時(shí)“坍塌”，那時(shí)我們才能確定例子的真實(shí)位置。但許多科學(xué)家不喜歡這種觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦就曾經(jīng)發(fā)問(wèn)：是不是只有你看它的時(shí)候，月亮才會(huì)存在？
　　但有另外一種同樣有著近百年的歷史的解釋?zhuān)Q(chēng)粒子始終擁有確定的位置。這種解釋被稱(chēng)為導(dǎo)航波理論(pilot-wave theory)或玻姆力學(xué)(Bohmian mechanics)。它從未獲得與哥本哈根詮釋相當(dāng)?shù)闹匾?。但今年早些時(shí)候(《環(huán)球科學(xué)》曾作報(bào)道)， 一組加拿大的研究者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)或許改變了我們對(duì)這種奇異理論的看法。

　　導(dǎo)航波理論最早在1927年由德布羅意(Louis de Broglie)提出。玻姆(David Bohm)在1952年開(kāi)始接手，一直研究到1992年離世。(因此該理論也被稱(chēng)為德布羅意-玻姆理論。)它與玻爾(Niels Bohr)的哥本哈根詮釋試圖解決的是同一個(gè)問(wèn)題。人們常用雙縫實(shí)驗(yàn)來(lái)展現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題。費(fèi)曼就曾說(shuō)過(guò)，雙縫實(shí)驗(yàn)“處于量子力學(xué)的中心”，“不可能，完全不可能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)進(jìn)行解釋。”
當(dāng)光同時(shí)射向偵測(cè)屏前的兩條狹縫，會(huì)出現(xiàn)波一樣的干涉圖樣(上)。但當(dāng)粒子一個(gè)接一個(gè)射向偵測(cè)屏?xí)r，似乎每個(gè)粒子都同時(shí)通過(guò)了兩條狹縫(下)，帶有波的性質(zhì)。(Akira Tonomura/Creative Commons)

　　德布羅意同樣設(shè)計(jì)了由薛定諤方程決定的波函數(shù)。但在那之外，有個(gè)“導(dǎo)航波函數(shù)”，或“引導(dǎo)方程”(guiding equation)，決定了粒子真實(shí)確定的位置。如果知道波函數(shù)，又有了系統(tǒng)的初始狀態(tài)，那就能計(jì)算出粒子在未來(lái)任何一刻的確定位置。

　　

　　這聽(tīng)起來(lái)可能像是一種回到經(jīng)典力學(xué)的倒退，但二者截然不同。經(jīng)典力學(xué)有著定域性(locality)：物體只能直接或通過(guò)某種場(chǎng)來(lái)影響周?chē)奈矬w。但量子尺度下的玻姆力學(xué)建立在非定域的波函數(shù)上。波函數(shù)沒(méi)有地理上的限制：理論上可以橫跨整個(gè)宇宙。
　　于是在波姆力學(xué)里，依賴(lài)著隨時(shí)間演化的波函數(shù)，如果我們能知曉某一時(shí)刻宇宙中所有粒子的具體狀態(tài)，我們就能計(jì)算出整個(gè)宇宙的未來(lái)。
　　索爾維會(huì)議上，愛(ài)因斯坦反駁了玻爾的不確定性——“上帝不擲骰子”。但他同樣沒(méi)有支持德布羅意的觀點(diǎn)。到了1932年，馮·諾依曼(John von Neumann)在用德語(yǔ)寫(xiě)下的論文中自稱(chēng)證明了量子力學(xué)中的“隱變量”(hidden variables)不存在。在該計(jì)算被證偽前的三十多年里，大多數(shù)物理學(xué)家沒(méi)讀過(guò)原文翻譯就放棄了導(dǎo)航波理論。玻姆在1952年的嘗試也沒(méi)能將導(dǎo)航波理論救活。


1927年的第五屆索爾維會(huì)議，29位參會(huì)者中有17位諾獎(jiǎng)得主。德布羅意(中排右三)提出了導(dǎo)航波理論，但玻爾(中排右一)的哥本哈根詮釋占了上風(fēng)。

　　北愛(ài)爾蘭物理學(xué)家John Stewart Bell展示了自己對(duì)導(dǎo)航波理論的支持，卻被許多業(yè)內(nèi)專(zhuān)家誤解為展現(xiàn)隱變量的不可能。到了現(xiàn)在，正統(tǒng)量子力學(xué)中的概率論公式已經(jīng)與愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論所結(jié)合，發(fā)展出了宏大又精細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)模型。駕馭量子世界的不確定性已經(jīng)成為了物理學(xué)家的信條，導(dǎo)航波理論再也沒(méi)有被寫(xiě)入教科書(shū)中。

　　1992年，一篇以作者姓氏首字母命名的“ESSW”論文更是給了導(dǎo)航波理論沉重一擊。在該論文的雙縫實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)左狹縫的中子會(huì)被記錄為從右狹縫通過(guò)。多倫多大學(xué)物理學(xué)家Aephraim Steinberg感言：“這傷害了我對(duì)波姆力學(xué)的愛(ài)?！?/span>
　　二十多年后，Steinberg和他的同事們終于找到了反攻的機(jī)會(huì)。在《科學(xué)》子刊Science Advances上發(fā)表的一篇論文中，他們發(fā)現(xiàn)，例子確實(shí)會(huì)展現(xiàn)出這樣看似“超自然”(surreal)的運(yùn)動(dòng)軌跡。可一旦考慮到波姆力學(xué)中的非定域性，這樣的特性就很好理解。

原文摘要：Experimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories

　　研究者們?cè)诖罅繉?shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩顆處于糾纏態(tài)的中子，第二顆中子的軌跡中含有了第一顆的信息。因?yàn)閮深w中子互相影響，相比之下第一顆中子的軌跡就顯得離奇。波姆力學(xué)預(yù)見(jiàn)了這樣軌跡的存在。一些MIT和法國(guó)近年的研究也給出了不同角度的支持。Steinberg表示：“沒(méi)有什么真正沖突的地方。你只是得時(shí)刻考慮非定域性，不然你就會(huì)錯(cuò)過(guò)很重要的東西?！?/span>

　　回到歷史的長(zhǎng)河里，愛(ài)因斯坦活著看見(jiàn)了玻姆對(duì)德布羅意設(shè)想的拯救。但他仍瞧不起這種把事情看得過(guò)于簡(jiǎn)單的理論。在1952年給玻恩(Max Born)的信中，他寫(xiě)道：

你注意到玻姆相信(其實(shí)德布羅意在25年前也相信)他能用確定性的方式詮釋量子理論了嗎？對(duì)我來(lái)說(shuō)這有點(diǎn)太不費(fèi)力了。當(dāng)然，你在這事上比我更有資格判斷。

即便是對(duì)于那些堅(jiān)信玻姆力學(xué)的人，還是有些問(wèn)題沒(méi)能得到解答。首先是該理論涉及的超光速作用與狹義相對(duì)論似乎產(chǎn)生了矛盾。導(dǎo)航波深深依賴(lài)于非定域性。兩個(gè)粒子之間的相互作用關(guān)系一旦建立就永遠(yuǎn)無(wú)法消除，即便二者之間隔著整個(gè)宇宙的距離。現(xiàn)代物理學(xué)尚未能對(duì)量子糾纏與超光速通信關(guān)系解釋清楚。
　　“宇宙似乎是在以超過(guò)光速的速度與自己對(duì)話(huà)，”Steinberg說(shuō)，“我能理解宇宙中沒(méi)有什么東西能快過(guò)光速，但在這個(gè)內(nèi)部工作超過(guò)光速的世界里，我們卻不能在宏觀尺度上利用這些特性，就真的說(shuō)不過(guò)去了?！?/span>

[via Quanta Magazine 1, 2]