對導(dǎo)航波理論的新認識

1、對導(dǎo)航波理論 (pilot-wave theory) 的新認識(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)“粒子在不被觀察時沒有確定的位置”。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 著時間變化。數(shù)學(xué)算得清楚：波函數(shù)會在觀察時“坍塌”，那時我們才 能確定例子的真實位置。但許多科學(xué)家不喜歡這種觀點。愛 因斯坦就曾經(jīng)發(fā)問：是不是只有你看它的時候，月亮才會存 在？但有另外一種同樣有著近百年的歷史的解釋，宣稱粒子 始終擁有確

2、定的位置。這種解釋被稱為導(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)闹匾暋?但今年早些時候 (環(huán)球 科學(xué)曾作報道 )， 一組加拿大的研究者進行的實驗或許改 變了我們對這種奇異理論的看法。 1 粒子，你在哪里導(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 年開始接手，一直研究到 1992 年離世。 (因此該理論也被稱為德布羅意 -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 問題。

3、人們常用雙縫實驗來展現(xiàn)這個問題。費曼就曾說過， 雙縫實驗“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)來進行解釋?！?當(dāng)光同時射向偵測屏前的兩條狹縫，會出現(xiàn)波一樣的干涉圖 樣(上)。但當(dāng)粒子一個接一個射向偵測屏?xí)r，似乎每個粒子 都同時通過了兩條狹縫 (下 )，帶有波的性質(zhì)。 (Akira Tonomura/Creative Commons)德布羅意同樣設(shè)計了由薛定諤方程決定的波函數(shù)。但在 那之外，有個“導(dǎo)航波函數(shù)”，或“引導(dǎo)方程” (guiding equation) 決定了粒子真實確定的位置。如果知道波函數(shù)，又有了系統(tǒng) 的初始狀態(tài)，那就能計算出粒子在未來任何一刻的確定位置。2 乘波

4、踏浪 這聽起來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 過某種場來影響周圍的物體。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)沒有地理上的限制：理論上可 以橫跨整個宇宙。于是在波姆力學(xué)里，依賴著隨時間演化的波函數(shù)，如果 我們能知曉某一時刻宇宙中所有粒子的具體狀態(tài)，我們就能 計算出整個宇宙的未來。索爾維會議上， 愛因斯坦反駁了玻爾的不確定性 帝不擲骰子”。但他同樣沒有支持德布羅意的觀點。 到了 1932 年，馮諾依曼(John von Neumann) 在用德語寫下的論文中 自稱證明了量子力學(xué)中的“隱變量” (hid

5、dveanriables) 不存在 在該計算被證偽前的三十多年里，大多數(shù)物理學(xué)家沒讀過原 文翻譯就放棄了導(dǎo)航波理論。玻姆在 1952 年的嘗試也沒能 將導(dǎo)航波理論救活。 1927 年的第五屆索爾維會議， 29 位參 會者中有 17 位諾獎得主。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)。北愛爾蘭物理學(xué)家 John Stewart Bell 展示了自己對導(dǎo) 航波理論的支持，卻被許多業(yè)內(nèi)專家誤解為展現(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)與愛因 斯坦的狹義相對論所結(jié)合，發(fā)展出了宏大又精細的標準模型。 駕馭量子世界的不確定性已經(jīng)成為了

6、物理學(xué)家的信條，導(dǎo)航 波理論再也沒有被寫入教科書中。3 亞原子現(xiàn)實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。在該論文的雙縫實驗中，通過 左狹縫的中子會被記錄為從右狹縫通過。多倫多大學(xué)物理學(xué) 家 Aephraim Steinberg 感言：“這傷害了我對波姆力學(xué)的愛。 ” 二十多年后， Steinberg 和他的同事們終于找到了反攻 的機會。在科學(xué)子刊 Science Advances 上發(fā)表的一篇 論文中，他們發(fā)現(xiàn)，例子確實會展現(xiàn)出這樣看似“超自然” (surreal) 的運動軌跡?？梢坏┛紤]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： Exp

7、erimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories研究者們在大量實驗后發(fā)現(xiàn)，對于兩顆處于糾纏態(tài)的中子，第二顆中子 的軌跡中含有了第一顆的信息。因為兩顆中子互相影響，相 比之下第一顆中子的軌跡就顯得離奇。波姆力學(xué)預(yù)見了這樣 軌跡的存在。 一些 MIT 和法國近年的研究也給出了不同角度 的支持。 Steinberg 表示：“沒有什么真正沖突的地方。你只 是得時刻考慮非定域性，不然你就會錯過很重要的東西?！?4 比光速還快回到歷史的長河里，愛因斯坦活著看見了玻姆對德布羅 意設(shè)想的拯救。但他仍瞧不起這種把事情看得過于簡單的理 論。在 1952 年給玻恩 (Max Born) 的信中，他寫道：你注意 到玻姆相信 (其實德布羅意在 25 年前也相信 )他能用確定性 的方式詮釋量子理論了嗎？對我來說這有點太不費力了。當(dāng) 然，你在這事上比我更有資格判斷。即便是對于那些堅信玻 姆力學(xué)的人，還是有些問題沒能