量子物理學的實驗與哲學基礎-安東·澤林格
　　
　　主講人簡介
　　安東·澤林格，維也納大學實驗物理學教授，牛津大學客座研究員，法蘭西大學客座教授，奧地利科學院終身院士，奧地利物理學會主席，美國物理學會會員。
　　內容簡介
　　量子物理學是德國物理學家麥克斯·普朗克于1900 年在柏林提出的。他為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。量子力學現在已經成為許多現代高科技的基礎。美國的諾貝爾獎獲得者杰克·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于一量子力學為基礎的高科技。那么問題在哪里呢？理查德·費曼很好地表述了這個問題：我認為我可以肯定地說，現在沒有人理解量子力學。理查德·費曼是有資格這么說的，因為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么。
　　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制量子計算機計劃，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，它到底是什么樣的，因為今天還沒有人知道，完全處于想象階段。人們在嘗試各種不同的途徑，基本的概念是必需要有一個中央處理器，我借用一個著名的電腦芯片公司的名字，稱之為“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”，那么量子計算機，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，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。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。另一方面，量子力學可以從下向上發展，制造出量子計算機。
　　量子通訊是最早在實驗上有所進展的。量子通訊有許多用途，最早得到發展的是量子密碼，量子密碼是一種對信息進行編碼方法，其安全性是由自然規律來保證的，不依賴于實驗者的技巧。量子密碼最基本的思想是，人們無法在不破壞或改變量子的狀態的情況下測量量子。所以當一個無權知道某種信息的人想要竊取信時，就很容易被發現。
　　現在我再回到哲學問題上，玻爾有一段我非常喜歡的話：并沒有什么量子世界，只有一個抽象的量子物理學的描述。認為物理學的任務是去發現自然究竟是怎么樣的想法是錯誤的。物理學只有關于我們對自然能做何描述。就是說人們根本不可能判斷自然到底是什么，我們只能討論如何來描述自然。
　　全文
　　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么關系，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，因為它很激動人心，那就是波爾和愛因斯坦的對話。愛因斯坦試圖保持關于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，一個被稱為Gedanken實驗的問題占有顯著的地位。Gedanken的意思是思想，就是說只是在頭腦中進行的實驗。因為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，那就是這種實驗成為可能。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。貝爾定理是關于世界本質的定理，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才有可能進行。進行這種實驗只是出于哲學上的考慮，是為了想看一看量子力學有多么奇怪。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為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并傳輸信息。最初在三十年前，人們有了使這類實驗成為可能的條件，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。這里是一條縫，這里是第二條縫，后面是一個觀察屏。如果你從這里發射光線，它就會從兩條縫中通過，在后面就形成了明暗相間的條紋。如果你知道光是一種波，那么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，你怎么知道另一條縫時開著的還是關著的。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，并以此為基礎，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范圍。正如你們中的一些人也許不懂得量子力學是怎么一會事，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·普朗克于1900 年在柏林提出的。他為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為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于量子力學。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杰克·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于一量子力學為基礎的高科技。那么問題在哪里呢？理查德·費曼很好地表述了這個問題：“我認為我可以肯定地說，現在沒有人理解量子力學”。理查德·費曼是有資格這么說的，因為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么。同樣地，還有一個人說：“這個理論非常精確，難以置信地精確，并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，他就是羅杰·彭羅斯。你們也許讀過他的書，對他有所了解。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。因為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，他本身就置身于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，而且連隱藏在背后的原因也沒有，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，在這方面沒有什么問題。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，它有什么意義嗎？這是人們可能要問的問題，那么在物理界就有很多分歧了。所謂的哥本哈根解釋，有時也被稱為正統的解釋，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么做。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，我認為在深層次上至今還沒有什么理解。
　　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，如果我們從左面這里發射光線，通過這兩條縫，就形成了這種干涉條紋，由于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，那么就似乎應該問這么一個問題，一個單個的粒子會穿過那條縫，然后會出現什么情況？因為最后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。