月亮在沒人看時存在嗎？實在性和量子理論

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這是一篇非常美妙的文章【N. David Mermin, Is the moon there when nobody looks? Reality and the quantum theory】，但限于精力，隻翻譯了前一半。好在前一半也算是個大緻完整的内容。“月亮在沒人看時存在嗎？”曾廣泛地被哲學家們引用，這句出自 愛因斯坦口中的名言是有其實體學背景的。在量子力學中客觀實在性如何定義看上去是個形而上學問題，但愛因斯坦成功地把這種哲學式的思辯轉換為量子力學語 言，逼迫我們或者承認量子力學對客觀實在的描述是不完備的，或者承認存在神秘的瞬時超距作用。而貝爾不等式及相關實驗則幫助我們在這兩者之間作出了判斷， 即看來真的存在幽靈般的超距作用。

雖然看起來愛因斯坦的直覺與實驗沖突。但正是愛因斯坦對量子力學與實在性的追問揭示出量子力學是非定域的，并且這也開創了關于量子資訊學的研究。

============以下為翻譯============

月亮在沒人看時存在嗎？實在性和量子理論

愛因斯坦聲稱對量子理論的形而上學解釋需要神秘的超距作用；現在實驗告訴我們值得争論的問題已不再是愛因斯坦的困惑，而是真實世界被觀察到的行為方式。

作者：N. David Mermin

[David Mermin是康奈爾大學原子與固體實體實驗室主任。他是一位理論固體實體學家，最近他提出了關于準晶的一些準思考。對今日實體的讀者來說是他發明了全世界都認同的科學詞彙“怖侏”。他正在和N.W.Ashcroft一起開始更新那本全世界最棒的固體實體教材。他告訴我們他被貝爾定理困擾，但他的腦子裡可能還有石頭。]

量子力學是魔術。【1. Daniel Greenberger, discussion remarks at the Symposium on Fundamental Questions in Quantum Mechanics, SUNY, Albany, April 1984.】

1935年5月，愛因斯坦，波多斯基和羅森發表了一篇文章稱量子力學未提供對實體實在的完全描述。【2. A.Einstein, B.Podolsky, N.Rosen, Phys. Rev. 47, 777 (1935).】

50 年後的今天，EPR的文章及由此引發的理論和實驗工作仍是量子理論為我們揭示出的世界最怪異的方面的生動寫照，而使我們印象深刻。當愛因斯坦宣稱“上帝不擲骰子”時，他善說警句的天才反而幫的是倒忙。因為自此他反對量子力學的根本目标就變成了——“對世界的根本認識隻能是幾率的”。

但EPR文章，他反對量子學說的最有力攻擊針對的是完全不同的方面：實體性質一般地不再是可以獨立于觀測的客觀實體。

正如Pascual Jordan指出的【3.Quoted by M. Jammer, The Philosophy of Quantum Mechanics, Wiley, New York (1974) p.151.】:

”觀測不僅妨礙了被測對象，而且創造了它......我們強迫（電子）保持确定的位置......我們自己創造了觀測的結果。“

Jordan的陳述對當代實體學家來說已經是老生常談了。在此意義下，我們被教導，測量動作對被測量對象的破壞，由于量子行為的存在而不可避免，甚至對那些有經典對應資訊（如位置和動量）的測量也同樣如此。

愛因斯坦不喜歡這一點。他希望物體不論是否被觀測都應具有性質。【4. A.Pais, Rev. Mod. Phys. 51, 863 (1979).】

“我們經常讨論關于客觀實在的概念。我記得一次和愛因斯坦散步時他突然停下來，轉向我并問我是否真的相信僅當我看月亮時它才是存在的。”

EPR的文章聰明地描述了一種情況迫使量子理論聲稱在時空某處B的性質是對與其分離的另一時空A的測量的後果，AB相距如此之遠以緻于A的測量影響無法以任何已知的動力學機制影響到B。考慮到這些後，愛因斯坦仍堅持A的性質必須絕對地存在。

神秘的超距作用

關于愛因斯坦立場的很多最簡單和最直白的陳述可以在他和玻恩的通信中找到。【5. The Born-Einstein Letters, with comments by M.Born, Walker, New York (1971).】在這本通信集中（讀起來有時象Nabokov的小說），玻恩始終為愛因斯坦不喜歡量子力學的統計特征而痛苦，玻恩反複地失敗，在他的通信和他晚期對通信的評論中，玻恩并未領悟到是什麼真正使愛因斯坦困惑。愛因斯坦不斷努力，也沒讓自己表達得更清除。比如，在1948年3月的信件中，他寫道：

“B處真正具有的性質應該......不依賴于對另一空間A處任何測量的影響；它也與在A處是否進行了任何測量無關。如果認識到這些，一個人就很難把量子理論的描述當作對實體實在的完全表述。在這種情況下如果有人仍堅持量子理論，他就必須認為B的實體實在會因A處的測量而發生突然的改變。我對實體的直覺強烈地排斥這一點。”

或，可參考1947年3月的通信：

“我不能真正地相信（量子理論）因為它無法與實體學應描繪時空中的實在，擺脫神秘的超距作用這一理念相沖突。”

神秘的超距作用指的是我們通過對A進行測量，B處的系統可獲得某确定值的物性。EPR的文章引入了一個可以描述位于A，B處的兩個分離的關聯粒子的波函數。

在這個特别的雙粒子态中，我們可以通過對A處的粒子進行觀測（以下測量在可以确定地獲得結果的意義下進行）确定位置或者動量以知道B處粒子的相應測量值值。

如果B處的實在不依賴于對A的何種測量，那麼B處的粒子必須一直具有确定的位置和确定的動量。

由于量子理論本質地不允許同時獲得這些測量值，它一定是提供了對實體實在的一種不完全描述。當然除非，有人聲稱神秘的超距作用是存在的，即可通過測量A的位置（或動量）然後立刻可或得B的位置（或動量）。

在此戲劇性的時刻泡利在玻恩-愛因斯坦的通信中登場了，1954年泡利從普林斯頓給玻恩寫信，泡利在信中盡顯他著名的機敏。

“愛因斯坦把你的手稿交給我閱讀；他并無惹怒你的意思，僅僅說你是一個聽不進話的人。這與我迄今形成的印象一緻， 我無法從你的信件或手稿裡了解愛因斯坦（的觀點）。看來你為自己樹立了一些愚蠢的愛因斯坦，然後又誇張地把它們擊倒。特别地，愛因斯坦并未将決定論這一概 念放在它通常所處的根本位置上（正象他多次向我強調的那樣）......同時，他也懷疑：是否嚴格地決定？這一問題作為理論是否可被接受的判據。”

泡利繼續向玻恩陳述愛因斯坦“哲學成見”的真正含義，強調“愛因斯坦的錯誤是在于‘實在的’而非‘決定的’。”根據泡利，反駁愛因斯坦觀點的恰當基礎可陳述如下：

“一個人不可能象思考：針尖上能站多少個天使這種古老問題那樣去冥思苦想那些他一無所知的事情。但對我來說愛因斯坦的問題總可歸結到這類問題上去。”

面對神秘的超距作用，愛因斯坦傾向于相信那些人們不可能知道的東西（比如粒子可同時具有确定的動量和位置）确實是一直存在的。

“那些認為量子力學的描述性方法原則上就是最終形式的實體學家将......放 棄對空間中不同部分都獨立地存在實體實在性這一要求；而且在量子理論中也沒有什麼地方必須用到這一要求，這一立場是以得到辯護。我承認這一點，但也要指 出：當我考慮我所知的實體現象，特别是那些被量子力學成功地把握的實體現象，我仍然找不到絲毫事實可以表明這一要求是必須被抛棄的。是以我傾向于相信量子 力學的描述......必須被認為是對實在的非完備的和非直接的描述.....”

新的事實

對“是否在何處存在真實”這一挑戰的理論回答是由John S.Bell1964年在一個短命期刊Physics上發表的著名論文上給出的。【6. J.S.Bell, Physics 1, 195 (1964).】利用David Bohm提出的理想實驗【7. D.Bohm, Quantum Theory, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. (1951) pp. 614-619.】，EPR文章論證所需要的“不可能同時知道的物性”（粒子自旋沿幾個不同方向的即時取值），貝爾證明（貝爾不等式）這些物性是不能同時存在的符合量子理論的定量計算。結論則相當程度上與是否相信量子理論提供了對實體實在的完備描述無關。

如果在這樣的實驗中實驗資料符合量子理論的定量預測，那麼愛因斯坦的哲學立場就是錯的。

在 過去的幾年中，已經完成了一系列漂亮的實驗，巴黎大學理論所和奧斯陸應用光學所的Alain Aspect及其同僚【8. A.Aspect, P.Grangier, G.Roger, Phys. Rev. Lett. 47, 460 (1981). A.Aspect, P.Grangier, G.Roger, Phys. Rev. Lett. 49, 91 (1982). A.Aspect, J.Dalibard, G.Roger, Phys. Rev. Lett. 49, 1804 (1982).】通過完成一系列滿足貝爾論證所需條件的EPR實驗提供了對愛因斯坦挑戰的實驗回答。

實驗表明量子理論所預言的确實被證明了。愛因斯坦發出挑戰後的30年，事實——而非形而上學學說——駁倒了他。

（自EPR發表後）對于這50年的思維曆史和科學發現的态度是很不同的。【9. For a discussion of the views of today’s physicists toward the meaning of the quantum theory, see the interesting and provocative essay “Cognitive Repression in Contemporary Physics” by E.F.Keller, Am. J. Phiys. 47, 718 (1977).】玻爾從最一開始就理所當然地認真地對待它，Leon Rosenfeld這樣描述EPR的影響【10. L.Rosenfeld in Niels Bohr, His Life and Work as Seen by His Friends and Colleagues, S.Rozental ed., North Holland, Amsterdam (1967) pp. 114-36.】：

“這個打擊對我們來說無疑就是晴天霹靂。它對玻爾的影響是明顯的......沒有什麼比這更糟糕的了。乃至玻爾一聽完我對愛因斯坦論證的報告，其他一切事情都被放下了。”

貝爾的貢獻在也許應稱之為準流行的文化中成為著名的。比如，我們可在《跳舞的實體大師》中讀到【11. G.Zukav, The Dancing Wu-Li Masters –An Overview of the New Physics, Morrow, New York (1979) p.282. On the same page it is also said that “Bell’s theorem is a mathematical construct which as such is indecipherable to the non-mathematician”, a view that I hope the rest of this article will dispel.】：

“一些實體學家相信這[貝爾定理]也許是實體史上最重要的一項工作。”

确實正如伯克利的理論粒子實體學家Henry Stapp所說【12. H.Stapp, Nuovo Cimento 40B, 191 (1977).】：

“貝爾定理是科學史上最深奧的發現。”

另一種聲音則認為“晴天霹靂”正是“科學史上最深奧發現”的基礎。關于EPR的文章，（實體學家和科學史家）Abraham Pais在他最近的關于愛因斯坦的傳記中寫道【13. A.Pais, “Subtle is the Lord…” The Science and the Life of Albert Einstein, Oxford U.P., New York (1982) p.456.】：

“我相信，這篇文章最終将隻有這部分幸存，是......這句話[‘沒有關于實在的合理定義與之相容’]，這句話如此傷心地總結了愛因斯坦晚年對量子力學的态度。”

公平地說，我想大多數實體學家會傾向于Pais的說法而非Stapp，但在大多數近乎漠視和少數極力誇張的立場之間我稱之為中庸的态度。這可用以下叙述非常簡明地表達，有一次我問一位傑出的普林斯頓實體學家他認為愛因斯坦本人會對貝爾定理有何反應。

他說愛因斯坦會回到家然後努力地思考幾個星期然後他就無法猜測這時愛因斯坦會說什麼了，但無論說什麼都将是非常有趣的。他确信愛因斯坦将會被貝爾定理深深地困擾。

然後他補充道：

“不被貝爾定理困擾的人腦袋裡一定有石頭。”

至此我隻能将當代實體學家分為如下兩類。

類型1，深深被EPR及貝爾定理困擾的實體學家。

類型2，（大多數）未被困擾，但我們可以把這類再分成兩小類。

類型2a，那些解釋他們為什麼未被困擾的實體學家。他們的解釋或者是不着邊際的（比如玻爾對愛因斯坦的回應）或者是包括了錯誤的實體學斷言。（基于錯誤的實體學斷言之上）

類型2b，未被困擾，也拒絕作出解釋的實體學家。他們的立場是無法被攻擊的。（還有一種類型2b的變種，他們聲稱玻爾解決了所有的問題，但拒絕解釋是如何做的的。）

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原文釋出時間為：2014.05.14

本文作者：ianwest

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