隐变量诠释
总的来说,隐变量诠释的基本观点是,到目前为止我们所探讨的数学组成了一个不完整的理论。用爱因斯坦的话来说,这个数学漏掉的是“现实因素”。根据这个诠释,需要做的是对我们到目前为止所讨论的理论进行补充,补充进来的内容就是“隐变量”,也就是说,隐变量是一些额外因素,可以填补现有量子理论已被发现的不完整之处。隐变量理论有两种主要版本。我们将从爱因斯坦的版本开始。
爱因斯坦实在论我将其称为“爱因斯坦实在论”的量子理论诠释是一种常识性诠释,也就是说,这种诠释试图在量子理论与我们对世界的通常认识之间进行调和。
我必须从最开始就强调,爱因斯坦的诠释,或者说至少是这个诠释中对爱因斯坦来说最重要的关键因素,已经无法与新近发现的量子事实保持一致。正如前面所提到的,任何量子理论诠释都必须尊重量子事实,而近些年来出现了新的事实,爱因斯坦的诠释不再与这些事实保持一致。爱因斯坦在这些事实出现之前就已经去世,因此假想一下(尽管我们绝不可能真的知道)爱因斯坦会怎样应对这些新事实,这将会非常有趣。
简言之,爱因斯坦的观点是,在标准诠释中处于核心地位的那种信息缺失是不存在的。回忆一下,根据标准诠释,量子实体在被测量之前都不具有确定的属性。同样地,根据标准诠释,不仅仅是我们不知道这些属性,实际上,量子实体根本就不具有这些属性。爱因斯坦认为,量子实体在测量之前肯定具有确定的属性。这同样是一个常识性观点。想想关于我口袋里硬币的例子,常识告诉我们硬币的数量肯定是确定的,就算我们不知道具体数量是多少。同样地,爱因斯坦也认为,常识告诉我们量子实体肯定一直都具有其属性,即使是在对这些属性进行测量之前。
然而,量子理论数学所表达的并不是量子实体在测量发生之前就具有属性。正是基于这一点,爱因斯坦认为量子理论数学一定是不完整的,存在量子理论没有抓住的“现实因素”,比如在测量之前就具有确定属性的量子实体。因此,爱因斯坦认为,会有一个新的理论来取代量子理论,这个新的理论不仅可以做到量子理论所做的,还将包含现有量子理论中不存在的、可以反映现实因素的“隐变量”。对于应如何对量子理论进行补充,爱因斯坦并没有特别明确的建议,但是他确信量子理论需要得到补充。
我们将在下一章中进一步讨论爱因斯坦的观点,以及让这个观点遇到问题的新事实。在这里我们只是重申一下,总的来说,爱因斯坦的诠释是一种常识性诠释。除此之外,这个诠释的某些关键因素(我们将在下一章中探讨)已不再与已知的事实保持一致。因此,爱因斯坦的诠释,包括其他类似诠释,只要是与某些关于宇宙如何运转的广为认可的观点相一致,都已经站不住脚了。
玻姆实在论大卫·玻姆在20世纪40年代末期到50年代初期对量子理论数学进行了修正。我们将简要探讨玻姆观点中的某些关键方面。
玻姆认为量子实体是粒子,受通常所说的引导波的作用影响。值得注意的是,玻姆数学与标准数学似乎做出了相同的预言。因此,两种方法之间并不存在可实际测得的差异。
然而,玻姆版本所展示的潜在现实却与量子理论标准诠释所给出的不同。我们在前面探讨过,根据标准诠释,量子实体在测量之前不具有确定的属性,比如位置。根据玻姆的观点,简单地说,量子实体确实具有不依赖于任何测量而存在的确定的位置。因此,我们缺少的信息,比如某粒电子的位置,并不是因为电子在测量之前没有位置;事实上,就像我们不知道我的口袋里有多少枚硬币,我们对电子位置的信息缺失基本上与我们对硬币数量的信息缺失是同类型的。
至于薛定谔的猫这一思想实验,由于光子在测量之前具有一个确定的位置,那么到底是探测器A还是探测器B探测到了光子(尽管我们只有在打开盒子的时候才会知道),就会存在一个事实。因此,根据玻姆的诠释,就不会存在处于生死叠加状态的猫。我们不知道猫的生死,只是因为存在信息缺失。
此时,可能出现的一个问题是,如果玻姆的观点在预言能力上与量子理论诠释的通常角度相同,而且如果根据玻姆的观点,我们可以把潜在现实看作是我们大多数人都更为习惯且已明确定义的现实,那么为什么玻姆的观点不是标准观点呢?也就是说,为什么玻姆的角度以及诠释是一种少数派观点呢?为什么这个观点没有得到广泛接受呢?
围绕玻姆诠释的命题都很复杂,也很有趣,而且要回答上述问题,也并不容易。然而,对这些问题,我将提出两个大致(但并不全面)的答案。第一,请注意,无法证明玻姆数学优于现有数学。重申一下,玻姆数学与量子理论标准数学所做的预言似乎是相同的。回忆一下,量子理论标准数学在玻姆提出修正方案时已经存在多年。物理学家们已经习惯了现有数学。然而,现在玻姆提出了另一种数学。不过,由于玻姆数学没有做出新的预言,也就不能证明它比当时已有的数学更好。因此,从实用的观点来看,并没有什么强有力的理由让玻姆数学来替代已有的数学。
第二,尽管玻姆数学可以得到与标准数学相同的预言,但是玻姆数学能否带来一种不像标准诠释那样面临诸多问题的诠释,还并不明朗。简单来说,目前已发现以下问题:前面提到的引导波一定要被当作是表达了现实中的某些东西。(如果不是这样,那么就完全没有理由来选择玻姆的方法了。也就是说,如果你采用工具主义态度来对待量子理论,那么你可能就会坚持大多数物理学家所使用的标准数学了。)除此之外,玻姆的引导波需要比光速更快的作用(针对这类比光速更快的作用,标准的术语是超光速作用),而通常的观点是玻姆方法中的超光速作用与爱因斯坦相对论矛盾。简言之,玻姆的方法与相对论矛盾是广为人知的,如果必须在玻姆的诠释和爱因斯坦相对论之间做出选择,毫无疑问胜出的会是相对论。
正如前面提到过的,玻姆的诠释与相对论矛盾是广为人知的,但是这个观点是否正确则是另一个难以回答的问题。在下一章中我们将看到,新近发现的量子事实使任何不考虑某种超光速作用的诠释都出局了。考虑到这些新近发现的事实,玻姆诠释的支持者认为其所需要的超光速作用与其他任何可行的诠释所需的条件相比,并没有更糟。但是,玻姆诠释的某些批评人士认为,这个诠释与其他诠释相比,需要更“强有力”的超光速作用,也就是说,玻姆诠释中的超光速作用即使没有在字面上与相对论矛盾,也至少违反了相对论的精神。
这一争论所涉及的命题非常复杂,至于玻姆诠释与相对论之间的矛盾是不是真的会带来问题,这是个开放性问题。但至少可以说,玻姆诠释通常被认为不能与爱因斯坦相对论很好地协调一致,这也是玻姆诠释没能得到更广泛接受的主要原因之一。