科学史上最离奇的佯谬.docx

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1、科学史上最离奇的佯谬 前十来年有一个很受欢迎的电视连续剧时间隧道,让观众大大地享受了一下幻想的乐趣。剧中的主子公通过一种叫“时间隧道”的机器,可以为所欲为地回到过去任何一个时代(也有一次由于不当心弄错了,回到一个与预先设计不同的时代)。于是发生了种种好玩的事情。类似的幻想故事还多得很,其中最迷人的地方或许是由于主子公偶然干预了几一百零一年前的事务过程,结果出现了与历史课本上完全不同的历史。打个比方:由于主子公偶然的干预,武媚娘没有被皇帝宠幸,于是唐朝出现了一个与现在中国历史不同的,没有武则天的历史。 这很好玩,可以充分发挥和满意人的想象力,让人海阔天空、天南海北地遐想。但是人人都知道这是科学幻

2、想,不是事实,因此不会信以为真。但是在1957年,美国普林斯顿高校有一位叫埃弗雷特(Hugh Everett)的闻名物理学家在一篇文章中却说,在我们这个“现实的”宇宙之外,原来就存在着与我们这个宇宙不同的许很多多彼此“平行的”、不连通的宇宙,而且它们都是同样的真实。 这是真的吗?该不又是一个科幻故事吧?是真的,不是科幻故事。埃弗雷特的这个假说现在被正儿八经地称之为“多世界诠释”(或“多世界理论”)。尽管目前还有很多科学家对这个理论持肯定的怀疑看法,但是这个诠释却好像越来越被人们看好。 你或许想知道这个过于离奇的诠释?那你就得知道科学史上最离奇的佯谬薛定谔的猫。这可真是不太简单,因为这涉及到最难

3、懂的量子力学。但是,现在有一本书,或许可以比较简单地和最大限度地满意你的这一个要求。这就是英国的科学家约翰G格利宾写的科普著作:找寻薛定谔的猫(11014,中译本中还将他在11015年写的续集薛定谔的小猫收进去了)。格利宾是一位闻名的科学家和科普作家,他的著作在我国翻译出版了好几本,例如上海科技教化出版社出版的大爆炸探秘、迷人的科学风采费恩曼传(与他的夫人合著)等等。 在找寻薛定谔的猫这本书中,格利宾通俗而又精确地向我们介绍了1935年“薛定谔的猫”这个最离奇的佯谬提出的缘由,以及六十多年来为解决这一佯谬科学家付出的努力,最终探讨了1957年埃弗雷特的“多世界诠释”和对将来的展望。 一切都起因

4、于爱因斯坦提出的光子说。 把光看成是一种粒子(即“光子”),可惹出了大麻烦!假如我们承认光是一种粒子,那么我们如何来说明光的衍射?要知道,光的衍射效应可是区分“光是粒子还是波”的一个关键性试验呀!但后来的试验的的确确证明白:光既是一种波,又同时是一种粒子。这个图像真是太离奇了。薛定谔的猫以及其他很多佯谬,都起源于这一冲突而离奇的图像。为了解决这一冲突离奇的图像,哥本哈根学派的物理学家提出了一种说明(即“几率波”的说明):我们说光是一种波动,是指光是一种“几率波”;是指在衍射图像上光子(或者电子、原子等等)出现的几率:在衍射明条纹上发觉粒子的几率大,在衍射暗条纹上发觉粒子的几率小。明显,这一说明

5、表明自然法则中存在着一种根本的随机性。爱因斯坦对这一说明很是不满,并且说了一句很出名的话:“我不信任上帝会玩掷骰子。”后来爱因斯坦还提出一个“EPR佯谬”来反对哥本哈根的说明。但是,现在试验已经证明爱因斯坦的这一反对失败了。 与爱因斯坦提出反对的同时,薛定谔也提出“薛定谔的猫”这一佯谬来反对哥本哈根的说明。这一佯谬简洁地说是这样的:在一个盒子里,用一个放射性原子的衰变来触发一个装有毒气的瓶子的开关,毒气可以毒死同时放在盒子里的猫。按哥本哈根学派的说明,放射性原子的衰变可以用波函数来描述;当用波函数描述不同状态的组合时(如放射性元素“衰变了”或“没有衰变”这两种状态的组合),我们称之为“波的迭加

6、态”;在没有打开盒子时,放射性原子进入了衰变与不衰变的迭加态,由此猫也成了一只处于迭加态的猫,即又死又活、半死半活、处于地狱边缘的猫。正像哈姆雷特王子所说:“是死,还是活,这可真是一个问题。”只有当你打开盒子的时候,迭加态突然结束(在数学术语就是“坍缩(collapse)”),哈姆雷特王子的迟疑才最终结束:我们知道了猫的确定态:死,或者活。哥本哈根的几率诠释的优点是:只出现一个结果,这与我们观测到的结果相符合。但是有一个大的问题:它要求波函数突然坍缩。但物理学中没有一个公式能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于好用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。付出的代价是:违反了薛定谔方程

7、。这就难怪薛定谔始终耿耿于怀了。 哥本哈根诠释在很长的一段时间成了“正统的”、“标准的”诠释。但那只不死不活的猫却总是像恶梦一样让物理学家们不得安静。格利宾的这本书想告知我们的是,哥本哈根诠释在哪儿失败,以及用什么诠释可以替代它。 1957年,埃弗雷特提出的“多世界诠释”好像为人们带来了福音,虽然由于它太离奇起先没有人仔细对待。格利宾认为,多世界诠释有很多优点,由此它可以代替哥本哈根诠释。我们下面简洁介绍一下埃弗雷特的多世界诠释。 在波函数的迭加态没有坍缩之前,在处于迭加态的观测者看来,每一个态都可以看成是一些备选的平行世界。以薛定谔的猫来说,格利宾在书中写道:“埃弗雷特指出两只猫都是真实的。

8、有一只活猫,有一只死猫,但它们位于不同的世界中。问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。当我们向盒子里看时,整个世界分裂成它自己的两个版本。这两个版本在其余的各个方面都是全同的。唯一的区分在于其中一个版本中,原子衰变了,猫死了;而在另一个版本中,原子没有衰变,猫还活着。” 也就是说,上面说的“原子衰变了,猫死了;原子没有衰变,猫还活着”这两个世界将完全相互独立地演化下去,就像两个平行的世界一样。格利宾明显非常赞许这一诠释,所以他接着说:“这听起来就像科幻小说,然而它是基于无懈可击的数学方程,基于量子力学朴实的、自洽的、符合逻辑的结果。”“在量子的多世界中,我们通过参加而

9、选择出自己的道路。在我们生活的这个世界上,没有隐变量,上帝不会掷骰子,一切都是真实的。”按格利宾所说,爱因斯坦假如还活着,他或许会同意并大大地赞扬这一个“没有隐变量,上帝不会掷骰子”的理论。 这个诠释的优点是:薛定谔方程始终成立,波函数从不坍缩,由此它简化了基本理论。它的问题是:设想过于离奇,付出的代价是这些平行的世界全都是同样真实的。这就难怪有人说:“在科学史上,多世界诠释无疑是目前所提出的最大胆、最野心勃勃的理论。” 当然,格利宾也知道,还有很多技术上的难题还等待我们去解决。所以他写道:“我们要么不得不接受哥本哈根的诠释,连同他那幽灵般的现实和半死半活的猫;要么接受埃弗雷特的多世界诠释。当

10、然,可以认为科学市场上的最好的家伙都是不正确的;这两种选择都是错的。关于量子力学的现实,可能还有另一种说明,它既能解决哥本哈根诠释和埃弗雷特的诠释已经解决的全部问题。但是假如你认为这是一个轻松的选择,一条简单走出逆境的路,那么你必需记住任何这种新的说明都必需能够说明自从普朗克在黑暗中取得突破以来的全部成就;在说明万物方面,它必需与目前这两种理论一样好,或者更好。的确,守株待兔似的等待某人会对我们的问题提出一个好的答案,这不是科学的看法。在没有更好的答案状况下,我们就不得不正视目前能得到的最好答案。” 我们或许记得,在二十世纪二十年头,有一位物理学家声称他有一个理论可以解决量子理论的基本问题时,

11、玻尔说:“你的理论的确奇妙,但是还没有奇妙到真实的程度。”格利宾现在认为,埃弗雷特的理论“的确已经奇妙到真实的程度,在找寻薛定谔的猫方面,这个理论可以给出一个合适的答案”。由此可见格利宾对埃弗雷特的多世界诠释抱有多么大的信念。 好了,作为介绍,我已经写得太多了,只能到此为止。假如你看了我的介绍,也想找寻薛定谔的猫,了解其中具体的内容,那你最好还是看格利宾写的这本特别好玩的书。只要你有一点点耐性,你肯定可以看懂。这本书写的的确很好,是目前有关这一内容写得最好的书。我可以保证这一点。 (找寻薛定谔的猫,英 约翰R格利宾著,张广才等译,海南出版社2001年版 34.80元) 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页