《上帝掷骰子吗 网络作家》

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上帝掷骰子吗 网络作家- 第51节


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  更不可原谅的是,玻姆在不惜一切代价地地恢复了世界的实在性和决定性之后,却放弃了另一样同等重要的东西:定域性(locality)。定域性指的是,在某段时间里,所有的因果关系都必须维持在一个特定的区域内,而不能超越时空来瞬间地作用和传播。简单来说,就是指不能有超距作用的因果关系,任何信息都必须以光速这个上限而发送,这也就是相对论的精神!但是在玻姆那里,他的量子势可以瞬间把它的触角伸到宇宙的尽头,一旦在某地发生什么,其信息立刻便传达到每一个电子耳边。如果玻姆的理论成立的话,超光速的通讯在宇宙中简直就是无处不在,爱因斯坦不会容忍这一切的!
  但是,玻姆他的确打破了因为冯诺伊曼的错误而造成的坚冰,至少给隐变量从荆棘中艰难地开辟出了一条道路。不管怎么样,隐变量理论在原则上毕竟是可能的,那么,我们是不是至少还保有一线希望,可以发展出一个完美的隐变量理论,使得我们在将来的某一天得以同时拥有一个确定、实在,而又拥有定域性的温暖世界呢?这样一个世界,不就是爱因斯坦的终极梦想吗?
  1928年7月28日,距离量子论最精彩的华章——不确定性原理的谱写已经过去一年有余。在这一天,约翰?斯图尔特?贝尔(johnstewartbell)出生在北爱尔兰的首府贝尔法斯特。小贝尔在孩提时代就表现出了过人的聪明才智,他在11岁上向母亲立志,要成为一名科学家。16岁时贝尔因为尚不够年龄入读大学,先到贝尔法斯特女王大学的实验室当了一年的实习工,然而他的才华已经深深感染了那里的教授和员工。一年后他顺理成章地进入女王大学攻读物理,虽然主修的是实验物理,但他同时也对理论物理表现出非凡的兴趣。特别是方兴未艾的量子论,它展现出的深刻的哲学内涵令贝尔相当沉迷。
  贝尔在大学的时候,量子论大厦主体部分的建设已经尘埃落定,基本的理论框架已经由海森堡和薛定谔所打造完毕,而玻尔已经为它作出了哲学上最意味深长的诠释。20世纪物理史上最激动人心的那些年代已经逝去,没能参予其间当然是一件遗憾的事,但也许正是因为这样,人们得以稍稍冷静下来,不致于为了那伟大的事业而过于热血沸腾,身不由己地便拜倒在尼尔斯?玻尔那几乎不可抗拒的个人魔力之下。贝尔不无吃惊地发现,自己并不同意老师和教科书上对于量子论的正统解释。海森堡的不确定性原理——它听上去是如此具有主观的味道,实在不讨人喜欢。贝尔想要的是一个确定的,客观的物理理论,他把自己描述为一个爱因斯坦的忠实追随者。
  毕业以后,贝尔先是进入英国原子能研究所(aere)工作,后来转去了欧洲粒子中心(cern)。他的主要工作集中在加速器和粒子物理领域方面,但他仍然保持着对量子物理的浓厚兴趣,在业余时间里密切关注着它的发展。1952年玻姆理论问世,这使贝尔感到相当兴奋。他为隐变量理论的想法所着迷,认为它恢复了实在论和决定论,无疑迈出了通向那
  个终极梦想的第一步。这个终极梦想,也就是我们一直提到的,使世界重新回到客观独立
  ,优雅确定,严格遵守因果关系的轨道上来。贝尔觉得,隐变量理论正是爱因斯坦所要求的东西,可以完成对量子力学的完备化。然而这或许是贝尔的一厢情愿,因为极为讽刺的是,甚至爱因斯坦本人都不认同玻姆!
  不管怎么样,贝尔准备仔细地考察一下,对于德布罗意和玻姆的想法是否能够有实际的反驳,也就是说,是否真如他们所宣称的那样,对于所有的量子现象我们都可以抛弃不确定性,而改用某种实在论来描述。1963年,贝尔在日内瓦遇到了约克教授,两人对此进行了深入的讨论,贝尔逐渐形成了他的想法。假如我们的宇宙真的是如爱因斯坦所梦想的那样,它应当具有怎样的性质呢?要探讨这一点,我们必须重拾起爱因斯坦昔日与玻尔论战时所提到的一个思想实验——epr佯谬。
  要是你已经忘记了epr是个什么东西,可以先复习一下我们史话的8…4。我们所描述的实际上是经过玻姆简化过的epr版本,不过它们在本质上是一样的。现在让我们重做epr实验:一个母粒子分裂成向相反方向飞开去的两个小粒子a和b,它们理论上具有相反的自旋方向,但在没有观察之前,照量子派的讲法,它们的自旋是处在不确定的叠加态中的,而爱因斯坦则坚持,从分离的那一刻起,a和b的状态就都是确定了的。
  我们用一个矢量来表示自旋方向,现在甲乙两人站在遥远的天际两端等候着a和b的分别到来(比方说,甲在人马座的方向,乙在双子座的方向)。在某个按照宇宙标准时间所约好了的关键时刻(比方说,宇宙历767年8月12日9点整,听起来怎么像银英传,呵呵),两人同时对a和b的自旋在同一个方向上作出测量。那么,正如我们已经讨论过的,因为要保
  持总体上的守恒,这两个自旋必定相反,不论在哪个方向上都是如此。假如甲在某方向上测量到a的自旋为正(+),那么同时乙在这个方向上得到的b自旋的测量结果必定为负(…)
  !
  换句话说,a和b——不论它们相隔多么遥远——看起来似乎总是如同约好了那样,当a是+的时候b必定是…,它们的合作率是100%!在统计学上,拿稍微正式一点的术语来说,(a+,b…)的相关性(correlation)是100%,也就是1。我们需要熟悉一下相关性这个概念,它是表示合作程度的一个变量,假如a和b每次都合作,比如a是+时b总是…,那么相关性就达到最大值1,反过来,假如b每次都不和a合作,每当a是+是b偏偏也非要是+,那么(a+,b…)的相关率就达到最小值…1。当然这时候从另一个角度看,(a+,b+)的相关就是1了。要是b不和a合作也不有意对抗,它的取值和a毫无关系,显得完全随机,那么b就和a并不相关,相关性是0。
  在epr里,不管两个粒子的状态在观测前究竟确不确定,最后的结果是肯定的:在同一个方向上要么是(a+,b…),要么是(a…,b+),相关性是1。但是,这是在同一方向上,假设在不同方向上呢?假设甲沿着x轴方向测量a的自旋,乙沿着y轴方向测量b,其结果的相关率会是如何呢?冥冥中一丝第六感告诉我们,决定命运的时刻就要到来了。
  实际上我们生活在一个3维空间,可以在3个方向上进行观测,我们把这3个方向假设为x,y,z。它们并不一定需要互相垂直,任意地取便是。每个粒子的自旋在一个特定的方向无非是正负两种可能,那么在3个方向上无非总共是8种可能(把每个方向想像成一根爻,那么组合结果无非是8个卦)。
  xyz
  +++
  ++
  +…+
  +
  …++
  …+
  ……+
  
  对于a来说有8种可能,那么对于a和b总体来说呢?显然也是8种可能,因为我们一旦观测了a,b也就确定了。如果a是(+,+,…),那么因为要守恒,b一定是(…,…,+)。
  现在让我们假设量子论是错误的,a和b的观测结果在分离时便一早注定,我们无法预测,只不过是不清楚其中的隐变量究竟是多少的缘故。不过没关系,我们假设这个隐变量是h,它可以取值1…8,分别对应于一种观测的可能性。再让我们假设,对应于每一种可能性,其出现的概率分别是n1,n2……一直到n8。现在我们就有了一个可能的观测结果的总表:
  axayazbxbybz出现概率
  +++………n1
  ++………+n2
  +…+…+…n3
  +………++n4
  …+++……n5
  …+…+…+n6
  ……+++…n7
  ………+++n8
  上面的每一行都表示一种可能出现的结果,比如第一行就表示甲观察到a在x,y,z三个方向上的自旋都为+,而乙观察到b在3个方向上的自旋相应地均为…,这种结果出现的可能性是n1。因为观测结果8者必居其一,所以n1+n2+…+n8=1,这个各位都可以理解吧?
  现在让我们运用一点小学数学的水平,来做一做相关性的练习。我们暂时只察看x方向,在这个方向上,(ax+,bx…)的相关性是多少呢?我们需要这样做:当一个记录符合两种情况之一:当在x方向上a为+而b同时为…,或者a不为+而b也同时不为…,如果这样,它便符合我们的要求,标志着对(ax+,bx…)的合作态度,于是我们就加上相应的概率。相反,如果在x上a为+而b也同时为+,或者a为…而b也为…,这是对(ax+,bx…)组合的一种破坏和抵触,我们必须减去相应的概率。
  从上表可以看出,前4种可能都是ax为+而bx同时为…,后4种可能都是ax不为+而bx也不为…,所以8行都符合我们的条件,全是正号。我们的结果是n1+n2+…+n8=1!所以(ax+,bx…)的相关是1,这毫不奇怪,我们的表本来就是以此为前提编出来的。如果我们要计算(ax+,bx+)的相关,那么8行就全不符合条件,全是负号,我们的结果是…n1
  n2………n8=…1。
  接下来我们要走得远一点,a在x方向上为+,而b在y方向上为+,这两个观测结果的相关性是多少呢?现在是两个不同的方向,不过计算原则是一样的:要是一个记录符合ax为+以及by为+,或者ax不为+以及by也不为+时,我们就加上相应的概率,反之就减去。让我们仔细地考察上表,最后得到的结果应该是这样的,用pxy来表示:pxy=…n1…n2+n3+n4+n5+n6…n7…n8
  嗯,蛮容易的嘛,我们再来算算pxz,也就是ax为+同时bz为+的相关:pxz=…n1+n2…n3+n4+n5…n6+n7…n8
  再来,这次是pzy,也就是az为+且by为+:
  pzy=…n1+n2+n3…n4…n5+n6+n7…n8
  好了,差不多了,现在我们把玩一下我们的计算结果,把pxz减去pzy再取绝对值:|pxz…pzy|=|…2n3+2n4+2n5…2n6|=2|n3+n4…n5…n6|
  这里需要各位努力一下,超越小学数学的水平,回忆一下初中的知识。关于绝对值,我们有关系式|x…y|≤|x|+|y|,所以套用到上面的式子里,我们有:|pxz…pzy|=2|n3+n4…n5…n6|≤2(|n3+n4|+|n5+n6|)
  因为所有的概率都不为负数,所以2(|n3+n4|+|n5+n6|)=2(n3+n4+n5+n6)。最后,我们还记得n1+n2+…+n8=1,所以我们可以从上式中凑一个1出来:2(n3+n4+n5+n6)=1+(…n1…n2+n3+n4+n5+n6…n7…n8)
  看看我们前面的计算,后面括号里的一大串不正是pxy吗?所以我们得到最终的结果:
  |pxz…pzy|≤1+pxy
  恭喜你,你已经证明了这个宇宙中最为神秘和深刻的定理之一。现在放在你眼前的,就是名垂千古的“贝尔不等式”。它被人称为“科学中最深刻的发现”�
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