三十年的“反对衡量”

摘自2020年12月的《物理学世界》。物理研究所的成员可以通过Physics World应用程序欣赏完整的期刊。

尽管取得了许多成功，物理学家仍在努力确定对量子力学的连贯解释，因为它最能代表“现实”。吉姆·巴格特（Jim Baggott）探索了约翰·贝尔（John Bell）三十年前首次提出的论点，并考察了自那时以来积累的理论和实验证据。

“当然，在62年之后，我们应该对量子力学的某些重要部分做出精确的表述吗？”北爱尔兰著名物理学家约翰·贝尔（John Bell）在他的《物理学世界》文章“反对'测量'”的开篇中写道。贝尔的文章于1990年8月发表，就在他62岁那年去世的前两个月，概述了他的担忧。正如他进一步解释的那样，“我所说的“确切”当然不是“完全正确”。我的意思是，理论应完全用数学术语表述，而理论物理学家则无权决定……除非在应用中需要可行的近似值。”

尽管贝尔大部分时间都是理论粒子物理学家，并在日内瓦CERN实验室从事加速器设计工作，但如今，他以对探测量子力学意义的深层基础问题的贡献而闻名。在首次提出该理论后近一个世纪，物理学家之间仍未就该理论的解释达成共识。理查德·费曼（Richard Feynman）著名地宣称：“我可以肯定地说，没有人理解量子力学。”这是对一个基础理论的非同寻常的承认，该基础理论使我们对现代物理学有了很多理解。

实际上，始于1927年的关于量子力学解释的争论一直持续到今天。围绕两大主要人物Niels Bohr和Albert Einstein的观点，它变得两极分化。本质上，这是关于该理论中心概念量子波函数的含义的辩论，量子波函数是对系统量子状态的数学描述，其中包含了所有可测量的信息。

玻尔认为，波函数不应被视为真实物理系统真实物理状态的字面表示。尽管他承认其在解决量子问题中的重要性和意义，但他坚持认为“但是必须认识到，我们在这里处理的是纯粹的象征性程序，对它的明确的物理解释必须在最后引用。实验性安排”（《关于原子物理学和人类知识的论文1958年至1962年，威利科学与技术》）。确实，他被引述有名：“没有量子世界。只有一个抽象的量子物理描述。”

对于玻尔来说，量子形式主义是一种“纯粹的象征性程序”，它使我们能够利用过去的测量经验来预测未来的测量结果。基于这种理解，所有的测量都是经典的，因为这是我们可以直接体验的唯一物理学。但是，研究对象的量子性质意味着，设备及其设置方式决定了我们可以观察到的东西。通过一种设备，我们可以选择观察电子“束”的波状性质。使用另一种设备，我们可以选择观察单个电子的粒子状性质。这些是互斥的，这不是因为我们缺乏构思同时暴露两种行为的设备的独创性，而是因为这种设备简直是不可想象的。

根据玻尔的说法，我们不能做的就是超越这些补充性描述，并说不观察电子时实际上是什么。这就是所谓的“哥本哈根解释”，以玻尔理论物理研究所的所在地命名。在哥本哈根诠释的一般主题上的这一变体和其他变体实质上是“反现实主义者”。这并不意味着这种解释否认了客观现实的存在，也否认了诸如电子之类的“隐形”实体的存在。这意味着这些实体的理论表示不应该从字面上理解。

爱因斯坦对此深感不安。正如美国物理学家戴维·鲍姆（David Bohm）在1987年的一次采访中解释的那样，“重点是您是否可以获得对现实的独特描述。爱因斯坦对科学家的看法是普通的，而玻尔则说不可能。玻尔说，您天生就局限于对实验条件和结果使用古典语言，并且量子的符号数学描述……[爱因斯坦]不接受玻尔的方法可以作为最终方法，玻尔坚持认为它是。”

玻尔与爱因斯坦之间的交流是科学史上最具戏剧性的交流。相对较现代的民间历史讲述这场辩论的故事，将玻尔描绘成一个颇有教条的霸王，在物理学界注视下，对老年的爱因斯坦不屑一顾，在场外欢呼。故事说，玻尔在辩论中的胜利帮助将哥本哈根的解释确立为一种新的福音，毫无疑问或受到挑战地被接受。爱因斯坦称其为“宁静的哲学”。

确实，爱因斯坦对哥本哈根的解释感到非常不自在，因为在进行测量之前，它甚至不允许我们定义一个确定的属性值。 1935年，爱因斯坦在普林斯顿大学期间与同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen）（统称为EPR）合作，向玻尔的方向投掷了他的最后一枚手榴弹。这三人基于创建一对量子粒子（例如一对电子）的想法而开发了一项gedanken实验，该量子粒子的性质（例如“上”和“下”）是“纠缠的”。

量子力学禁止我们预先知道要测量哪个粒子具有哪个属性，但是我们确实知道它们的属性将相关：如果一个粒子被测量为“向上”，则另一个粒子必须“向下”，反之反之亦然。假设我们让粒子移动一段较大的距离，然后测量其中一个粒子的属性，以发现其“向下”。这意味着我们已经（同时）立即发现了另一个粒子的属性-它必须是“向上”的-而不以任何方式干扰它。

如果我们将波函数解释为粒子的真实属性的表示，那么在我们对其中一个进行测量之前，量子力学中没有什么可以告诉我们这些是什么。似乎第二个粒子的属性然后由我们选择对完全不同的粒子进行的测量来确定，该距离可以任意长。测量以某种方式导致波函数“崩溃”，并且纠缠的粒子似乎在远距离上以比光更快的速度相互影响。爱因斯坦的狭义相对论严格禁止这样做。的确，爱因斯坦对这种明显的“遥远的诡异行动”感到非常担忧，而EPR认为“对现实的合理定义不可能允许这一点”。

然而，就玻尔而言，EPR gedanken实验中没有什么需要进一步解释的。无论遥远的纠缠粒子之间的关联看起来多么神秘，我们都只能知道被测量粒子的性质。对玻尔来说，错误是从字面上考虑了波动函数。因为波函数不是真实的，所以在远处没有“崩溃”并且没有诡异的动作。量子力学已经完成，没有什么可说的了。

但是，为什么不仅仅假定粒子的属性是在它们相互作用或创建时确定的，然后一直保持这些属性呢？当然，量子力学中没有什么可以解释这一点。但是，如果我们想象在量子形式主义之下，存在某种“隐藏”的物理机制，就像热力学性质是由原子和分子的“隐藏”运动所决定的，那会发生什么呢？的确，爱因斯坦及其同事用他们的悖论来指出量子力学因此必须是不完整的，尽管他们没有提出如何完成量子力学的问题。

尽管爱因斯坦不满，但仍被认为是玻尔赢得了辩论，随着时间的流逝，人们的注意力不可避免地从无休止的论点转移到了有关量子力学含义的争论上，而转向了与它的应用有关的更多实际问题。这些要求发明新的数学技术，而不是无休止地对理论的意义进行哲学的梳理。到1949年，哥本哈根的解释已成为普遍漠不关心或缺乏兴趣的代名词。

那些不愿在解释问题上麻烦自己的物理学家会朝着标准学生教科书的一般方向摇摆，只是耸了耸肩。但是对于无尽的好奇，在这些书中几乎找不到答案。例如，伦纳德·希夫（Leonard Schiff）的《量子力学》于1949年首次出版，该书通过20年的三个版本，在北美，欧洲和亚洲为该理论的教学提供了参考。它带有哥本哈根解释的一个相当混乱的版本，并没有满足年轻贝尔的好奇，然后在北爱尔兰贝尔法斯特女王大学的本科学习的最后一年。希夫对量子力学中测量的简短介绍使贝尔得出结论，玻尔“令人讨厌地模糊”，并且“对于玻尔来说，缺乏精确度似乎是一种美德”。

当贝尔开始职业物理学家的生涯时，社区的冷漠已发展成一种完全的敌意。关于量子力学的含义的问题在主流物理学中不再占有一席之地。贝尔在1981年的一篇论文中总结了这种总体情绪，他写道：“借助必需品……许多人不仅发现很难找到连贯的图画，而且寻找其中的一幅画是错误的–如果这实际上不道德，那肯定不专业”（Journal Physique Colloques 42 C2 41）。

贝尔反对这些“闭嘴计算”的时代潮流，决定采用爱因斯坦最初陷入困境的宽松思路。 1964年，他证明了用基于“隐藏变量”的系统来补充标准量子形式主义的任何尝试都会产生一种理论，该理论不可避免地做出与标准量子力学的预测不相容的预测（Physics 1 195）。他用“不行”定理和数值不等式总结了这种不相容性，这被称为贝尔不等式。

如果我们假设粒子在物理上是可分离的（所谓的“爱因斯坦可分离”或“局部实在”），然后试图在它们的特性之间建立因果关系，则会产生这些约束。标准的形式主义更加慷慨大方，限制更少：它不在乎我们认为应该如何组织现实并预测违反贝尔不平等现象的结果。贝尔定理指出：“如果[隐藏变量]扩展是局部的，它将不会与量子力学相一致；如果它与量子力学的相抵触，它将不会是局部的。”

结论是不可避免的。假设纠缠的粒子一直都具有固定的特性是行不通的。如果我们假设这一点，那么我们的预测将与标准量子力学的预测相抵触。贝尔提供了直接的实验测试。 1982年，巴黎大学的Alain Aspect及其同事报道的实验毫无疑问地证实了对贝尔不等式的违反，正如先前在其他早期测试中所指出的那样（物理评论，Lett。49 91）。标准的形式主义，尽管有其随便的冷漠和难以言喻的态度，却是绝对正确的。仍然存在一些“漏洞”，但是对于那些希望局部隐藏变量可以提供简单方法的人来说，结果是沉重的打击。

在寻找量子力学意义的百年历史中，从1980年代初到1990年代初是一个清醒的时期。贝尔在1984年5月接受BBC Radio 3纪录片广播采访时，希望Aspect实验不会结束。他说：“我认为，必须继续探索量子力学的含义，而且无论我们是否同意这是值得的，它实际上都将继续下去，因为许多人对此深深着迷并为之着迷。继续。”

贝尔在他的《物理学世界》文章中加倍介绍了与正统有关的问题，即对量子测量过程的默认解释。他反对物理学家，例如保罗·狄拉克（Paul Dirac）以及社区中的其他人，他们对漠不关心的态度表示了冷漠，即使不是完全敌对，这种怀疑对于在所有实际目的中都可以证明是有效的理论的意义（指的是“为什么要打扰” ”）。他还揭露了一些关于量子测量的混乱且常常相互矛盾的描述，这些描述可以在一些“好书”中找到。

贝尔在本文中没有任何地方明确提及哥本哈根的解释。但是，他对玻尔的批评（或者至少是对玻尔的各种解释，以及通过协会的负罪感，对哥本哈根的批评）是显而易见的。他拒绝了Nico van Kampen的“关于量子力学测量的十个定理”（Physica A 153 97）中表达的观点，该观点的第四个定理指出“赋予[量子波函数]比计算可观察现象所需的意义更大的原因”对于后果。”我认为，这主要是贝尔反对的。从表面上接受这一程序使我们不得不抵制提出的诱惑：但是自然实际上是如何做到的呢？像发生不幸事故时的紧急服务人员一样，玻尔建议我们继续前进，因为这里没有什么可看的。还有摩擦。如果不帮助我们理解物理世界，科学理论的目的是什么？我们想阻碍现实。

如果不帮助我们理解物理世界，科学理论的目的是什么？

贝尔在他的文章中写道：“关于量子力学，这是我们最基本的物理理论，甚至只关于实验结果的想法仍然令人失望”。他补充说：“目标仍然是：了解世界。将量子力学限制为仅用于实验室操作是背叛了伟大的企业。”在量子力学的框架内实现这一目标的唯一方法是更真实地利用波函数。贝尔并不是那么“反对测量”。他反对反现实主义者的解释，在反解释主义者的解释中，将量子形式论应用于测量过程是“纯粹的象征性程序”，因此“背负了伟大的企业”。

如果实验排除了基于局部隐藏变量的量子力学扩展，那么贝尔认为我们必须接受非局部替代方案，例如基于实数概念的与路易斯·德布罗意和戴维·鲍姆相关的“先导波”理论。由实波场引导的粒子（因此从一开始就在一定距离处接受怪异的动作）。或者，也许我们必须接受有必要引入明确的物理机制来使纠缠的波函数塌陷的需求，正如Giancarlo Ghirardi，Alberto Rimini和Tullio Weber在1980年代末提出的，统称为GRW（Phys。Rev. D 34470）。 GRW理论是一种``自发坍塌''理论，它通过假设波函数在时间和空间上随机塌陷来消除测量和观察者问题。

贝尔有权反对物理学界的冷漠和敌对。反对玻尔明显的模糊性；反对在选择流行文本时出现表述上的矛盾。但是哥本哈根的解释并不是通过接受理性的哲学论证或设计，而是在默认情况下成为教条。博姆（Bohm）在1987年的一次采访中解释说：“每个人都对玻尔（Bohr）口口相传，但没人知道他在说什么。人们随后被洗脑，说玻尔是对的，但是当需要做物理学时，他们在做些不同的事情。这就给物理学带来了混乱。实际上，甚至[Werner] Heisenberg和[Wolfgang] Pauli也没有完全做到Bohr的所作所为。

自从贝尔在本杂志上发表文章以来的三十年中，我们目睹了一系列旨在解决基础量子物理学问题的非凡实验。这些实验的结果明确地证明了标准的量子力学形式主义优于基于局部和所谓的“密码”非局部隐藏变量的扩展。在实践中，贝尔的不平等和物理学家安东尼·莱格特（Anthony Leggett）在2003年设计的进一步不平等（仅依靠现实主义，部分放宽了对局部性的依赖）都遭到了侵犯。关于纠缠三元组的光子的实验已经排除了局部隐藏变量，而不求助于贝尔不等式（Nature 403 515）。

毫无疑问，战后对鲍姆，贝尔和其他人提出的基本问题的兴趣逐渐淡化，已经发现了一些本来不会引起注意的显着现象。对纠缠的不断增长的实验理解有助于建立量子信息和量子计算的全新学科。但是，我们不应忽视这样一个简单的事实，即过去50年的所有实验研究都未能证明任何现实主义解释或量子力学扩展的优越性。解释问题仍未决定。我们仍然不知道量子波函数代表什么。

多年来，总的来说，我更喜欢爱因斯坦的现实主义。我拥护贝尔反对哥本哈根正统的做法（我仍然这样做，尽管我认为我现在更了解这种正统的起源和默认性质）。我于1992年出版的第一本关于量子力学的书因其“现实主义的诚实”而受到赞誉。几年前，我接受过实验师的培训，我可以告诉你，在没有强烈相信要进行实验的事物的真实性的情况下，很难进行任何类型的实验。这就是为什么我认为弄清成为“现实主义者”意味着什么从根本上重要的原因。

如果不坚信您要进行实验的事物的真实性，就很难进行任何类型的实验

如果您愿意坐下来反思，将哲学偏见暂时置于一边，您可能准备至少承认物理学的可能性，因为伽利略是我们尝试对我们的编码或加密进行尝试的历史。使用数学语言的世界经验。如果我们能够识别出现在该语言中的概念（例如质量，电荷，动量和能量）以及出现在该世界中的真实事物的真实属性，那么我们就感到满意，我们可以使用这些来解释物理学概念和这种语言。

但是，永远无法保证我们将能够无限期地继续进行此广告。几个世纪以来，哲学家一直在警告我们，我们最终可能会在事物“真实存在”与事物看上去之间达到一个基本的界限。尽管我的主要现实主义者的信念仍然坚定，但近30年来的实验结果以及对我们如何实际使用量子形式主义的一些默默反思，迫使我质疑这种假设。

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