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導波與隱藏的秩序

德布羅意與玻姆的圖景恢復了老派的實在論:粒子始終擁有確定的位置、沿著確定的路徑運動,被一道真實的引導波溫和地操控。隨機性,僅僅是我們的無知。

粒子會不會一直就在某處?

有些人就是無法接受「粒子在被測量之前沒有位置」。在他們看來,自然的想法是:電子分明一直就在某個地方,而量子力學的機率不過反映了我們對「在哪兒」的無知——正如紙牌遊戲中的賠率反映的是我們對洗過的牌的無知,而非紙牌本身有任何真正的模糊。這一直覺,正是導波理論的種子;它最早由路易·德布羅意於 1927 年勾勒,又由戴維·玻姆於 1952 年復活並完成。它的現代形式常被稱為玻姆力學

這幅圖景,歸根結底,是一種令人安心的老派圖景。存在著真實的粒子——一個個小點——每一個在每一瞬都擁有完全確定的位置,沿著空間中唯一一條確定的軌跡運動,就像一塊被拋出的石頭那樣。沒有什麼會同時身處兩地。世界就是由這些小點及其運動構成的。在疊加與坍縮令人暈眩之後,這感覺就像回到了尋常物體的家。玄機在於:是什麼讓粒子運動起來。

那道引導的波

在這個理論裡,波函數既不是機率雲,也不是一個會坍縮的東西——它是一道真實的、物理的導波,瀰漫於空間,推著粒子前行,就像一道海浪托著一塊漂浮的軟木塞那樣。波本身嚴格服從那條尋常的平滑方程,永遠不發生坍縮。與此同時,粒子被波透過一條精確的「引導方程」帶著走:波的紋樣流向哪裡,粒子就被輕推著跟向哪裡。兩種成分,乾淨地分開:一道永不坍縮的引導波,以及一個騎在它上面的真實點粒子。

且看它多麼優雅地化解了雙縫實驗。粒子是真實的,所以它只穿過一道縫、且僅一道——「走了哪道縫」始終有一個事實。但它的導波兩道縫都穿過,在另一側與自己干涉,發展出一片有波峰與波谷的漣漪紋樣。粒子在這漣漪般的波上「衝浪」,被引向波峰、避開波谷。發射許多粒子,每個都從一個你事先無法知曉、略有不同的起點出發,它們便恰好堆成那些干涉條紋——一次一個確定的落點,一點點壘起來。沒有悖論:單個粒子走單一路徑,而引導它的那道波,卻知道兩道縫的存在。

代價:詭異的、瞬時的關聯

那麼,我們是不是免費就找回了一個合情合理、決定論的世界?也不盡然——每一種詮釋都要收取它的過路費,而導波理論的過路費既高昂又無可回避。引導一群粒子的那道導波,並不住在尋常的三維空間裡;它住在一個廣袤而抽象的空間中,那裡為每一個粒子都設有一個維度。其實際後果直截了當:這道波把所有粒子一下子連在一起,所以在這裡輕輕晃動一個粒子,就能瞬間影響遠處一個夥伴粒子的運動,沒有延遲,也沒有任何信號在它們之間傳遞。這個理論無可迴避、且明明白白地是非定域的。

在把這斥為致命缺陷之前,請看讓導波理論保有尊嚴的那個轉折:這種非定域性並非可有可無。約翰·貝爾一項著名的結果證明:任何把確定值還給粒子的理論——就像這些隱變量所提供的那樣——都必須是非定域的,才能與實驗相符;而實驗已經決定性地證實了量子的預測。所以導波理論並非笨拙;它只是把整個量子力學暗中共有的那份非定域性,明晃晃地戴在了袖口上。它並沒有添加詭異——它只是把那份始終都在的詭異,攤開給你看。

它解決了什麼,又花掉了什麼

導波理論最大的饋贈,是它徹底化解了測量難題。從來沒有什麼特殊的「測量」,沒有魔法般的坍縮,沒有又死又活的貓。所謂測量,不過是一次尋常的相互作用,其中儀器的粒子最終落入了某一個確定的位形——因為它們一向就有確定的位置。貓自始至終要麼活著要麼死了;你只是不知道是哪一種罷了。對於任何渴望「一個無論我們看不看都確定存在著的世界」的人,這是深深令人滿足的。

代價是真實的,值得誠實地點明。這個理論帶著兩種成分,而對手們只帶一種——既有波又有粒子——有人覺得這不夠優雅。它把位置單獨挑出來,當作那個特殊的、永遠確定的量,對它的處理與對動量或自旋的處理不同。而且,要把它乾淨地推廣到主宰高能粒子的相對論性場論物理,歷來頗為彆扭,儘管相關工作仍在繼續。即便如此,導波理論仍當之無愧地佔有一席之地:它是一套完全成形、徹底決定論的理論,能重現每一項量子預測——它活生生地證明,只要你願意以非定域性為代價,量子世界確實可以被講成一個「真實之物沿著真實路徑運動」的故事。