粒子会不会一直就在某处?
有些人就是无法接受“粒子在被测量之前没有位置”。在他们看来,自然的想法是:电子分明一直就在某个地方,而量子力学的概率不过反映了我们对“在哪儿”的无知——正如纸牌游戏中的赔率反映的是我们对洗过的牌的无知,而非纸牌本身有任何真正的模糊。这一直觉,正是导波理论的种子;它最早由路易·德布罗意于 1927 年勾勒,又由戴维·玻姆于 1952 年复活并完成。它的现代形式常被称为玻姆力学。
这幅图景,归根结底,是一种令人安心的老派图景。存在着真实的粒子——一个个小点——每一个在每一瞬都拥有完全确定的位置,沿着空间中唯一一条确定的轨迹运动,就像一块被抛出的石头那样。没有什么会同时身处两地。世界就是由这些小点及其运动构成的。在叠加与坍缩令人晕眩之后,这感觉就像回到了寻常物体的家。玄机在于:是什么让粒子运动起来。
那道引导的波
在这个理论里,波函数既不是概率云,也不是一个会坍缩的东西——它是一道真实的、物理的导波,弥漫于空间,推着粒子前行,就像一道海浪托着一块漂浮的软木塞那样。波本身严格服从那条寻常的平滑方程,永远不发生坍缩。与此同时,粒子被波通过一条精确的“引导方程”带着走:波的纹样流向哪里,粒子就被轻推着跟向哪里。两种成分,干净地分开:一道永不坍缩的引导波,以及一个骑在它上面的真实点粒子。
且看它多么优雅地化解了双缝实验。粒子是真实的,所以它只穿过一道缝、且仅一道——“走了哪道缝”始终有一个事实。但它的导波两道缝都穿过,在另一侧与自己干涉,发展出一片有波峰与波谷的涟漪纹样。粒子在这涟漪般的波上“冲浪”,被引向波峰、避开波谷。发射许多粒子,每个都从一个你事先无法知晓、略有不同的起点出发,它们便恰好堆成那些干涉条纹——一次一个确定的落点,一点点垒起来。没有悖论:单个粒子走单一路径,而引导它的那道波,却知道两道缝的存在。
代价:诡异的、瞬时的关联
那么,我们是不是免费就找回了一个合情合理、决定论的世界?也不尽然——每一种诠释都要收取它的过路费,而导波理论的过路费既高昂又无可回避。引导一群粒子的那道导波,并不住在寻常的三维空间里;它住在一个广袤而抽象的空间中,那里为每一个粒子都设有一个维度。其实际后果直截了当:这道波把所有粒子一下子连在一起,所以在这里轻轻晃动一个粒子,就能瞬间影响远处一个伙伴粒子的运动,没有延迟,也没有任何信号在它们之间传递。这个理论无可回避、且明明白白地是非定域的。
在把这斥为致命缺陷之前,请看让导波理论保有尊严的那个转折:这种非定域性并非可有可无。约翰·贝尔一项著名的结果证明:任何把确定值还给粒子的理论——就像这些隐变量所提供的那样——都必须是非定域的,才能与实验相符;而实验已经决定性地证实了量子的预测。所以导波理论并非笨拙;它只是把整个量子力学暗中共有的那份非定域性,明晃晃地戴在了袖口上。它并没有添加诡异——它只是把那份始终都在的诡异,摊开给你看。
它解决了什么,又花掉了什么
导波理论最大的馈赠,是它彻底化解了测量难题。从来没有什么特殊的“测量”,没有魔法般的坍缩,没有又死又活的猫。所谓测量,不过是一次寻常的相互作用,其中仪器的粒子最终落入了某一个确定的位形——因为它们一向就有确定的位置。猫自始至终要么活着要么死了;你只是不知道是哪一种罢了。对于任何渴望“一个无论我们看不看都确定存在着的世界”的人,这是深深令人满足的。
代价是真实的,值得诚实地点明。这个理论带着两种成分,而对手们只带一种——既有波又有粒子——有人觉得这不够优雅。它把位置单独挑出来,当作那个特殊的、永远确定的量,对它的处理与对动量或自旋的处理不同。而且,要把它干净地推广到主宰高能粒子的相对论性场论物理,历来颇为别扭,尽管相关工作仍在继续。即便如此,导波理论仍当之无愧地占有一席之地:它是一套完全成形、彻底决定论的理论,能重现每一项量子预测——它活生生地证明,只要你愿意以非定域性为代价,量子世界确实可以被讲成一个“真实之物沿着真实路径运动”的故事。