量子性的真實與虛渺

專題報導 06/01/2012


理論物理學家聲稱他們證明波函數是真實的物理型態。

根據量子力學,波函數(wave function)決定了量子性粒子各種特性量測結果的機率。它的哲學地位曾引起許多主觀的情緒化辯論,不過如今似乎再也不是如此了。某篇聲稱以數學方法呈現波函數真實性的論文的預印版於二○一一年十一月首次刊登,在網路上引發了轟轟烈烈的討論,有人如同追星族般熱切跟風,也有人從頭到尾報以尖酸刻薄的評語。

儘管如此,這篇文章被某些人視為過去幾十年來最重要的一篇探討量子力學基礎的論文之一,並已在上個月(譯註:二○一二年五月六日)發表,讓一度擔心會違反《自然》雜誌禁止事項的該文作者首次公開呈現他的研究成果。作者聲稱他們用數學得到了毋庸置疑的結果,即波函數不僅僅是一種統計學工具,而是一個量子系統真實且客觀存在的型態。「人們受到情感驅使辯護自己的立場,但是論點卻都含糊不清,」作者之一的皇家哈洛威學院物理學家巴瑞特(Jonathan Barret)如是說。「應該要有個定理才是」。

這些作者背後有重量級的靠山:奧地利籍的量子力學先驅者薛汀格(Erwin Schrödinger)的見解和他們相同。他曾提出著名的思想實驗:一隻符合量子力學的貓可以同時既是死的又是活的。但是其他的物理學家偏好愛因斯坦(Albert Einstein)主張的相反論點:波函數只反應了實驗人員對該系統的片面理解。在這個闡釋裡,這隻貓或者是死的,或者是活的,只是實驗人員無從確認。許多物理學家和哲學家認為,這個「認識論」的闡釋能夠較好地描述波函數的塌縮,即一個量子態由於受到量測而徹底轉變的現象。

巴瑞特和他同事的研究方法是來自於貝爾(John Bell)。貝爾在一九六四曾證明量子力學蘊含另一個違背直覺的結果:對一顆粒子的量測行為會以比光更快的速度傳遞至另一顆粒子,影響其型態。貝爾採用的是反證法:他先建立一個不含超光速傳遞影響力的理論,再證明該理論無法重現量子力學的預測結果。巴瑞特和他同事採用類似的手法,假設波函數缺乏一個系統物理態的某些知識,再證明此一波函數無法得到相同的預測結果。由於量子力學的預測結果正確性極高,這個定理顯示,該認識論性質的理論是錯誤的。「我希望這個定理足以和貝爾的定理並列,」巴瑞特說。
立足現實
該論文的另一位作者、倫敦帝國學院物理學家魯道夫(Terry Rudolph)表示,如果波函數只是反映了實驗者本身的不確定性,則不同的波函數有可能體現同樣的底層真實。魯道夫以六面骰舉例:可以製作一顆骰子,讓它擲出偶數二、四、六的機率分別是三分之一,或是擲出質數二、三、五的機率各是三分之一,兩種骰子擲出二的機率相同,即是說以兩種骰子建立的真實狀態相同。然而,這些作者表示,一個真實狀態不可能有不同的量子態。

不過,他們的定理倚賴於一個爭議性的假設:量子系統含有一個客觀的底層真實物理態。正在發展一套量子力學的認識論闡述的加拿大滑鐵盧普里美特研究所物理學家福克斯(Christopher Fuchs)說他已經迴避了這些作者排除的闡述方式。他認為波函數應該是表現了實驗者忽略的測量結果,而非底層的物理真實,而此一新定理並未排除這個可能。
進行量子資訊研究工作的倫敦大學學院物理學家里佛(Matt Leifer)仍然認為,這個理論把一個巨大的問題簡潔地解決了。他也認為這最終會和被拿來應用在量子資訊理論和密碼學上的貝爾定理一樣有用。「還沒有人想到這有什麼實際用途,不過如果真有一個,我不會覺得驚訝,」他說。

這個定理和量子力學不相容,因此引發了更深一層的問題:量子力學可能是錯的嗎?每個人都認為它至高無上,但是總是有可能推翻它。巴瑞特因此正和實驗學家確認他們的理論與對立的認識論觀點的預測結果可能有所不同的地方。「我們不覺得量子力學會在這個測試中出差錯,但是我們還是該試試。」他說。
【知識通訊評論月刊一一六期】2012.06.01

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