科學論道11

十一、兩個決定性實驗
　　
　　在談到前一個實驗之前，我們必須先介紹一個被稱之為“科學中最深刻的發現”的貝爾不等式，這個不等式的形式是：|Pxz-Pzy|≦1＋Pxy。我們可以不用理會這個不等式的具體含義，也不用管貝爾是怎麼推導出來的，我們只要知道，貝爾為我們提供了一種可能，即直接用實驗數據驗證量子理論。貝爾不等式用數學語言告訴我們，如果我們的世界是經典實在的，那麼不等式成立，反之，則不成立。
　　
　　 貝爾不等式使物理學家們用具體實驗來驗證ERP佯謬成為可能。
　　
　　 ERP佯謬是愛因斯坦和波多爾斯基以及羅森聯合提出的一個思想實驗。天才的愛因斯坦建立了相對論，可是在他內心深處仍然渴望經典實在的世界，這方面他是保守的。為了反駁量子理論，愛因斯坦提出了他的詰難：想像一個大粒子衰變成兩個小粒子反向飛開。如果粒子A自旋為“左”，粒子B便一定是“右”，以保持總體守恆。按照量子理論，在觀測之前，它們的狀態是不確定的，只有一個波函數可以描繪它們。當彼此飛離數光年後，我們開始觀測粒子A，它的波函數坍縮了，瞬間隨機選擇了比如說“左”旋。此時粒子B也必須瞬間成為 “右”旋了。那麼B是如何得知A的狀態呢？難道有超光速信號來回於它們之間？這顯然違背了相對論。
　　
　　 1982年，法國奧賽理論與應用光學研究所的阿斯派克特小組第一次在精確意義上對EPR作出檢驗，這個實驗被命名為阿斯派克特實驗，實驗結果毫無懸念的證明了量子理論的勝利，貝爾不等式不成立！之後若干物理學家多次重復檢驗，結果一致。阿斯派克特系列實驗是20世紀物理史上影響最為深遠的實驗之一，甚至可以和1886年邁克爾遜—莫雷實驗相提並論。
　　
　　面對實驗結果，人們面臨選擇，要麼保留實在性，要麼保留定域性。二者至少必須放棄一樣。如果保留實在性，定域性就必須放棄，這就意味著存在一種物理信號可以超光速傳播。而這與眾多實驗事實驗證過的相對論相矛盾，顯然不可取。那麼保留定域性，放棄實在性呢？這種選擇是痛苦的，大多數人並不表態，也許是默認？因為這似乎是唯一的選擇。的確，這就是目前對量子狀態的一種主流看法，量子處在多種可能性的迭加態。當我們進行觀測行為的時候，幾率波函數塌縮，一種狀態被決定下來。至於這究竟是怎麼發生的，沒有太多人去探究。這個領域像個黑洞，我們只能猜測，真相是什麼，誰也說不清。
　　
　　 如果說阿斯派克特實驗讓人們還保留一些經典世界定域性的希望，那麼下一個實驗——延遲選擇實驗將徹底摧毀人們的這最後一點希望。
　　
　　延遲選擇實驗是美國理論物理學家惠勒在1979年提出的一個思想實驗，這個實驗的基本思路是，用塗著半鍍銀的反射鏡來代替雙縫。一個光子（電子也是一樣）有一半可能通過反射鏡，一半可能被反射，這是一個量子隨機過程。把反射鏡和光子入射途徑擺成45度角(如下圖所示)，那麼它一半可能直飛，另一半可能被反射成90度角。但是，我們可以通過另外的全反射鏡，把這兩條分開的岔路再交彙到一起。在終點觀察光子飛來的方向，我們可以確定它究竟是沿著哪一條道路飛來的，如果檢測器1在響，說明光子經由直飛的ADB線路傳播過來，如果檢測器2在響，說明光子經由反射的ACB線路傳播過來。但是，我們也可以在終點B處再插入一塊呈45度角的半鍍銀反射鏡，這樣，兩束光線將重新組合，這會引起波的干涉效應，於是，進入1和2的光束強度分別與兩束光在組合點處的相對位相有關。這些位相能通過調整光程長度而改變。特別地，可能這樣安排位相，使得互相干涉導致進入1的光強為零，100％的光進入2。
　　
　　
　　按照保留定域性的量子理論觀點，如果不插入第二塊半鍍銀鏡B，那麼光子經由確定的線路ACB或者線路ADB傳播，最終在檢測器1或檢測器2處得到光子的信號。如果插入第二塊半鍍銀鏡B，我們觀測手段發生改變，光子立即以量子迭加態同時經兩條線路穿過B並發生干涉。總之，如果我們不在終點處插入半反射鏡，光子就沿著某一條道路而來，反之它就同時經過兩條道路。現在，關鍵點是第二塊半鍍銀鏡B插入還是不插入，這個決定可以延遲作出，直到一個確定的光子已經快要到達終點時才決定。這樣，我們可以在事情發生後再來決定它應該怎樣發生！這是與定域性直接相違背的。
　　
　　 在提出這個設想5年後，馬裡蘭大學的卡洛爾.阿雷（Carroll Alley）和其同事做了延遲實驗，驗證了惠勒的這一設想。與此同時慕尼黑大學也作出了類似結果。
　　
　　延遲選擇實驗甚至在宇宙尺度上也具有可操作性。1979年月29日，瓦爾希（Walsh）等人用2.1米光學望遠鏡發現了一對相距5.7角秒的類星體 0957±561A，B。它們的亮度差不多。等級均為17等，光譜中有相同的發射譜系，譜線的寬度和強度相同。它們曾被認為是兩個不同的類星體。二者分開的視角是6弧秒。現已證明：二者實際上是一個類星體由於引力透鏡原理所成的兩個像。而這個雙像成為在地球上進行宇宙尺度的延遲選擇實驗的天然光源。惠勒提出了一個實驗裝置，將望遠鏡分別對准兩個類星體像，利用光導纖維調整光程差，並將光子引入實驗裝置，就可以完成星際規模的延遲選擇實驗。也就是說，我們是否插入第二塊半鍍銀鏡B，將決定上億光年前就已發出的光的路線，物理世界的定域性在此被推翻。
　　
　　有意思的是，引力透鏡現像是愛因斯坦廣義相對論所預言的一種現像，引力透鏡現像的存在是廣義相對論的一個直接驗證，而基於引力透鏡的延遲選擇實驗卻直接否定了相對論的基礎，即光速為物理世界的最大速度。量子理論和相對論的矛盾在這一個實驗中被徹底揭露。二者都是被無數實驗現像證實的理論，我們無法放棄任何一個理論。兩個自成體系的邏輯公設系統，在描述同一個世界的時候產生了一個悖論：引力透鏡現像證明了相對論的正確，而基於引力透鏡的延遲選擇實驗，卻推翻了相對論的定域性基礎。我們的世界到底是怎麼一回事？是世界欺騙了我們還是我們被自己欺騙？
　　
　　延遲選擇實驗和阿斯派克特實驗是任何試圖解釋量子世界奇異特性理論的試金石，那些試圖保有經典世界實在性和定域性的企圖在這兩個實驗面前都將無法自圓其說。我們無須再做無謂的嘗試，相對論與量子論的矛盾實際上已經明確的告訴了我們，並不是理論有問題，而是理論的公設有問題。當愛因斯坦在與玻爾爭執的時候，哥德爾可能在心裡說：看吧，我早就說過任何具有公設的系統都是不完備的。所以你們的爭執也是遲早的事！
　　
　　 的確，用相對論無法解釋量子的古怪行為，而量子論自己都無法解釋量子的行為，更不要說去解釋相對論了。
　　
　　現代科學面臨著一種尷尬的境地，如果不從根本上進行反思，這種悖論恐怕無法化解。我們不妨回味一下玻爾的觀點：“物理學不告訴我們世界是什麼，我們只能說觀察到的世界是什麼。”大家是否注意到，玻爾的觀點與佛家的理論不謀而合！前面我們說過，佛家的觀點認為，沒有一個獨立於觀察者之外的世界，每個人所感知到的世界，只不過是自己無明分別念所產生的幻像。既然如此，我們能否從佛學的角度來解釋粒子的古怪行為，並最終化解相對論與量子論的矛盾呢？
　　
　　 我們拭目以待。