下一个爱因斯坦何时出现?

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发布日期:2017年03月17日 所属分类:新知

2035年5月的一天早晨,阿尔伯特教授像往常一样准时来到普林斯顿高等研究院的办公室。他来普林斯顿小镇快两年了,已经熟悉并开始喜欢这个恬静的“世外桃源”。办公桌上放着他刚刚发表在《物理评论快报》上的论文。他拿起来看了看,脸上露出孩子般顽皮的微笑——他终于揭开了量子纠缠之谜,并找到了通往量子实在的道路。

撰文:高山(山西大学科学技术哲学研究中心教授)

也许,上面这段话不只是科幻小说里的情节。也许,下一个爱因斯坦真的会在不久的将来揭开量子纠缠之谜,并发现量子实在的真实图像。

1935年,是爱因斯坦最早让人们注意到量子纠缠,然而它的出现却使人们对实在的探寻越来越远离爱因斯坦所留恋的经典之岸。它最终会把我们引向何方呢?历史也许会告诉未来。

20世纪初物理学的“两朵乌云”

20世纪初,物理学家面临两大难题。第一个难题涉及光波的粒子性质。由于波动需要媒介,而被认为用来传播光波的媒介——以太在实验上并未发现,从而暗示光将具有某种粒子属性;第二个难题涉及物质的波动性质。利用原子和分子的粒子性质所导出的气体比热容无法与实验测量结果相一致,从而说明物质也具有某种波动性质。

第一个难题暴露出了19世纪两大基础理论——牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论之间的深刻矛盾。这一矛盾促使爱因斯坦创立了狭义相对论(1905),并试探性地提出光量子假说(1905)。不过,相对论并未彻底解决这一难题。由于相对论的成功,场作为与粒子相对立的新的物质存在形式渐渐被人们普遍接受,并成为爱因斯坦试图建立统一场论并完善量子力学的根本基础。但是,量子场论的发展却再一次证明了场与粒子的统一性。必须承认,人们的所有努力仍未最终解决光究竟是怎样一种物质存在形式的问题。

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Albert Einstein (1905)

关于第二个难题,它在历史上导致了量子理论的诞生,也正是爱因斯坦第一个清晰地认识到这一困难与物质的波动性有关(1909)。爱因斯坦的认识引导德布罗意大胆提出了物质波思想,并最终导致薛定谔发现了量子理论的波动力学形式。然而,尽管人们普遍认为量子理论的数学形式体系已被牢固地建立起来,但关于它的物理意义问题却一直争论不休。这本质上仍然涉及如何理解物质的粒子性质和波动性质的统一[1] 。

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Albert Einstein (1915)

相似的困境

在科学已迈入21世纪的今天,我们竟面临相似的困境。一方面,20世纪初人们所遇到的两大难题的核心——波粒二象性仍然没有被真正理解,它的神秘仍在困扰着我们;另一方面,令人回味的是,上世纪初,人们为了解决牛顿力学与麦克斯韦电磁场理论之间的矛盾而创立了新的基础理论—相对论和量子力学,然而在本世纪初,人们却发现这两个理论之间同样存在着根本的矛盾;量子力学的非定域性与相对论的定域性之间的不相容问题甚至被称为20世纪末物理学晴空中的又一朵乌云[2] 。

实际上,我们今天面临着更大的困难。原因在于:一方面,大多数物理学家在思想上对这种困难局面并未形成清晰的认识,并且大量新解释的出现也使这一观念上的困难变得更加错综复杂;另一方面,随着人类探索自然的不断深入,实验技术越来越落后于理论研究,它现在还无法指示我们如何去协调和统一相对论与量子力学。

无疑,我们需要新的爱因斯坦,需要找回那个有思想、有活力、藐视一切权威的毛头小伙子。为此,我们首先要超越爱因斯坦。在他提出光量子假说、建立相对论后一百年的今天,如果人们还无法超越他最初的思想,甚至不敢谈论超越这件事,那不是表明爱因斯坦的伟大,而是说明人类的渺小。超越是科学发展的必经之路!

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Albert Einstein (1949)

让我们还是引用爱因斯坦自己的话吧,他在1949年曾说过,“我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢固地站得住的,我也不能肯定我所走的道路一般是正确的。”[3] 对于相对论,爱因斯坦则认为,“它肯定会被一个新的理论所取代……我相信深化理论的进程是没有止境的。”[3]

超越爱因斯坦:经验与现实

从经验和现实方面来看,爱因斯坦是难以超越的。基于他的思想所建立的相对论和量子理论已经得到了极其精确的实验验证。例如,量子场论的预言与实验结果已经吻合到小数点后的第14位,甚至更多[4] 。尤其是,至今还没有一个确定的经验事实与这些理论的预测相违背。这意味着,没有任何经验启示引导我们去超越爱因斯坦,而那些超越他的新思想也几乎无法得到实验的检验。相比之下,爱因斯坦最初产生他伟大思想的时代则充满了不断发现的新经验。它们要求并引导人们对物理学的基础进行变革,而新的思想也容易得到实验的检验。

更为严重的是,新经验的缺乏导致了大多数物理学家对今天的困难局面缺乏清晰的认识。他们越来越趋向于保守和实用,而忽略对思想本原的探求。他们不理解光速为何不变或时空变换为何是洛仑兹变换(它涉及相对论的基础),也不清楚波函数是否坍缩以及如何坍缩(它涉及量子理论的基础)[1] ,并且对这种不理解习以为常,甚至视而不见。正如爱因斯坦所言,“今天,在原则问题上居统治地位的仍然是教条式的顽固。”[3]

一个直接后果是,大量研究经费投入到更加实用的研究领域,而这些领域是在现有理论适用范围之内的。这些研究并不能指示人们如何超越爱因斯坦,如何发展目前的基础理论,反而更增加了他的权威性,增加了人们的保守性。在这些领域内工作的研究者会得到更多的回报,获得更多的权威性,反过来,他们便更加维护现有理论,而他们的保守看法甚至也成为了主流学术期刊的审稿标准。相比之下,爱因斯坦是十分幸运的。当时的学术氛围比较宽松,学术期刊的编委和审稿人思想也更加开明。

超越爱因斯坦:思想

从思想本身来说,爱因斯坦似乎又是可以超越的。他的工作主要基于几个原理和假设,而这些假设都源于当时人们所获得的经验事实。只要理解了这些假设,便迈出了超越爱因斯坦的第一步;下一步是根据新的经验甚至已有经验,从理论上分析如何发展他的这些思想。这些思想并不是基本的,它们或者有更深刻的逻辑和数学基础,或者存在一定的局限性,而爱因斯坦并未认识到这些基础和局限性。一旦发现它们,我们便超越了爱因斯坦,并为物理学建立了更坚实的根基。

下一个爱因斯坦何时出现?

1999年12月26日,爱因斯坦被美国《时代》周刊评选为“世纪人物”

我们知道,爱因斯坦一生主要有三个伟大思想,那就是光量子假说(26岁),狭义相对论(26岁)和广义相对论(36岁)。在“最具革命性”的光量子假说中,爱因斯坦当时并未理解普朗克发现的黑体辐射公式,甚至认为它是错误的,而只是片面地坚持光的粒子解释。直到1909年,他才认识到光的波粒二象性。尽管爱因斯坦一生的大部分时间都在思索神秘的量子,但是他仍然未能理解光量子。爱因斯坦晚年坦言承认,“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。”[3]

在狭义相对论中,爱因斯坦巧妙地将光速不变假设与相对性原理调和起来,并因此发现了时空的相对性。然而,这两个原理更多地是来自经验的启示,爱因斯坦并未进一步分析它们的逻辑基础。他似乎不关心光速为何不变,也不确定相对性原理是否存在局限性;在他“一生中最快乐的思想”——广义相对论中,爱因斯坦注意到了惯性质量与引力质量等效的深远含义,并因此将相对性原理成功推广到任意参照系,从而解释了引力现象。不过,爱因斯坦只是简单地假设了惯性力与引力的等效性,但作为广义相对论基础的这种等效性并未得到进一步解释。此外,广义相对论仍然是一个经典理论,它没有考虑量子效应。爱因斯坦后半生致力于建立统一场论,他的主要意图也是要寻求量子与引力的结合。遗憾的是,他并没有成功。

可以说,尽管爱因斯坦的三个主要思想对物理学的发展产生了巨大的影响,但是它们的逻辑基础仍然没有建立起来。爱因斯坦没有理解它们,今天的人们也未能真正理解。

此外,爱因斯坦的思想中还存在很多经典偏见。正如爱因斯坦自己所言,他不是一个革命者。爱因斯坦是在经典理论的熏陶下成长起来的,他的相对论也是对经典理论的完善和发展。因此,他不可避免地对经典观念有一种深深的眷恋。例如,爱因斯坦最早注意到随机性在量子层次上的出现(1916),但却仍然固执地维护经典的因果性信念。他最著名的一句话就是“上帝不掷骰子”;爱因斯坦也最早注意到量子非定域性的存在(1927),可是他却将其斥为“幽灵般的超距作用”,而始终笃信定域性假设。

另一方面,从科学研究方法上看,爱因斯坦的思想求索还不够深入。他过多地局限于在经验的层面上研究,在经验的启示下探索,而没有对经验启示进行更深入的逻辑探求。例如,爱因斯坦将光速不变假设作为建立狭义相对论的基础,但他却没有进一步追问光速为何不变。这也是导致他始终抱有经典偏见的主要原因之一。

下一个爱因斯坦何时出现?

爱因斯坦在普林斯顿的办公室(1955)

寄语

我们相信,无论实在世界多么陌生,多么怪异,多么远离我们的常识,它应是逻辑所能及的。因此,在缺乏新经验事实的情况下,我们只有对已有经验进行更深入的剖析,对现有思想进行更深入的探查。这需要牛顿所说的“耐烦思考的能力”。这些新的逻辑分析将会帮助我们从思想上超越爱因斯坦。

此外,在这样的探索过程中,我们还必须始终怀有一种爱因斯坦所说的“宇宙宗教感情”。在分析一个重要的经验现象时,在探查一个关键的逻辑论证时,如果没有一种真正的思想融入,没有一种莫名的冲动和激情,没有一种极度兴奋的精神震颤,是不会有思想上的新发现、新突破的。这样的思索过程可能会持续很久,直到一点灵感火花的闪烁,直到一个全新思想的突现。这是科学发现的必经之路。

参考文献

[1] Shan Gao, The Meaning of the Wave Function: In Search of the Ontology of Quantum Mechanics。 Cambridge: Cambridge University Press, 2017。

[2] Mary Bell and Shan Gao (eds。),Quantum Nonlocality and Reality: 50 Years of Bell’s Theorem。 Cambridge: Cambridge University Press, 2016。

[3] 爱因斯坦,爱因斯坦文集,第一卷。 许良英等编译。 北京:商务印书馆,1994。

[4] D. Hanneke, S. Fogwell, and G. Gabrielse. New Measurement of the Electron Magnetic Moment and the Fine Structure Constant. Phys. Rev. Lett. 100, 120801, 2008.

  (本文为高山与郭光灿院士合著《爱因斯坦的幽灵——量子纠缠之谜》一书的跋)

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