量子實在的整體性:物理學家巴茲爾·海利訪談

1952年的一個晚上,理查德·費曼和大衛·玻姆在貝洛奧裡藏特酒吧消遣。路易莎·吉爾德在她關於量子力學史的傑作《糾纏的時代》中重構了這個夜晚。

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1952年的一個晚上,理查德·費曼和大衛·玻姆在貝洛奧裡藏特酒吧消遣。路易莎·吉爾德在她關於量子力學史的傑作《糾纏的時代》中重構了這個夜晚。費曼當時在里約熱內盧休假,他興高采烈地談論著當地的啤酒、鼓課和巴西女孩。玻姆在聖保羅大學任教,但他始終沒有喜歡上這個地方。他剛剛被麥卡錫主義的政治迫害趕出了普林斯頓大學和美國。他感到自己不僅被祖國放逐,也被物理學主流排斥。只有當費曼對他關於量子力學的新思維方式表示出一些轉瞬即逝的興趣時,玻姆才來了精神。

玻姆提出了正統哥本哈根量子力學解釋的首個全面替代方案。在愛因斯坦和路易·德布羅意的早期工作基礎上,玻姆證明了量子隨機性不一定是自然的內在屬性。它可能僅僅反映了我們像闖入瓷器店的公牛一樣探測量子領域的方式。在玻姆最初的表述中,粒子始終具有明確定義的位置,並由一種“量子勢”引導,這種勢在總體精神上類似於電力和引力。由於這種勢瞬時運作,將宇宙中的一切事物聯絡在一起,無論它們相距多遠,玻姆後來開始認為量子物理學僅僅是一種徹底的整體實在的表面觀點。

物理學家往往不喜歡玻姆的理論,原因既有社會學的,也有科學的,但至少它打破了哥本哈根的魔咒。萊昂·羅森菲爾德是哥本哈根學派一位特別好鬥的擁護者,他猛烈抨擊玻姆,甚至在幕後運作,試圖讓期刊拒絕發表他的論文,彷彿要完成麥卡錫主義者已經開始的事情。然而,玻姆的工作啟發了愛爾蘭物理學家約翰·貝爾在20世紀60年代徹底改變了人們對量子物理學的思考。


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幾周前,在一個會議上,我有幸見到了巴茲爾·海利,玻姆的長期合作者和他最後一本書《未分割的宇宙》的合著者。海利是倫敦大學伯貝克學院的理論物理學家,玻姆在受不了巴西食物後最終在那裡落腳。以下是我們對話的節選。海利像他已故的導師一樣,對物理學有著非常規的思考方式,以至於我並沒有真正理解他所說的大部分內容。在這份記錄稿中,我擅自調整了文字塊的順序,並省略了關於技術數學的段落,以使其更易於理解。如果這激起了您的興趣,下一步很好的選擇是海利詳盡的維基百科頁面。退一步說,玻姆的理論是一個適合在手持啤酒時談論的好話題。

GM:您第一次見到大衛是什麼時候?你們是如何開始合作的?

BH:我當時即將完成博士學位,我的研究方向是固態物理。發表了幾篇論文,論文還沒完全完成,但我正在四處看看,“夏天結束時我該做什麼?”我不認識大衛·玻姆。我沒有讀過他的著作。他做了兩次講座,我像往常一樣走到後面進去聽。突然我聽到這個人說話,我說:“哇,正是我在大學裡想學的東西。”

我一直對量子力學和相對論非常感興趣,甚至在學校裡也是如此。我讀了《湯普金斯先生在仙境中》。我們的一位數學老師帶來了詹姆斯·金斯爵士的《神秘的宇宙》,我立刻上前花六便士買了下來。花六便士對我來說是件很重大的事。當我上大學時,我希望能夠討論這些想法。但每個人都會說,“你不能浪費時間思考這些。”實際上我感到非常沮喪。即使在研究生階段,我也組織了一些研究生之間的非正式研討會,然後我被叫去詢問我在做什麼。我完全不明白。

當時我在圖書館寫博士論文,我正在讀路易·德布羅意的非線性波動理論。我的導師,我不想說出他的名字,他說:“你不能讀那種垃圾。”他從我手中拿走書,合上書,把它放回書架上。

GM:太武斷了。

BH:當然,他一離開房間,我就回去把它拿出來了。如果你想讓某人讀某樣東西,你應該告訴他們不要讀!

然後大衛來了,帶著所有這些令人興奮的想法,暗示量子力學是美酒,但我們把它裝在舊瓶子裡。而這個想法是製作新瓶子,以便美酒能夠一致地裝進去。要深入思考實在的本質,這並非易事。

他被任命為伯貝克學院理論物理學主席,他們想要一位助理講師。問題是助理講師應該在實驗室裡進行演示,而我是一名理論物理學家。所以我不得不說服他們,我是一位實驗物理學專家。我以為我做得很好,我為此感到沾沾自喜了10年,直到我在一個聚會上,我們正在聊這些事情。我說我真的說服了他們所有人。有人說:“別相信。這與那無關。是大衛·玻姆想要一位理論物理學家,所以我們任命了你。”

GM:你知道,大多數實驗物理學家不會讓理論物理學家靠近他們的裝置。

BH:我知道。但我並不介意這樣做,因為我認為如果你是一名理論物理學家,那麼感受一下實驗室是什麼樣的,讓東西運轉起來是非常重要的。我聽過一些理論物理學家說話,很明顯他們甚至不知道實驗室是什麼。他們從未去過實驗室,也從未嘗試讓哪怕是最簡單的儀器運轉起來。他們只是對測量是什麼有一些想法——但那根本不是那樣的。它太理想化了。

現在,有趣的是:我與大衛·玻姆合作的頭10年裡,我們從未提及他52年的論文,我們從未提及隱變數,我們從未提及粒子軌跡。

GM:在那10年裡,你們在做什麼?

BH:當我加入他時,數學系有羅傑·彭羅斯,我們有大衛·玻姆,還有我。我們研究代數;我們研究廣義相對論;我們研究前空間。前空間就像前幾何,但大衛和我不想給人留下我們與約翰·惠勒的思維方式相同的印象。

彭羅斯有他的扭量,然後他有了他的自旋網路。它們都是關於如何用物理物件構建時空。他在扭量方面有一些很棒的想法。他想要一個沒有點的空間,所以你從光線開始,然後在光線相交的地方構建你的點。

我對扭量的貢獻是如何拼寫它。有一天他來到我的房間,開始談論他的想法。“我不知道是拼寫成E-R還是O-R。”我說:“羅傑。O-R。”

GM:“Twister”是一個派對遊戲,“twistor”是一個高階概念。

BH:無論如何,這讓我開始研究不同的代數。我來自固態物理學,我在晶格方面做了很多工作。時空是否可能像晶格一樣結構化,但非常小?以在晶體中游走的刃位錯為例,你會發現你得到了黎曼幾何。所以我做了很多這方面的工作,想知道空間是否是離散的。

GM:那麼,在最初的10年裡——在整個60年代——你們甚至沒有觸及導波理論。

BH:我們可能觸及過它,但我駁回了它。我沒有讀過那篇論文!這是事實。學生們說,“你為什麼不讀它?”我說,“哦,它是錯的。”因為我接受了一般的哲學,即隱變數是垃圾。不僅如此,我還有一種非常奇怪的感覺,好像如果我讀了這篇論文,我會在某種程度上被感染。現在回想起來,這真是不可思議。但作為一個剛起步的年輕人,這就是你接受到的資訊。

GM:是什麼重新燃起了您和大衛的興趣?

BH:因為這兩個學生說,“你看,這篇論文有什麼問題?”我開始像我們所有人一樣胡說八道,然後他們說:“哦,別胡說了。你沒讀過,對吧?”所以我把它拿走讀了。我感到很驚訝。因為他所做的只是標準的數學。它有一個叫做量子勢和軌跡的東西。我對一個學生說,“讓我們計算軌跡。”這就是克里斯·菲利皮迪斯和克里斯·杜德內開始他的工作的地方,為雙縫(見頂部圖)和勢阱中的粒子生成量子勢。然後它就發展起來了。當我們向人們展示它時,他們會說,“哦,是的,但是你不能做這個那個的。”所以我們過去常常離開去完成這個那個。帶回來,他們說,“但是你不能做……”我多年來所做的就是讓這些人進行計算,以證明我們可以用它做所有這些事情。

因此,我的問題是:它有什麼問題?它有效。粒子是否真的遵循軌跡,我不知道。但是公式,你只需應用它們,它就在那裡。

GM:這開始讓大衛感興趣了嗎?

BH:這讓大衛再次對它產生了興趣。我們放棄了更具推測性的東西,關於前空間的更深奧的東西。它總是存在於背景中。但後來我們更緊密地研究了這個問題。大衛對此非常興奮。當我們向他展示軌跡時,他驚呼:“哦,哇。我們可以從中得到那個嗎?”

從我的立場來看,也從大衛的立場來看,這只是一種更深層潛在過程的平均行為。而這正是我們試圖理解的目標。恐怕我們沒有取得很大進展。你知道,這是一件困難的事情。我們嘗試過很多不同的想法,但似乎都沒有真正奏效。仍然缺少一些東西。

GM:請告訴我一些你們玩過的想法。

BH:我們對不可分割的整體感興趣。如何在不將其分解成碎片的情況下描述整體性?玻爾說你不能進一步分析:不要在主體和觀察儀器之間進行劃分,因為一切都是一個整體,一旦你把它分解成碎片,你就失去了它;你改變了現象。我從玻爾那裡獲得了很多見解。如果你讀過我們的書,我們從不說玻爾是錯的,而大多數其他人說哥本哈根是胡說八道。我們不同意玻爾的地方在於他無法進一步分析它。我們一直試圖做的是進一步分析它。

我們的想法是說,是的,你可以做到。你可以談論個體,但正是量子勢將你遺漏的東西放入其中。因此,它帶來了環境條件、邊界條件的資訊,並將它們反饋給這個區域性實體——因此這個區域性實體知道它是整體的一部分。

它是如何做到的,我不知道。但大衛和我提出的建議是,量子勢實際上是一種資訊勢,我們引入了主動資訊的概念。我非常擔心使用“資訊”這個詞,因為每個人都會立刻想到夏農資訊。夏農資訊不是資訊;它只是資訊容量。那裡沒有任何意義,而關鍵是要將意義融入其中,並且這是粒子的資訊。

然後,當然,他們認為我們已經神秘地轉向東方了。但我的意思是量子勢不是經典力。它不是經典勢。它非常特殊,非常奇怪。據我們所知,它不會傳播。但這正是我調和整體性和可分性的方式。如果我們劃分,我們必須有一些東西將所有東西重新組合在一起。

GM:似乎具有諷刺意味的是,玻爾和他的一些人強烈反對玻姆的理論。

BH:是的,但別忘了,如果你只是做簡單的玻姆理論,你就看不到這些。我現在告訴你,我們是在更深層過程的光芒中看待玻姆理論的。我過去常常講授玻姆理論,因為你不能忽視它。無論你是否喜歡它,它都在那裡。但那時人們相信那是我真正認為的自然。但對我來說,那只是一個米老鼠模型。它不是大衛和我所做的事情的驅動力。這只是一種抽象的層次。

所以我不是玻姆力學意義上的玻姆主義者。克里斯·福克斯有一次聽完我的講座後走到我面前說,“很高興見到一位玻姆主義者。”我說:“請問你說誰?”我不是玻姆主義者。我們討論的不是力學。玻姆在他的量子理論著作,最初的那本中說,量子力學是一個用詞不當的名稱。它應該被稱為量子非力學。

GM:因為你不應該從粒子的機械運動的角度來思考它?

BH:是的,它根本不是那樣的。它不是機械論。它是有機論。它是有機的。自然的有機性比我們想象的要強。然後你就可以理解為什麼生命會出現,因為如果自然是有機的,它就具有生命的可能。

讓我們從這個角度開始。你正在尋找一個基本粒子。所以你將物質分成原子,並認為:這就是真正本質所在。盧瑟福分割了原子,發現了原子核。好的。原子核是物質存在的地方。然後你觀察原子核內部,你發現了中子。好的,現在我們找到了。但是然後出現了夸克,我們從未抓住過夸克。我們拿一個質子,一個反質子,它就“砰”的一聲變成輻射。那麼物質的固態性在哪裡?它位於哪裡?因為無論我們看向哪裡……

GM:……它都從我們的指縫中溜走了。

BH:好的。所以你說,好吧,假設我們從類似過程的東西開始——沒有粒子,只有活動,只有能量。那麼第一場戰鬥是:你到底是什麼意思?

我開始閱讀。例如,我讀了格拉斯曼,格拉斯曼說數學不是關於空間和時間中的事物,而是關於思想——它是關於思想的秩序。他從這種思考中獲得了格拉斯曼代數。我讀了克利福德的原始著作,原始論文,它們都關於過程。二乘以三等於六——它不是兩個物體乘以三。它是三個物體的加倍。這是一個過程。

我們不習慣思考過程。我們用基於物件的語言進行交流。大衛發明了一種叫做“流模”的東西——我們用流動的模式相互交談的語言。有一些古代語言是這樣做的——霍皮印第安語和一些其他語言。在他的書《整體性和隱秩序》中,你會找到一章關於語言的內容,他在其中討論了這種流模。它沒有奏效,因為我們仍然在思考物件。

GM:這如何進入量子力學?

BH:在非對易性中。在我們的日常生活中,我們總是必須小心順序。你在櫥櫃裡有一個杯子。你必須先開啟櫥櫃門,然後才能拿出杯子。我們所有的經驗都是以正確的順序做事,所以我們的活動是非對易的。它進入量子力學是因為海森堡試圖解釋原子能級,他發現他必須將他的物件變成彼此不對易的東西。順序至關重要。先測量動量再測量位置與先測量位置再測量動量之間存在差異。這成為他的不確定性原理的基礎。

在我看來,他實際上是在討論一個過程。他談論的是某物如何從一個狀態變為另一個狀態,他稱之為動量躍遷,以及位置從一個位置到另一個位置的躍遷。換句話說,它不是xppx。而是x0x1p1p2等等。他發現的基本東西是一個“廣群”,而廣群是現在範疇論中使用的東西。它是用來討論過程的。

GM:所有這些如何與相對論協調?

BH:你正在創造你的空間和時間。人們說,“嗯,你說的創造空間和時間是什麼意思?”嗯,外面的世界,沒有一種幾何學是你透過觀察就能發現的。你實際上使用物理過程來描述那種幾何學。我們如何獲得空間的幾何學?用雷達裝置和時鐘。我們發出光訊號,將其傳送回來,然後我們透過物質正在做的事情來構建洛倫茲變換。

大多數人說你不能在玻姆理論中做相對論。那是錯誤的。四年前,我能夠在玻姆理論中得到狄拉克方程。它都在克利福德代數中。

GM:但是,自然會如此,以至於我們可以從中抽象出一個空間,這難道不奇怪嗎?這似乎暗示著高度的秩序。

BH:是的,你必須做出自然是有序的假設。

GM:我一直對“隱秩序”、“顯秩序”這些術語感到困惑。你能為我解釋一下嗎?

BH:我們為什麼要期望自然的根本原理與我們在宏觀世界中體驗到的相同?這個想法是說,不,真實的世界不是。如果你看到它的背後,它在某種程度上是一種幻影。代數是隱秩序。它是存在的結構。性質是由整體給出的,但我們正在將它們取出,我們正在創造一個顯秩序。

GM:那麼顯秩序就是我們感知到的東西?

BH:是的,我們感知到的東西。而且它不是全部。舊的經典物理學說的是,我們只想像上帝一樣站在外面,只是觀察一切,而我們不在其中。我們不能。我們身在其中,不管我們是否喜歡。我們在裡面向外看,而不是在外面向內看。你無法顯化隱秩序,但你必須有不同的觀點,因為你身在其中。你不能站在外面。你只能獲得區域性檢視。

當我就此進行講座時,我總是使用老婦人/少女——完形。線條在那裡,但它們的含義取決於你如何在一個秩序上顯化另一個秩序。因為很多東西都基於你不能同時顯化的東西。自然的本質是,你實際上無法顯化位置空間和動量空間。

因此,與其只有一條軌跡,不如說你有一個展開和卷繞的過程。過去積極地作用於現在。它在現在迴響,以產生未來。看起來像粒子在穿梭,但實際上不是粒子在穿梭。那只是一種顯化。

GM:我不應該把這個粒子想象成一個在虛空中漂浮的持久實體?

BH:不,你必須將你的實體想象成不是檯球。它的性質不獨立於潛在的過程。改變潛在的過程,這個事物的性質就會改變。不要將它視為獨立的。因為它的性質取決於環境。你正在用不斷轉換的事物創造物體,但總是轉換成它們自身。這需要一點時間來適應!

GM:在某種意義上,是我們創造了那個粒子嗎?

BH:這是一個非常有趣的問題。我們是否創造了我們所看到的東西?也許我們創造了。我知道有人會說,“哦,這都是主觀的。”但你只能用它做某些事情。你不能憑空變出東西。你可以重新排序事物。你可以在創造你的現即時重新排列事物。我們正在重新排列過程。我們是過程的一部分。

圖表由慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學的德特勒夫·杜爾提供

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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