费曼、盖尔曼和外因伯论量子力学 关洪 中山大学物理系.广州510275 1费曼论量子力学 谈起对量子力学原理的理解的时候，人们常常引用费曼(R.P.Feynman)的 一句名言。那句话的原文是“I think I can safely say that nobody understands quan tum mechanics."我对这句话的翻译是“我想我可以放心地说，没有谁理解量子力 学。田也有人说费曼的意思是“没有人懂得量子力学”。大家都学习过和讲授过量 子力学这门课，还曾经运用量子力学或者对量子力学本身进行研究，为什么仍然说 没有人“懂得”或者“理解”量子力学呢？费曼这句话到底是什么意思呢？ 费曼这句话，出自他在1965年出版的(The Character of Physical Law)一书2 由于这本书在我国大陆既没有出过影印本，也没有出过中译本，我相信，在国内大 多数引用和谈论这句话的物理学家，都没有看过那一本原版书。因此，我想借这个 机会，把这本（物理定律的本性》中第六章“概率和不确定性一对自然界的量子力 学观点”里有关的几段话，完整地译出如下： “让我们从光的历史开始。最初假设光的行为非常像一簇粒子或者一簇微粒， 就像天上掉下来的一滴滴雨点或者从枪支里发射出来的一颗颗子弹那样。后来， 经过进一步的研究弄明白了那是不对的，实际上光的行为像波动，例如像水波那 样。再后来到了20世纪，更进一步的研究发现，实际上光在很多方面的行为是像 粒子那样的。在光电效应里你可以一个个地数出这些粒子，现在把它们叫作光子。 最初发现电子的时候，它们的行为简单地就像一些粒子或者子弹那样。后来，例如 电子衍射实验那样的进一步研究表明了，它们的行为就像波动那样。随着时间的 推移，在关于这些东西真的像什么 像波动还是像粒子，或者像粒子还是像波动 的问题上，产生了愈演愈烈的混乱。每一样东西都既像这个，又像那个。 在1925年或者1926年量子力学的正确方程出现之际，就结束了这一场越来 越混乱的局面。现在我们知道电子和光是怎么样行动的了。但是我们应该怎么样 描述它们呢？如果我说它们表现得像粒子，我就给出了一个错误的印象：如果我说 它们表现得像波动，那也是错的。它们按照它们本身的一种无可比拟的方式行动 着，在技术上可以把那种方式称为量子力学方式。它们的行为方式不像你们以前 看见过的任何东西。你们以前看到过的所有东西的经验是不完全的。在一个非常
·22 量子力学朝花夕拾一教与学篇 微小的尺度上的东西的行为简直是完全不同的。一个原子的行为不像悬在一根弹 簧上振动着的一个重物：它也不像一个小型的太阳系，其中有一些微小的行星在轨 道上运行：它亦不显得好像环绕着原子核分布的某种云雾。它的行为不像你曾经 看到过的任何东西。 这里至少有一种简化的认识。电子在这一方面的行为，同光子是完全相同的： 它们都是古怪的，但是以完全相同的方式行动的 因而，我们要作出大量的想象才能弄明白它们是怎么样行动的，因为我们要描 述的是同你以往熟悉的任何东西都不相同的对象。由于这一缘故，这一讲是我这 系列讲座里最困难的了，因为它是抽象的和远离经验的。我无法逃避这一困难。 假使我在讲述物理定律的本性这一系列的讲座中，不去讲在微小尺度上的粒子的 实际行为的描写，我肯定不会来做这件事。这件事完完全全是自然界里所有粒子 的特征，并且是一种普遍的特征，因而如果你要想听听物理定律的本性，讲一讲这 个特殊的方面就是非常重要的。 那将会是困难的。但那其实只是一种心理学上的困难，那是由于你老是用·但 是它怎么会像那个样子呢？'的问题来折磨自己，要按某种熟悉的观念去看待它的 一种不由自主可是完全徒劳的愿望的反映。我不会用同某种熟悉的东西的类比来 描述它：我将简单直接地描述它。曾经有一段时间，报纸上说只有12个人懂得相 对论。我不相信真的有那样的一天。可能会有一段时间，只有一个人懂得相对论 因为在他写出他的论文之前，他是掌握它的唯一的一个家伙。但当人们读到了那 篇论文，就会有好些人以这样那样的方式理解了相对论，肯定不止12人。另一方 面，我想我可以放心地说，没有谁理解量子力学。因而，不必太认真地对待我这 井座，觉得你真的通过我所描述的某种模型弄懂了什么，你自由自在地欣赏它好 了。我将要告诉你，自然界的行为像什么样子。如果你能简单地接受自然界的行 为可能就像这个样子，那你就会发现她多么令人愉悦和喜爱。如果你有可能避免 的话，不要总是问你自己但是它怎么会像那个样子呢？'，因为那样就会使得你陷 进去，钻入一个谁也逃不出来的死胡同里去。谁也不知道它怎么会像那个样子。” 费曼由此所得到的结论是：“自然界不必满足像我们的哲学家们所抱有的那些 先入为主的意见。”（见文献[2]，p148)对于概率幅叠加的规则，他还说过：“没有人 能够给出比我说过的更深一步的解释。”（见文献[2]p145) 费曼在20年后出版的另一本关于量子电动力学的科普著作里，重申了没有人 理解量子力学或者量子电动力学为什么会是那个样子。他说，“没有人懂得这 点。我不能解释自然界为什么以这样奇特的方式行事。”还说：“我希望你们按照自 然界的本来面目接受自然界。”“我们不得不用以描述自然界的方式，一般说来，对 我们是不可思议的。”“重要的是这个理论所给出的预言能否与实验符合。而一个 理论是否在哲学上令人喜爱，或者是否容易理解，或者是否能从常识的观点看来完
费曼、盖尔曼和外因伯论量子力学 ·23 全合乎逻辑，所有这些都是无所谓的。”由此可见，费曼强调的是没有人懂得量子 力学为什么是现在的那个样子，没有人理解这一点。我们最好的办法就是直接接 受量子力学里态函数的概率诠释，不必过问它为什么会是这个样子。尤其是，不要 试图用过去熟悉的经典物理学观念来理解量子力学，否则就会陷到死胡同里去 按照费曼，“每一样东西都既像这个，又像那个“的所谓“二象性”，不过是反映了在 量子力学建立之前那一段混乱时期的困惑心理。有了薛定谔方程，就对电子的行 为给出了恰当而精确的描写。不应当再用微粒或者波动之类的经典物理学概念去 理解它们 上面引述的费曼那些话，已经说得很清楚了。显然，在他看来，量子力学的正 统解释，或者说哥本哈根解释是不足取的。他的挚友戴森(F.J.Dyso)曾经说 过：“费曼.说他看不懂教科书里正统版本的量子力学，所以只好从头开 始。.最后他终于发明一套自己能够懂得的量子力学版本。接下来，他就用费 曼版的量子力学去计算电子的行为模式。.我用正统方法所做的计算，花了我 几个月的时间，写了几百张纸：费曼却可以在黑板上，花半个小时就得到完全相同 的答案。”不过，费曼一向不喜欢哲学，总是避免参加到哲理性的争论里去。对打 量子力学的基本原理，他只是正面地叙述自己的见解，从不指名道姓地批评别人的 观点。 2盖尔曼论量子力学 然而，也有像盖尔曼(M.Gl-Mann)那样直言不讳的。他在I979年说过： “[量子力学]的一种适当的哲学描述竞被推迟了这么久的这一事实，无疑是由于尼 尔斯·玻尔对整整一代物理学家洗了脑(brainwashed),使他们以为这一任务早在 50年前已经完成了的缘故。”51显然，在盖尔曼看来，从整体说来，玻尔对于量子力 学的正确理解，不是起到积极促进的而是起到消极阻碍的作用。后来，在1994年 出版的（夸克与美洲豹》一书中，在谈到他前几年所参与建立的一种量子力学新 解释时盖尔曼又说：“我们正在努力建构量子力学的现代解释的目的，是要终止尼 尔斯·玻尔所说的时代。玻尔曾经说：‘如果一个人说他可以思考量子物理学而不 会感到迷惑，这只不过说明他一点也不懂量子物理学。'” 在盖尔曼所倡导的这种量子力学新解释即“一致性历史解释”(consistent his tories interpretation)里，通过由于环境对系统的影响所产生的消千(decoherence)效 应，消除了量子态的相干性，便能够得出经典物理学性质的测量结果。在这种涉及 测量过程的新理论里，无论微观系统还是宏观仪器的行为，都用满足薛定谔方程的 波函数描写，而不需要事先假定波函数塌缩的机制。或者说，如果出现了类似塌 缩的效果的话，也是从薛定谔方程得出的结论。此外，在这种新解释里，量子力学 就是全部物理学的理论，从它可以推出经典物理学来。这样一来，玻尔坚持要用以
·24· 量子力学朝花夕拾一教与学篇 经典物理学概念为基础的什么“互补原理”去理解或者解释量子力学的教条，自然 就显得更加荒谬了。只要抛弃对经典物理学观念的迷恋，遵照新的原理和解释去 理解，量子力学应当是好懂的 按照盖尔曼的意见，主张量子力学只给出“外部观察者多次重复实验”所得到 的概率分布的量子力学的统计解释“并没有错”。不过，这种解释的适用范围是有 限的，例如不能够运用于整个字宙的量子力学状态，因为在那种情况下，是不可能 有什么外部观察者的。因此，在这种量子力学的新解释里，把费曼在他的路径积分 方法里在全空间时间中的所有可能历史描述，同不需要外部观察者的“多世界解 释”里多种概率实现的可能性结合起来，从而取得了突破。（见文献[6]，p136) 在惠勒(JA.Wheeler)和他的合作者20O1年介绍消干效应的一篇文章里 报导了在1999年的一次有关量子计算的国际会议上，曾经有人做了一次民意测 验。在对与会的90名物理学家的调查中，只有8人宣称他们的观点包含有传统的 波函数塌缩的假设。30人选择没有波函数塌缩假设的“多世界或者一致性历史解 释”，亦即是盖尔曼参与倡导的量子力学的新解释。可是，其余的50人没有明确表 态。无论如何，这次调查的结果表明了，物理学界的主流对量子力学的认识已经发 生了变化，以致于惠勒说出了“该是更新量子力学教科书的时候了”这样的话。 近儿年来，还有盖尔曼关于量子力学的一段话广为流传“现代物理学的一切 都是一门由在50多年前发明的、叫作量子力学的壮丽无比而又彻底混乱的学说所 支配的。它业已经受住了各式各样的检验。我们设想它是完全正确的。没有人理 解它(nobody understands it),但我们都知道怎么样去运用它和怎么样去应用 它.：因而我们已经学会同没有人能够理解它的这一事实共处下去。”由此可见， 盖尔曼对量子力学的基本观点是与费曼相通的。 3外因伯论量子力学 下面介绍的是外因伯(S.Weinberg)关于量子力学的评论 外因伯在1994年的一篇文章里“，对于哥本哈根解释有一番比较详细的 议论。他说：“按照20世纪30年代初期在哥本哈根形成的对量子力学的解释，计 算波函数的规则同用来解释它的原理，两者具有十分不同的特征 一方面有薛定 谔方程，它以一种完全决定性的方式描写任何系统的波函数怎样随时间变化。然 后，又有完全不相关的另外一套原理，告诉我们怎样运用波函数来计算出，当有人 进行测量时得到各种不同结果的概率。 哥本哈根解释主张，当我们测量像位置或者动量那样的任何一个量的时候，我 们就以某种方式进行了干预，使得波函数产生了一种不可预测的变化，变成被测的 量具有一个确定值的一个新的波函数，而这种变化的经过是不能够用决定性的薛 定谔方程来描述的。.测量就这样被看作是本质上与自然界中的任何别的东西
费曼、盖尔曼和外因伯论量子力学 ，25. 都不相同的过程。虽然存在着不同的意见，但都难以确认出能够把某个过程称作 为测量的任何特点，除了它对于一个有意识的头脑的影响之外。 在物理学家和哲学家当中，我们发现至少有4种对于哥本哈根解释的不同反 应。第一种是全盘接受。这种态度主要局限于那些被古老的二元论世界观吸引的 人，那种世界观把生命和意识置于与自然界其余部分都不相同的基础之上。第二 种态度是为了实用的目的接受哥本哈根解释的那些规则，而并不关心对它们的深 入解释。这种态度在从事研究的物理学家当中是极为普遍的。第三种途径是试图 通过以某种方式改动量子力学而避开这些问题。到现在为止，还没有哪一种这样 的尝试在物理学家当中得到多大的支持。最后一种方法是严格地依靠薛定谔方 程，抛弃哥本哈根解释里的那种二元论，并且试图运用与支配着其他所有过程的同 样的一种波函数的决定性演化，去描写测量者和他们的仪器，通过这样的办法来说 明哥本哈根解释里的那些成功的规则。当我们测量某个量时（例如电子自旋的取 向)，我们就把系统放到了一个环境（例如磁场）之中，在那里系统的能量（或者其轨 道)强烈地依赖于被测的量的取值。根据薛定谔方程，波函数中对应着不同能量的 不同的项，将会以同它们的能量成正比的速率快速地振荡。 ·次测量就这样使得波函数里各个对应于被测的量（例如一个电子的自旋）的 不同取值的项，以不同的速率快速振荡，以致于在未来的任何测量中，各个项不会 再互相干涉了。这就像从各个无线电广播台传来的分隔得很开的各种频率不会相 互干涉一样。测量就这样为了实用的目的，而使得字宙的历史分离成一些互不干 扰的不同轨迹，其中每一道轨迹对应着被测的量的一个可能的取值。 然而，我们如何说明用来计算在一个受完全决定性的薛定谔方程支配的世界 里的这些不同的‘世界轨迹'的概率的哥本哈根规则呢？新近在这个问题上已经取 得了进展，但还没有达到决定性的成功（不管怎样，我都倾向于这最后一种态度，虽 然第二种态度也有许多值得推荐之处)。 这是外因伯对于量子力学新解释以及它同哥本哈根解释的根本区别的一个极 好的简单说明。并且，他在这里明确地表示支持新的解释胜于支持哥本哈根解释： 亦表示了不赞成玻姆(D.Bohm)一类的“改动量子力学”的方案 外因伯1995年还在为“索卡尔事件”而写的另一篇评论里说道21：“如果用 普通的语言来描述量子力学，它将显得相当怪异。.今天，通过理性的过程，运 用原子的所谓·波函数'，我们就能够得到关于原子的一种完备的定量描述。人们 一旦计算出波被函数，它就能够用来回答关于原子的能量或者它同光的相互作用的 任何问题。我们已经用波函数的精确的量子语言，取代了粒子轨道的精确的牛顿 语言，但只要谈到‘定量的理性'(quantitative rationality）,在量子力学和牛顿力学 之间并不存在差异。 “我不得不承认，有一些物理学家要对在这方面广为传播的混乱负责任。素卡