对导航波理论的新认识

1、对导航波理论 (pilot-wave theory) 的新认识(Olena Shmahalo) 量子力学中那么多读不懂的概念中，最让人迷糊的可能 要数“粒子在不被观察时没有确定的位置”。以哥本哈根诠释 诠释为首的正统量子力学却偏偏试图让我们相信，粒子存在 于被一种叫做波函数的数学架构所确定的概率云中。波函数 自身又不断演化，在一种叫做薛定谔方程的东西的制约下随 着时间变化。数学算得清楚：波函数会在观察时“坍塌”，那时我们才 能确定例子的真实位置。但许多科学家不喜欢这种观点。爱 因斯坦就曾经发问：是不是只有你看它的时候，月亮才会存 在？但有另外一种同样有着近百年的历史的解释，宣称粒子 始终拥有确

2、定的位置。这种解释被称为导航波理论 (pilot-wave theory) 或玻姆力学 (Bohmian mechanics) 。它从 未获得与哥本哈根诠释相当的重视。 但今年早些时候 (环球 科学曾作报道 )， 一组加拿大的研究者进行的实验或许改 变了我们对这种奇异理论的看法。 1 粒子，你在哪里导航波理论最早在 1927 年由德布罗意 (Louis de Broglie) 提出。玻姆 (David Bohm) 在 1952 年开始接手，一直研究到 1992 年离世。 (因此该理论也被称为德布罗意 -玻姆理论。 ) 它与玻尔 (Niels Bohr) 的哥本哈根诠释试图解决的是同一个 问题。

3、人们常用双缝实验来展现这个问题。费曼就曾说过， 双缝实验“处于量子力学的中心”，“不可能，完全不可能用经 典力学来进行解释。” 当光同时射向侦测屏前的两条狭缝，会出现波一样的干涉图 样(上)。但当粒子一个接一个射向侦测屏时，似乎每个粒子 都同时通过了两条狭缝 (下 )，带有波的性质。 (Akira Tonomura/Creative Commons)德布罗意同样设计了由薛定谔方程决定的波函数。但在 那之外，有个“导航波函数”，或“引导方程” (guiding equation) 决定了粒子真实确定的位置。如果知道波函数，又有了系统 的初始状态，那就能计算出粒子在未来任何一刻的确定位置。2 乘波

4、踏浪 这听起来可能像是一种回到经典力学的倒退，但二者截 然不同。经典力学有着定域性 (locality) ：物体只能直接或通 过某种场来影响周围的物体。但量子尺度下的玻姆力学建立 在非定域的波函数上。波函数没有地理上的限制：理论上可 以横跨整个宇宙。于是在波姆力学里，依赖着随时间演化的波函数，如果 我们能知晓某一时刻宇宙中所有粒子的具体状态，我们就能 计算出整个宇宙的未来。索尔维会议上， 爱因斯坦反驳了玻尔的不确定性 帝不掷骰子”。但他同样没有支持德布罗意的观点。 到了 1932 年，冯诺依曼(John von Neumann) 在用德语写下的论文中 自称证明了量子力学中的“隐变量” (hid

5、dveanriables) 不存在 在该计算被证伪前的三十多年里，大多数物理学家没读过原 文翻译就放弃了导航波理论。玻姆在 1952 年的尝试也没能 将导航波理论救活。 1927 年的第五届索尔维会议， 29 位参 会者中有 17 位诺奖得主。德布罗意 (中排右三 )提出了导航波 理论，但玻尔 (中排右一 )的哥本哈根诠释占了上风。北爱尔兰物理学家 John Stewart Bell 展示了自己对导 航波理论的支持，却被许多业内专家误解为展现隐变量的不 可能。到了现在，正统量子力学中的概率论公式已经与爱因 斯坦的狭义相对论所结合，发展出了宏大又精细的标准模型。 驾驭量子世界的不确定性已经成为了

6、物理学家的信条，导航 波理论再也没有被写入教科书中。3 亚原子现实1992年，一篇以作者姓氏首字母命名的“ESSW论文更是给了导航波理论沉重一击。在该论文的双缝实验中，通过 左狭缝的中子会被记录为从右狭缝通过。多伦多大学物理学 家 Aephraim Steinberg 感言：“这伤害了我对波姆力学的爱。 ” 二十多年后， Steinberg 和他的同事们终于找到了反攻 的机会。在科学子刊 Science Advances 上发表的一篇 论文中，他们发现，例子确实会展现出这样看似“超自然” (surreal) 的运动轨迹。可一旦考虑到波姆力学中的非定域性，这样的特性就很好理解。原文摘要： Exp

7、erimental nonlocal and surreal Bohmian trajectories研究者们在大量实验后发现，对于两颗处于纠缠态的中子，第二颗中子 的轨迹中含有了第一颗的信息。因为两颗中子互相影响，相 比之下第一颗中子的轨迹就显得离奇。波姆力学预见了这样 轨迹的存在。 一些 MIT 和法国近年的研究也给出了不同角度 的支持。 Steinberg 表示：“没有什么真正冲突的地方。你只 是得时刻考虑非定域性，不然你就会错过很重要的东西。” 4 比光速还快回到历史的长河里，爱因斯坦活着看见了玻姆对德布罗 意设想的拯救。但他仍瞧不起这种把事情看得过于简单的理 论。在 1952 年给玻恩 (Max Born) 的信中，他写道：你注意 到玻姆相信 (其实德布罗意在 25 年前也相信 )他能用确定性 的方式诠释量子理论了吗？对我来说这有点太不费力了。当 然，你在这事上比我更有资格判断。即便是对于那些坚信玻 姆力学的人，还是有些问题没能