哥本哈根的霧，與薛定諤的貓

（本文早先於 2002-07-06 發表在台灣中國時報的中時電子報網）

到了現在廿一世紀，全世界大約只有二件事還沒有得到共識：第一件是對一個中國的內涵的解釋，第二件就是對量子真實性的解釋。對於後者，教科書上說的全是一些錯誤的觀念。而事實則是，全世界的物理學家們（自然還應包括我們這些物理學的旁觀者們），對此毫無共識可言。

對於量子真實性的大爭論起於1927年的第五屆索菲爾大會。一方是玻爾、玻恩、海森堡，與他們的越戰越強的哥本哈根的解釋。另一方則是愛因斯坦、薛定諤、德布羅意等少數最頂尖的哲人。這場爭論一直延續到1955年愛因斯坦逝世才告平靜，七年以後的1962年，尼爾斯．玻爾也走了。愛因斯坦生前稱波爾的量子是鬼量子，因為量子的行為很像鬼魂，而不像是真實的東西，所以當年爭論的人現今大約都成了量子，但是結論卻沒有。
 
到了八十年代的中期，英國廣播公司BBC的節目主持人布朗先生決心出來主持公道，他一連采訪了當時最頂尖的八位量子物理學家（注１），讓他們談出各自的見解，結果布朗先生發現，問題還是像玻爾與愛因斯坦的年代一樣，唯一的共識就是：他們之間竟沒有共識。

這倒底是怎麼一回事？

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坦白一下，在哲學上，我是站在愛因斯坦與薛定諤這一邊的。但哥本哈根的濃霧，也不是光能用哲學就能使它透亮的，它的表達非常嚴密，離開事實又是最近，但是若將它的物理表述歸納成哲學的表述時，竟又是那樣的難以被接受，這裡一定有地方出了問題。

有網友提問，標題中「薛定諤的貓」大家都聽說過，但「哥本哈根的霧」是意指什麼？

與英國的倫敦一樣，丹麥的首府哥本哈根也是終年有霧。在廿世紀的最初幾十年裡，世界的物理學有三個中心，一個在英國的劍橋與曼徹斯特，主持人是盧瑟褔；一個在丹麥的哥本哈根，由玻爾領導著一群年輕的學生；另一個，也是最重要的一個則是在德國的格廷根，那裡曾是高斯、黎曼的故校。丹麥人玻爾原是盧瑟褔的學生，回哥本哈根後創設了理論物理研究所，量子物理的核心與它的基本觀點差不多都是在這裡形成與完善起來的。隨著研究的深入，越來越多的實驗事實被發現，量子理論也越來越完善，但人們也發現到一個事實，在量子的波動性與量子的粒子性之間，實在難以加以調合。

但玻爾不愧是一代物理宗師，為了填平這一看似無法填平的量子的波動性與量子的粒子性之間的鴻溝，他竟然想出了一種很特殊的表述方式，這種表述方式與所謂的「一個中國各自表述」真有異曲同工之妙。因為這種表述是在玻爾的哥本哈根形成的，通常大家就稱它為量子真實性的哥本哈根詮釋。但這種表述的方式，也受到了另外一些頂尖的物理學大師的堅決的非難，反對的人中甚至包括提出量子理論的最核心方程「薛定諤方程」的奧地利物理天才薛定諤，也包括愛因斯坦。

我喜歡用【哥本哈根的霧】來比喻哥本哈根詮釋在哲學上的不合理性。有人說玻爾已經給整整一代的物理學家洗了腦，確實，在我看來，哥本哈根飄過來的霧氣，已經迷住了大多數人的眼。現在，相信哥本哈根銓釋的人太多了，所以貶意的【哥本哈根的霧】這一名詞不會引起太大的回響。但這個名字一定會像【牛頓的蘋果】一樣流傳於後世。編出【牛頓的蘋果】的故事的，是法國的伏爾泰。而【哥本哈根的霧】這一講法可不是我的創造，首先提出它的，記憶中好像是日本的物理學家阪田昌一先生。與日本著名的西名吉尾教授一樣，在廿世紀的廿年代，他們都在哥本哈根的霧裡待過，一起師事於玻爾，但是阪田本人並不贊同玻爾的哲學觀點。

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我一直在想，從廿世紀初開始，直到五十年代才幾乎停滯與沉寂下來的這場量子大革命，其先驅者們為什麼幾乎全來自於德語國家（丹麥、德國、奧地利）。從普朗克開始，到玻爾、泡利、海森堡、玻恩、薛定諤、愛因斯坦，清一色地來自於德語國家。

這可能與德語民族與生俱來的哲學興趣，有某種關系吧。在古典哲學的領域內，德語民族有全人類最有才華的哲學家。康德在東普魯士的康尼斯堡大學執教哲學多年，格庭根大學和柏林大學自十九世紀初就開始講授康德的哲學體系。但澤出生的叔本華自認為是康德的繼承人，他是在二十歲那年進入格廷根大學並接觸了康德的哲學，那一年離康德去世才五年。奧地利的馬赫的哲學思想，則使愛因斯坦在思考他的廣義相對論時峰迴路轉。大家公認，在德語國家中，物理學家都對哲學有濃厚的興趣。

我早年在上海時，有一次在復旦的小禮堂裡聽盧鶴孚先生論愛因斯坦的講座，盧先生說，以前的物理，就是哲學，所以牛頓稱他的理論為自然哲學的數學原理。那時哲學就是物理，物理就是哲學。盧先生又說，現在的哲學，多半是在吹牛（北方人則叫侃大山）。

至少在幾十年前的德語民族中間，哲學還沒有倫為吹牛。玻恩在1963年寫道：「我確信理論物理學實際上就是哲學。它使一些基本慨念發生巨大的變化，它教會了我們思考問題的新方法。這遠遠超出了物理學的應用。」我也聽過一個故事，享有盛名的愛因斯坦，特意到奧地利去拜訪那位先哲馬赫，他到了馬赫的家中，卻發現馬赫長著雜亂的鬚髮，看上去像一位又溫厚又狡黠的斯拉夫農民。而本文標題中的薛定諤，在他的年輕的大學時代，就已讀完了先哲叔本華的全部著作。而且他還一度想放棄科學的研究，將全部時間投到哲學的研究中去。

一個人的哲學氣質究竟是先天還是後天的？我沒有很好研究過，但對於一個缺乏哲學氣質的民族，或者在一個缺乏哲學傳統與氛圍的民族國家中，是不可能會有輝煌的物理學紀元的，過去是如此，將來也是如此。
　　
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自從五十年代末玻爾、愛因斯坦等先賢紛紛化作量子而去以後，美國人費曼就變成了闡說量子理論的最有權威的人。好管閑事出名的英國BBC廣播公司，也不是僅到八十年代才關心起有關鬼量子的這場沒完沒了的爭論的。事實上BBC對鬼量子的濃厚興趣從來就沒停止過。還在1965年時，BBC就辟出專門的節目，讓費曼先生在這些節目裡作了一系列的量子講座。這一年中國的廣播系統正在討論姚文元的文章《評新編歷史劇海瑞罷官》。1965年在東方與西方都是一個不同尋常的年代。

費曼在那一年的BBC節目中的講話內容，都被收入《物理定律的特徵》一書出版。該書與他的三卷《費恩曼物理講義》一樣有名。讀過費曼書的朋友是否注意到，費曼講過一句很有名的話，他說道：「量子理論的基本成分是雙孔實驗。」

遠在1800年前後，英國人楊就做出了這一實驗，但他當時用的是雙縫而不是費曼書上說的雙孔，當然雙縫與雙孔也沒有什麼實質的區別。前幾日，本欄內的不少網友都在懷念宋代詩人張三影，我也就與大家開了個玩笑，杜撰出「楊雙縫」這位人名，其實我所說的楊雙縫，顧名思義，就是指首創雙縫實驗的英國人楊而已。

一百五十年前英國人楊的一個簡單得不能再簡單的光束的雙縫干涉實驗，竟會是高深莫測的量子疑難癥的基本成份，大師費曼會不會是搞錯了？

談到這兒，有網友要我先為大家解釋一下愛因斯坦的相對論。我想要說的是，在這一場量子真實性的曠世之爭中，愛因斯坦的狹義相對論其實幫不上任何忙。有人說狹義相對論是一種半經典的物理學，而量子的理論才走得更遠。所以在這一場哥本哈根之霧的主題中，我一般不大去提愛因斯坦的相對論。
 
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哥本哈根之霧先放下來，先回應網友提出的宇宙「大爆炸」問題，但二個問題其實有關聯，微觀的量子與宏觀的宇宙，本質上是連在一起的。

1. 「大爆炸」之說起因於星系的紅移現象

從1910年起到1925年前後，天文觀察證實遙遠天體發出的光譜線有系統地向紅端移動的傾向。且越是遠的星系，紅移的程度也越嚴重。1929年天文學家哈伯宣布，星系的紅移程度，與星系離我們的距離大至上成正比。星系的紅移現像是大爆炸宇宙模型的真正起因。

2. 「大爆炸」之說也在於物理學家已習慣於用多普勒效應來解釋星系的紅移現像

1850年，薛定諤就讀的維也納大學的多普勒教授，提出了網友前文所說的多普勒效應。這個定律的敘述是：當光源相對於觀察者作相對運動時，觀察到的光頻率（實際所測量的是光的波長）會改變。具體地說，當光源迎觀察者而來時，頻率的改變是增大（藍移），而當光源離觀察者而去時，頻率的改變是減小（紅移）。多普勒效應表明光是一種運動的波，但波動理論本身並不能精確地解釋多普勒效應。能精確地解釋多普勒效應的是愛因斯坦的狹義相對論，但那是不折不扣的粒子論。愛因斯坦還預言了一種橫向的多普勒效應，而光的波動論是無法解釋它的。1938年，Ives與Stilwell第一個用實驗證實了愛因斯坦對橫向多普勒效應的預言。對於多普勒效應，我在此點到為止。

在哈伯的年代，天文學家與物理學家們都只知有多普勒效應，而不知有其它。所以他們自然只有用多普勒效應來解釋這種全天空的，壓倒一切的星系的紅移現像。如果星系的紅移真的是多普勒效應所引起的，那麼當然是所有的星體都在以巨大的速度離我們而去，且越是遠的星系，退行的速度也越大，最遠的那些天體，退行的速度大到幾乎接近了光速。結果當然會得出這樣的推測：在遙遠的年代，宇宙發生了一次巨大的爆炸。但是，如果這種紅移不是由多普勒效應所引起的，那結論又如何呢？那所謂的誕生宇宙的最初幾秒的大爆炸，還能成立嗎？

根據我的想法，我認為哈伯紅移很可能來自於一種與多普勒效應完全無關的其它原因，起因于某種我稱之為「光量子能量衰減」的未明物理機制。它表示單個光量子的能量會隨時間的推移而呈指數衰減。關於這點，早就有物理學家指出：「只用狹義相對論的多普勒效應來解釋遙遠光源的譜線頻移，是既無益處，亦不嚴格的。」另外，除了多普勒效應之外，我們至少還知道另外一種可以引起光譜線頻移的物理效應，比如愛因斯坦在他的廣義相對論中預言的所謂「引力紅移」。

好，現在問題已進一步深入了。我們現在至少已知道了以下二點：

１，如果哈勃等人所觀察到的那種遙遠星系的光譜線紅移，確是起因於多普勒效應的話，那誕生宇宙的最初幾秒內肯定發生過一次大爆炸。所以所有的星系都在以巨大的速度離我們而去，越是遠的星系，退行的速度也越大。

２，但如果那種遙遠星系的光譜線紅移不是起源於多普勒效應，而是起源於宇宙本身的引力場，或我所說的光量子能量的指數衰減。哪麼，我們就並不需要這種「大爆炸」的宇宙模型。我對主流物理學界的這種「大爆炸」的宇宙模型持否定的態度。我傾向於古典的樸素宇宙模型，即那種穩恆的，空間上無界，時間上無始的宇宙模型。

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有網友小明提出：「我不瞭解引力紅移的意義。不過我懷疑引力可以紅移的話，為什麼不會引力藍移？因為我們不知道大引力來源是處於宇宙的哪一個地方，因此這個引力可能在我們的前方或者後方，因此有時候紅移有時候藍移，這和哈伯的觀察結果相違背。同樣的，如果引力紅移是根源于發光體本身，那麼極有可能距離我們近的地方引力大，遠的地方引力小。這樣也違反哈伯的觀察越遠的發光體遠離我們的速度越快。因此，compton effect（康普頓效應），光子因為受宇宙中電子的撞擊而能量減低形成紅移，是比較符合哈伯的觀察的。因為越遠的光線和電子撞擊的機率比較高，紅移的越嚴重。」

關於小明網友提出的「藍移」的現像，并不違背哈伯的觀察結果。溫伯格指出過藍移的現像同樣也在對遙遠的類星體的光譜分析中被觀察到，而且神奇的是，有時藍移與紅移還發生在同一個類星體上面。這種藍移與紅移同時存在的現像，對哈伯紅移的多普勒解釋是一種打擊。

小明網友指出康普頓效應也會引起紅移，這完全正確。但是康普頓效會引起光子的偏折，就是說，光子動量的減少僅是由它的運動方向的偏折所貢獻出來的。這樣的偏折將會使遙遠天體的圖像完全不能被保存下來，所以用康普頓效應來解釋哈伯紅移是不妥的。所以我們不應以光子受宇宙中電子的撞擊而能量減低（康普頓效應）來解釋光量子能量的衰減（紅移）。我提出一種光量子自身的其能量隨時間而指數衰減的假設。

順便說一句，康普頓效應是不能用光的波動論來解釋的。正像楊氏雙縫實驗是不能用粒子論來解釋一樣。玻爾想出了一個「互補原理」，他用這一原理填補了很多波和粒子的鴻溝，但還是很難應付像康普頓效應這樣的現像。
　　
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有網友提出最近的四、五十年裡諾貝爾物理獎不斷地被粒子物理學家所拿走，但卻少有革命性的發展。這點我有所同感。現在的前沿物理學都被粒子物理學包下了，物理學界普遍認為，物理學的第三次革命落在粒子物理學的身上，大家都在等待希格斯粒子在對撞機中的出現。所以當1993年美國國會拒絕給那台擬議中的超級超導粒子對撞機撥款的時候，他們就說，如果有了這種對撞機，一種全新的，名為「超弦」的超對稱性理論就會在大約十年之內完全確立。

回顧物理學史，當年盧瑟褔發現阿爾法粒子打開原子核的大門，但建立原子模型的卻是玻爾。只有玻爾，才能將各種有限的，有時是自相矛盾的發現串聯在一起，形成了原子的模型。打趣一下，盧瑟褔因為發現了阿爾法粒子與貝塔衰變，而獲得了1908年的諾貝爾獎，但盧瑟褔獲得的是諾貝爾化學獎，而不是諾貝爾物理獎。盧瑟褔本人對此很為不滿。我覺得諾貝爾委員會還真很有點幽默。事實上我覺得諾貝爾委員會應該繼續將它的「化學獎」授予那些熱中於發現新的基本粒子的人，而將那崇高的諾貝爾「物理獎」，留給那些能對物理學的下一個紀元作出決定性貢獻的人。這些決定性的貢獻，包括實驗或理論，至少也應具有當年相對論或量子理論問世時代一般的份量。但這樣的決定性的實驗或理論卻沒有再出現。

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注１：布朗先生當時采訪的八位量子物理學家是：

阿蘭．阿斯佩克特 Alain Aspect
約翰．貝爾 John Bell
約翰．惠勒 John Wheeler
魯道夫．派爾斯 Rudolf Peieris
大衛．多奇 David Deutsch
約翰．泰勒 John G. Taylor
大衛．玻姆 David Bohm
巴席爾．海利 Basil Hiley