玻姆的隐含序与全息宇宙

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微观量子世界中有这样一种现象，两个或两个以上的微观量子，如果他们进入一种“纠缠”的状态，就能产生一种心灵感应般的信息沟通能力。无论他们之间的间隔有多远，哪怕远至宇宙两端，只要我们对其中一个进行测量使其弥散的波函数发生坍缩，另一个远在天边的纠缠粒子也立即瞬间发生同样的变化。好像两个粒子具有某种“智能”和“默契”，能够进行瞬间的信息交换，其交换速度远大于光速，这就违反了狭义相对论的准则。所以，爱因斯坦在跟波尔的交锋中拿它说事儿，称之为“幽灵般的相互作用（spooky action-at-a-distance）”，认为这是一个量子力学无法自圆其说的悖论。


哥本哈根学派对于这种超光速的信息传递现象也比较挠头，他们的传统解释出发点是量子假设，强调微观领域内每个原子过程或基元中存在着本质的不连续，其核心思想是玻尔的互补原理，还接受了玻恩对态函数的概率解释，并把这种概率理解为是同一个粒子在给定时刻出现在某处的概率密度。说起来挺复杂，直白点就是量子不是真的出现在检测的地点，而仅仅只是一种出现在那儿的概率，波尔还提出很多哲学上的解释来配合自己的观点，杂糅到一起来解释，最后大家还是一头雾水，普遍认为没有解释清楚现象的本质。



反主流新星的诞生


在爱因斯坦和波尔早期交锋的时候，一个天才青年拜入原子弹之父奥本海默门下，进入著名的曼哈顿计划的部分研究课题，他的名字叫戴维?约瑟夫?玻姆（David Joseph Bohm）。玻姆从小就对宇宙、科学非常着迷，还发明过一些小玩意儿，长大后更是常常思索宇宙、精神和物质这些深奥的问题。他在课题期间完成博士论文之余，也悉心研究了量子力学的理论，毫无悬念的成了波尔的粉丝。充满了对偶像的敬意，玻姆下定决心要写一本关于量子物理的书，试图从玻尔的观点来阐明量子力学抽象数学的内在物理意义，以达到通晓量子力学的目的。正赶上美国在二战后的一段时间里盛行麦肯锡主意，一帮神经质的政客在社会各界到处找茬清洗赤色分子，巧不巧的他们就怀疑到了当时在普林斯顿大学的玻姆，认为他是苏联间谍。玻姆的申辩被驳回，于是他无端受到了广大师生们的强烈鄙视，以至于长期没有勇气在校园里露面。在这段艰难时间里，他的书历经艰辛终于完成了，这就是后来十分著名的《量子理论》。


于是，满怀期待的玻姆将他的书分寄给了几位自己最尊敬的科学家：爱因斯坦、玻尔和泡利。泡利热情地称他写得好；爱因斯坦则邀请玻姆到他寓所作深入的讨论；而他的偶像波尔，不知道处于何种原因，压根儿就没理他这茬儿，一个字母也没给回。


很明显，玻姆热脸贴了个冷屁股，再加上爱因斯坦雪中送炭的向他抛出了橄榄枝，他逐渐投向了爱因斯坦这边儿。他们在一起通过多次深入热烈的讨论，极大地强化玻姆这样一种信念：就物理学应该对实在做出客观而完备的描述而言，在量子理论中缺少了某种基本的东西。在爱因斯坦的直接激励下，玻姆相信量子理论是不完备的，需要找到量子理论的决定论扩展。他认为，量子的运动就是有其精确的轨道的，而不是那些虚无缥缈的概率，只能在数学方程上被大致描述。一定有其它隐含的因素导致了量子波函数坍缩的关联性，微观世界的运动其实还是简单的、经典的。


而这时，美国的麦卡锡主义政治更加严重，玻姆虽然辞职跑到巴西去工作，但还是被美国政府吊销了护照。于是他过上了一边儿在国外四处流亡，一边儿给量子力学找茬、苦苦思索宇宙本质的新生活。


当时波尔的理论很主流，玻姆接连提出的隐变量和因果机制等理论在学界不是饱受攻击就是无人问津，使他跟爱因斯坦一样在学术上被孤立了，更惨的是政治上他还得不停流亡。1955年秋，玻姆离开巴西，跑到色列哈法大学技术学院当教授，两年后他又来到英国，最终在伦敦大学伯克贝克学院站稳了脚跟。


东西理念合璧


从60年代后，玻姆的理论体系圆融渐入佳境。他一方面接受了爱因斯坦关于量子力学对物理实在的描述不完备的观点，把探索对物理实在更精细的描述定为研究目标；另一方面采取了玻尔关于量子现象的整体性观点，强调微观粒子对于宏观环境的全域相关性，以协调量子力学正统理论的矛盾。而且他结交了一位朋友加伙伴，印度哲学家、宗教教育家克里什纳默蒂（J.Krishnamurti）。从这位东方哲学家的著作《第一与最后的自由》提到观察者与被观察者不可分的观点，正好是量子理论的论题，引起玻姆的强烈共鸣。不过，印度人克里什纳默蒂的理念是唯心的，指的是精神的整体。玻姆由此领悟到量子理论中的情况与精神中的有着很大的相似性。他从东方哲学家那里获得了逾越物理学去探索人类意识的真谛的巨大力量。于是，一位西方物理学家和一位东方哲学家很快成为了探索实在（包括物质与精神）的整体序的学术挚友。


结合东方整体的、联系的哲学思想，玻姆将宇宙中全部物体及其运动与相互作用表达成“全运动”（holomovement）。在某些情况下，我们可以抽象出全运动的特殊方面（如光、电子、声音等），但是一般地说，全运动的所有形式都结合在一起，不能分开所以，全运动是无法规定的、无法测度的。


这样，玻姆提出了显展序和隐卷序（implicate order）的概念来解释量子态和这个宇宙的基本结构，在本文中为了不拗口，图省事儿我姑且暂时称之为显序和隐序。


理论大致可以描述为：客观世界存在两个层次或两个维，一个维在生物学和物理学的层面上显示自己，而另一个则在比较深的层次，我们无法直接认识，只能间接地了解它。对宇宙的正确描述必须包括后者这个根本的层次，玻姆称之为隐序。隐序的基本特征是，在时间和空间（显序）中所发生的一切事都被折迭在内。基本粒子看上去是实体，实际上它们来自基本的“折迭”隐序。


前面提出的全运动是无处不在的，丰富的，处于卷入与展出的无终止的动态状态中，在全运动中存在“总法则”（holonomy）或“整体的规律”。总法则是隐含的，不可测的，它必须通过万物所有的序来表现，玻姆也称之为“必然性的力量”，它决定全运动的过程，引起隐卷序和显展序的相互转化。


油桶中的显、隐序


玻姆用来说明隐序与显序的典型例子是油墨滴—甘油的实验，当然，我们也知道这个例子是他从偶然电视上抄的。这种实验装置由两个同轴的玻璃筒组成，在两个玻璃筒的空隙之间加上很稠的流体如甘油，然后很缓慢地转动外面的玻璃筒，使粘稠的流体轻微地扩散开来。这时将一滴不易溶解的油墨加入粘稠的流体，再转动外面的玻璃筒，油墨滴就被托成一条线，“随机地”扩展到整个流体中。但是，如果反向转动外面的玻璃筒，这根线一样的东西又向后缩，突然变成了看得见的与原来基本一样的一滴油墨。这个实验说明，油墨滴（染色滴）在似乎是随机分布的时候仍然具有某种序，这种序被“卷入”或“隐含”在可看见的“灰色片”的流体中，这就是隐卷序；而当外面的玻璃筒反转时，隐序会逐渐变成显序：即可看到的油墨滴复现。


同样，在量子态的粒子问题上，粒子的波函数使之以一种虚无的概率形式弥散于整个空间中，我们的测量活动又使其坍缩回到一个实体的粒子状态，正如反转甘油桶一样，油墨由薄雾般的弥散状态又回到了实在的一滴墨水的状态。而这种随机性以及粒子位置的无数可能性其实并不杂乱无章也绝没有偶然性，他们其实受到了甘油桶旋转规律的引导，在未来的固定时间内存在固定的显示位置和状态。


当我们先后把无数滴油墨滴入甘油桶中再加以旋转，就犹如我们这个世界上的无数物质在时空中的运动状态，每一个物体都有化为波函数无限弥散出去的可能性，但由于隐序在背后引导其运转，物体在空间上导致由波函数坍缩成唯一的稳定存在，在时间上同样也受其引导而产生万事万物都是注定的结果。


鱼缸中的全息现象


玻姆认为，宇宙中的物体运动无不涉及显序和隐序的相互作用。在可以观察到的显序世界中，物质粒子的运动不断地受到隐序的引导。这种引导通过一种叫做量子潜能的“引导波”（pilot wave）发生，这种量子潜能就像引力常数一样充满整个时空，甚至超越了时空，能够同时作用于过去和未来。因为时间作为一个维，它的序同样也来自于隐序，也是被注定了的。由此玻姆提出了全息宇宙的理论，其核心思想是，宇宙是一个不可分割的、各部分之间紧密关联的整体，任何一个部分都包含整体的信息。


全息理论很好地解释了量子纠缠的超距作用原理。为了便于理解，玻姆用“鱼缸里的鱼”来做比喻（个人认为这个例子比油桶的好的多）：在一个长方体玻璃鱼缸中放进一条鱼，两台相互垂直的摄像机"观察"鱼的活动，图像直接在两台电视机上播放出来。在电视机里我们可以看到，“两”条鱼分别作着方向相反、速度相等的游动。玻姆以此展开对超距作用的解释：“两个纠缠粒子应当被视为同一高维现实的两个不同的低维投影，在三维空间看来，二者没有相互接触，毫无因果关联; 而实际情况是，两个粒子之间相互关联的方式，非常类似于上面所说的鱼的两个电视图像之间相互关联的方式。因此普遍地说，隐序必须被扩展到一个高维现实，这个高维原则上是不可分割的整体，其包含整个具有其全部‘场’和‘粒子’的整体宇宙。于是我们必须说，全运动在高维空间中卷入与展出，其维数实际上是无限的。”


在玻姆所构想的宇宙的本体论图景中，宇宙真空的高维隐秩序被激发而展开和投影为三维物质世界的显秩序，而这种物质显秩序又不断卷入为宇宙真空中的隐秩序。用简单的话说，就是我们肉眼直接可见的三维物质世界的独立个体，实际上是更高维整体的一个投映，我们由于不能理解更高维度的整体性而误以为我们所看到的一个个人或物是独立的个体。


通过量子潜能的作用，现实世界的整体成了隐序产生的表现形式。进一步说，因为所有的东西都在隐序中产生，所以在自然界中就不存在偶然事件；显序中发生的每一件事都是隐序王国中序的表现。银河系、有机体、原子和夸克永远都是包含于观察和经验世界中序的组成部分，它们的过去、现在和未来都被隐序所指引，而隐序背后还有隐序，无法穷尽。


玻姆的理论给量子纠缠提供了一种比较有说服力的解释，使人们能更为直观地把握量子实在的本质特征。对于量子力学本体解释的重新表述使量子势的形式特征得到了强调，致使量子势因果解释能较好地推广到相对论领域和量子场论的情形之中。他寓西方科学精神与东方哲学于一体，坚持受到现代科学支持的整体性实在观，超越了传统科学与传统哲学的疆域，对于科学和人类文明的未来具有潜在的深远影响力。为此后来美国政府特地恢复了他的护照，但玻姆毫不犹豫的拒绝了这种见风使舵的马后炮行为，在英国大学继续耕耘直到1992年去世。


量子纠缠态的概念最早出现在1935年薛定谔关于“猫态”的论文中，到现在已经70多年了近年来已在量子远程通信、量子信息等一些前沿领域中得到应用。目前，我国科学家潘建伟已经成功的制备了5粒子最大纠缠，在态量子通讯领域方面已经在竞争激烈的世界科学前沿牢牢地占据一个立足点乃至制高点。我们就用潘教授的一段原话作为结尾：“爱因斯坦的相对论全世界只有5个人懂，而量子力学没有一个人懂，因为现在这些研究量子的科学家们也只知道量子是什么样子，但是并不知道量子为什么是这个样子。”