量子糾纏背后的故事（卌二）：吳健雄的實(shí)驗(yàn)
日期 ： 2021年05月02日
正文共 ：4671字
楊振寧和李政道在1956年提出宇稱不守恒，隨即贏得1957年的諾貝爾獎(jiǎng)。這個(gè)速度被譽(yù)為諾貝爾獎(jiǎng)中的奇跡。其實(shí)，那正應(yīng)該是常規(guī)操作，卻已經(jīng)淪為幾乎絕無(wú)僅有。
諾貝爾當(dāng)初設(shè)立的是像人們更為熟悉的奧斯卡、金雞百花獎(jiǎng)那樣一年一度的獎(jiǎng)項(xiàng)。他在遺囑中指明要獎(jiǎng)勵(lì)的是“過(guò)去一年中”最杰出的貢獻(xiàn)。但在其后的實(shí)踐中，評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)一邊堅(jiān)持每年獲獎(jiǎng)?wù)卟怀^(guò)三人的死規(guī)定，一邊卻對(duì)其時(shí)效性要求置若罔聞。愛(ài)因斯坦是在光電效應(yīng)論文發(fā)表的十多年后才因之得獎(jiǎng)。泡利1945年獲獎(jiǎng)時(shí)，他那作為得獎(jiǎng)理由的不相容原理已經(jīng)問(wèn)世了整整20年。
物理學(xué)界也因而沒(méi)有忘卻曾經(jīng)為量子理論做出顯著貢獻(xiàn)卻屢屢被這個(gè)大獎(jiǎng)忽視的索末菲和玻恩，幾十年來(lái)持之以恒地為他們提名。索末菲在1951年以82歲高齡去世，終究未能遂愿。他倒是贏得歷史上被提名次數(shù)最多（84次）物理學(xué)家的殊榮。
一直因未能與學(xué)生海森堡共同獲獎(jiǎng)而耿耿于懷的玻恩終于在1954年修得正果。那時(shí)他也已經(jīng)被提名34次。盡管他后來(lái)在固體物理等方面上又已做出突出的貢獻(xiàn)，他的獲獎(jiǎng)緣由依然是“對(duì)量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的貢獻(xiàn)，尤其是波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)詮釋”。那已經(jīng)是接近30年前的成就了。（當(dāng)年與玻恩一起完善矩陣力學(xué)并參與創(chuàng)立量子力學(xué)、量子場(chǎng)論的約旦后來(lái)只得到寥寥無(wú)幾的提名，更沒(méi)能獲獎(jiǎng)。他應(yīng)該是受到自己納粹歷史的連累。）
玻恩得獎(jiǎng)時(shí)已經(jīng)是一位72歲的老人。在那兩年前，他從愛(ài)丁堡大學(xué)退休，回到戰(zhàn)后的德國(guó)安享晚年。
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在用她的β衰變實(shí)驗(yàn)率先證實(shí)楊振寧和李政道提出的宇稱不守恒而一鳴驚人時(shí)，吳健雄已經(jīng)在哥倫比亞大學(xué)默默無(wú)聞地服務(wù)了十多年。
吳健雄1912年出生于中國(guó)江蘇。她有一對(duì)重視教育的父母。父親還創(chuàng)建了一所女校，讓女兒和其她當(dāng)?shù)嘏⒛芙邮芑窘逃?。吳健雄后?lái)在南京的國(guó)立中央大學(xué)本科畢業(yè)，并在浙江大學(xué)進(jìn)修了物理研究生課程。
1936年，24歲的吳健雄來(lái)到美國(guó)，在舊金山港口上岸。她的目的地是遠(yuǎn)在美國(guó)東部的密西根大學(xué)，準(zhǔn)備去那里攻讀物理博士。在舊金山逗留期間，她在也是從中國(guó)到來(lái)不久的新生袁家騮（Luke Chia-Liu Yuan；中國(guó)“皇帝”袁世凱的孫子）陪同下參觀了附近的伯克利校園。
伯克利那時(shí)正在成為奧本海默的哥本哈根。發(fā)明回旋加速器的勞倫斯（Ernest Lawrence）也在那展開(kāi)著熱火朝天的核物理實(shí)驗(yàn)。吳健雄被這朝氣蓬勃的氣氛深深吸引。在聽(tīng)說(shuō)密西根存在嚴(yán)重的性別歧視后，她毅然改變計(jì)劃留在伯克利，在勞倫斯和塞格雷（Emilio Segre）指導(dǎo)下開(kāi)始她的研究生生涯。（勞倫斯和塞格雷后來(lái)分別在1939和1959年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。）
四年后，吳健雄以優(yōu)異成績(jī)獲得博士學(xué)位，同時(shí)也成為β衰變的實(shí)驗(yàn)專家。她繼續(xù)留在伯克利從事博士后研究。1942年，她與已經(jīng)轉(zhuǎn)學(xué)到加州理工學(xué)院師從密立根的袁家騮喜結(jié)連理，就在密立根的家中舉行了婚禮?；楹螅驄D倆一起搬遷到美國(guó)東部工作。
1942年5月30日，吳健雄（左二）和袁家騮（左一）婚禮照片。右一右二分別為密立根夫婦。
1944年，吳健雄參加了哥倫比亞大學(xué)中支援曼哈頓工程的研究項(xiàng)目，與那里在原子核結(jié)構(gòu)上搶了惠勒之先的雷恩沃特成為同事。她在伯克利時(shí)做的一項(xiàng)測(cè)量結(jié)果也幫助惠勒解決反應(yīng)堆中出現(xiàn)的一個(gè)難題。
二戰(zhàn)之后，哥倫比亞大學(xué)在拉比的領(lǐng)導(dǎo)下急速成為世界領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)物理中心。吳健雄再也沒(méi)有離開(kāi)那里。她在1952年升為副教授，是哥倫比亞大學(xué)物理系第一個(gè)獲得終身職位的女性。
當(dāng)她在伯克利畢業(yè)時(shí)，玻姆已經(jīng)追隨奧本海默來(lái)到那里。兩人那時(shí)沒(méi)有什么交往。當(dāng)玻姆在1957年注意到已經(jīng)成為名人的吳健雄時(shí)，他自己已經(jīng)在以色列流亡。而讓玻姆感興趣的并不是β衰變中的宇稱不守恒，卻是吳健雄八年前一個(gè)不引人注意的小實(shí)驗(yàn)。
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還在他幻想一切粒子都是由電子、正電子組成的年月里，惠勒曾研究過(guò)那樣的世界里最簡(jiǎn)單的“原子”：由一個(gè)正電子和一個(gè)電子以各自正負(fù)電荷互相吸引而形成的“正電子素”（positronium）。它與由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的氫原子相當(dāng)。但因?yàn)檎娮拥馁|(zhì)量與電子相同，比質(zhì)子小了1800多倍，它無(wú)法同樣地約束電子?；堇胀ㄟ^(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)正電子素如果能夠存在也會(huì)極其不穩(wěn)定，只有0.12納秒（0.000 000 000 12秒）的壽命。隨后那電子與正電子就會(huì)互相湮沒(méi)，化為一對(duì)高能的γ光子。
在當(dāng)時(shí)的條件下，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虿蹲侥敲匆粋€(gè)稍瞬即逝的存在。但惠勒提出可以通過(guò)尋找那兩顆同時(shí)發(fā)出、在偏振方向上有關(guān)聯(lián)的的γ光子來(lái)判定正電子素（原先）的存在。
1949年，吳健雄帶著研究生薩克諾夫（Irving Shaknov）在哥倫比亞進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)惠勒的預(yù)測(cè)。（更確切地說(shuō)，她們證實(shí)的是沃德（John Ward）的預(yù)測(cè)。沃德和他在牛津大學(xué)的博士導(dǎo)師普賴斯（Maurice Pryce）在惠勒之后發(fā)表了更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算結(jié)果。）她們的結(jié)果以“致編輯信”的快報(bào)方式發(fā)表在1950年1月1日的《物理評(píng)論》雜志上。那時(shí)，玻姆還在普林斯頓精心寫作他那本集哥本哈根詮釋之大成的《量子理論》，用電子自旋重新表述愛(ài)因斯坦的EPR假想試驗(yàn)。
玻姆1955年擺脫在巴西的夢(mèng)魘來(lái)到以色列后很快時(shí)來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，僅僅兩年后又得到英國(guó)一所學(xué)院的聘請(qǐng)。雖然仍然無(wú)法返回自己的祖國(guó)，他終于能夠結(jié)束學(xué)術(shù)流放，重回與歐洲同行自由交流的科學(xué)大家庭。
在以色列那短短的兩年里，他收獲甚豐。他在那里終結(jié)了自己的單身日子，幸福地結(jié)婚成家。一位名叫阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）的本科生也投師麾下，兩人開(kāi)始精誠(chéng)的科研合作。大學(xué)畢業(yè)后，阿哈羅諾夫跟隨著玻姆到英國(guó)繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。
為了不耽誤學(xué)生的前程，玻姆曾經(jīng)主動(dòng)約法三章：他們之間只傳授、研究“主流”物理學(xué)，不涉及他那離經(jīng)叛道的隱變量理論。這樣，他們?cè)诓簧婕傲孔恿W(xué)詮釋的“安全”領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)中一個(gè)原來(lái)未知的奇怪現(xiàn)象。這個(gè)所謂“阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)”在物理學(xué)界引起相當(dāng)大的轟動(dòng)和持久的科研興趣。
但玻姆也沒(méi)能完全信守諾言。當(dāng)他看到吳健雄和薩克諾夫簡(jiǎn)短的實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，腦洞突然為之大開(kāi)。
在先前出版的《量子理論》中，玻姆為愛(ài)因斯坦的EPR假想試驗(yàn)提供了一個(gè)更為簡(jiǎn)潔、清晰的描述：當(dāng)一對(duì)電子、正電子在真空或由高能光子轉(zhuǎn)化產(chǎn)生時(shí)，它們之間的自旋態(tài)會(huì)保持著互相的糾纏，即使它們已經(jīng)彼此飛離了非常遠(yuǎn)。
玻姆領(lǐng)悟到吳健雄和薩克諾夫做的其實(shí)就是這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)，只是粒子產(chǎn)生的過(guò)程正好相反：不是通過(guò)光子產(chǎn)生電子、正電子對(duì)，而是通過(guò)電子與正電子的湮沒(méi)產(chǎn)生出一對(duì)新的光子。那對(duì)光子在這個(gè)過(guò)程中同時(shí)產(chǎn)生，必然處于同一個(gè)量子態(tài)。因?yàn)閯?dòng)量、角動(dòng)量的守恒，它們也會(huì)各自向相反的方向飛離，同時(shí)保持著二者的糾纏。
與電子一樣，光子也有著自旋。那正是吳健雄和薩克諾夫所測(cè)量的偏振態(tài)。玻姆和阿哈羅諾夫一起進(jìn)行了一次物理學(xué)史上極為罕見(jiàn)的操作。他們作為理論學(xué)家把別人八年前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)施以其初衷迥然不同的重新分析，得出該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中蘊(yùn)藏著兩個(gè)光子的確處于糾纏狀態(tài)的結(jié)論。
于是，玻姆與阿哈羅諾夫在1957年發(fā)表論文石破天驚式地宣布，那曾經(jīng)讓愛(ài)因斯坦?fàn)磕c掛肚的鬼魅般超距作用的的確確是量子世界中的真實(shí)存在，已經(jīng)被人類觀察到。只是當(dāng)初實(shí)施實(shí)驗(yàn)的吳健雄和薩克諾夫?qū)Υ藴喨徊恢ㄋ_克諾夫做完實(shí)驗(yàn)畢業(yè)后投筆從戎，不久捐軀于朝鮮戰(zhàn)場(chǎng)）。在那之后也從來(lái)沒(méi)有人看出其中之奧妙。
那時(shí)，愛(ài)因斯坦已然作古。
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和他的老朋友一樣，薛定諤始終沒(méi)有接受正統(tǒng)的哥本哈根詮釋。比愛(ài)因斯坦尤甚，薛定諤一直強(qiáng)烈反對(duì)玻恩的波函數(shù)幾率解釋。他堅(jiān)持波函數(shù)是實(shí)際的物理存在，比粒子更為現(xiàn)實(shí)。而這樣的波函數(shù)不可能會(huì)發(fā)生莫名其妙的突然坍縮。
1952年夏天，薛定諤在都柏林舉行的系列講座中再一次闡述了自己對(duì)量子力學(xué)詮釋的看法。他告訴聽(tīng)眾現(xiàn)在物理學(xué)界主流對(duì)量子測(cè)量的看法是每次或者測(cè)到這個(gè)值，或者測(cè)到那個(gè)值，二者非此即彼。但其實(shí)還可以存在著一種可能性。那就是不同的測(cè)量數(shù)值并不是互為取代，而是可以同時(shí)存在的。他承認(rèn)這樣的想法聽(tīng)起來(lái)十分瘋癲，在主流人士看來(lái)自然是絕對(duì)的不可能。
那年年底，英國(guó)歷史和哲學(xué)歷史學(xué)會(huì)召集玻爾、玻恩、薛定諤和一些哲學(xué)家齊聚倫敦，準(zhǔn)備讓他們?cè)诹孔恿W(xué)詮釋上再來(lái)一場(chǎng)面對(duì)面的思想交鋒。然而，薛定諤急性闌尾炎發(fā)作破裂，不得不施行緊急手術(shù)并臥床休息三個(gè)月，錯(cuò)過(guò)了這一機(jī)會(huì)。之后，他把早已準(zhǔn)備好的發(fā)言稿交給創(chuàng)刊不久的《不列顛科學(xué)哲學(xué)雜志》（British Journal for the Philosophy of Science）發(fā)表。論文題目是一個(gè)觸目驚心的設(shè)問(wèn)：《量子躍遷存在嗎？》（Are There Quantum Jumps?）。
自然，他給出的答案是否定的。不僅如此，薛定諤還在文中將玻爾最早提出的那個(gè)瞬時(shí)、不連續(xù)更沒(méi)有數(shù)學(xué)根據(jù)的“躍遷”與托勒密（Claudius Ptolemaeus）在哥白尼的日心說(shuō)之前為解釋行星運(yùn)動(dòng)所杜撰的“均輪”、“本輪”等繁復(fù)而無(wú)益的概念（參閱《宇宙膨脹背后的故事（之二）：尋覓宇宙的中心》）相提并論，百般挖苦。假如他當(dāng)時(shí)能夠按原計(jì)劃向玻爾當(dāng)面宣讀這篇論文會(huì)是一個(gè)怎樣的情景，只能留給歷史的想象。
同樣只能付諸想象的是他對(duì)艾弗雷特五年后提出的量子力學(xué)“多世界”詮釋可能的反應(yīng)。在惠勒和玻爾的合力打壓下，艾弗雷特的畢業(yè)論文在普林斯頓和哥本哈根小圈子之外基本上無(wú)人知曉，很快便銷聲匿跡。沒(méi)有證據(jù)表明薛定諤曾聽(tīng)說(shuō)過(guò)那個(gè)發(fā)現(xiàn)。然而，艾弗雷特正是在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格推理出薛定諤那個(gè)“不同測(cè)量數(shù)值可以同時(shí)存在”的瘋癲想法：他的貓同時(shí)是死的和活的，只是分別處在不同的世界里。
正如玻姆的隱變量理論是對(duì)德布羅意早期思想的承繼和推廣，艾弗雷特的多世界詮釋正是薛定諤波函數(shù)觀的一脈相承。30年前，尚且年輕的德布羅意和薛定諤在第五屆索爾維會(huì)議上被泡利、海森堡等人駁得體無(wú)完膚，由那時(shí)起被摒棄于量子力學(xué)主流之外。30年后，年輕的玻姆和艾弗雷特的命運(yùn)如出一轍，甚至更為殘酷。
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在愛(ài)因斯坦去世的1955年夏天，薛定諤告別了都柏林和那里的高等研究院。他再度回到家鄉(xiāng)奧地利，在維也納大學(xué)繼續(xù)擔(dān)任教授。那時(shí)，他67歲的身體在急劇地每況愈下。終于回到他所鐘愛(ài)的阿爾卑斯山的薛定諤極其遺憾地發(fā)現(xiàn)自己在小山坡上已然舉步維艱，再也不可能盡情地登山跋涉。
一生陪伴著他的妻子安妮也疾病纏身，同時(shí)患有嚴(yán)重的哮喘和抑郁癥。在步入晚年之際，這對(duì)患難夫妻終于有了情投意合的心心相印。薛定諤與老情人希爾德的女兒也已長(zhǎng)大成人，得知了自己的真實(shí)身世。作為血緣父親，薛定諤驕傲地參加了女兒的婚禮，也抱上了自己的外孫。
即使在70歲時(shí)正式退休后，薛定諤仍然孜孜不倦地繼續(xù)著他的物理和哲學(xué)思考。與早年寫作的《生命是什么》相對(duì)應(yīng)，他回憶錄最后部分的總標(biāo)題為《實(shí)在是什么》（What is Real?）。與愛(ài)因斯坦一樣，薛定諤堅(jiān)信量子世界的基礎(chǔ)是真實(shí)的物理實(shí)在，而他的實(shí)在就是波函數(shù)。
在沒(méi)有愛(ài)因斯坦的日子里，他的主要通信對(duì)象是比他還年長(zhǎng)五歲的玻恩。1960年10月，73歲的薛定諤在給玻恩的信中抱怨：“你知道我愛(ài)你，沒(méi)有任何事情可以改變這一點(diǎn)。但我需要好好地給你洗一次頭，所以你站好了別動(dòng)。你一而再再而三不帶任何保留地宣揚(yáng)哥本哈根詮釋已經(jīng)被廣泛接受的無(wú)禮行為實(shí)在讓人難以忍受?！y道你對(duì)歷史的判決不帶焦慮嗎？你就如此地自信人類會(huì)很快在你自己的胡說(shuō)八道面前俯首屈服？”
三個(gè)月后，薛定諤在1961年1月4日離開(kāi)了人間。
薛定諤與妻子安妮合葬的墓地。墓碑上方寫有他的波動(dòng)方程。
薛定諤去世時(shí)，以他命名的波動(dòng)方程已經(jīng)是物理學(xué)生的必修課，也是哥本哈根正統(tǒng)量子力學(xué)不可或缺的根基之一，幾乎能與牛頓的動(dòng)力學(xué)方程并駕齊驅(qū)。在物理學(xué)之外，他的《生命是什么》激勵(lì)了一代年輕學(xué)生投身遺傳生物研究，包括已經(jīng)在1953年發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的沃森（James Watson）和克里克（Fancis Crick）。薛定諤方程和方興未艾的分子生物學(xué)是他永恒的豐碑。
那時(shí)依然不為人所廣知的是他那只有著奇怪命運(yùn)的貓。還有那由他命名、在玻姆的心目中已經(jīng)被切實(shí)觀察到的量子糾纏。
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