量子躍遷：“無(wú)用”研究背后的玄機(jī)

張衛(wèi)平

自量子力學(xué)誕生以來(lái)，其數(shù)學(xué)形式，包括薛定諤方程本身都是精確可計(jì)算，并確定性地給出系統(tǒng)各種可能的本征狀態(tài)。而歷史上引起長(zhǎng)期爭(zhēng)論的焦點(diǎn)是以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學(xué)派的量子力學(xué)的統(tǒng)計(jì)詮釋規(guī)則。這一規(guī)則認(rèn)為，量子力學(xué)對(duì)客觀世界的描述只能是統(tǒng)計(jì)性的，而不是確定性的，系統(tǒng)的客觀狀態(tài)應(yīng)該是那些數(shù)學(xué)上允許的各種可能本征態(tài)的統(tǒng)計(jì)疊加，并隱含地假定系統(tǒng)在這些態(tài)之間的量子躍遷是隨機(jī)且不連續(xù)的。

這種觀點(diǎn)遭到了以愛(ài)因斯坦、薛定諤為代表的確定論者的強(qiáng)烈反對(duì)，引發(fā)了量子力學(xué)發(fā)展史上的哲學(xué)大辯論。辯論的結(jié)果卻是哥本哈根學(xué)派占了上風(fēng)，其規(guī)則逐漸被證明是有效的。這也就導(dǎo)致了后來(lái)所謂工具主義者倡議的出現(xiàn)，擱置爭(zhēng)議，接受規(guī)則。盡管如此，長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界對(duì)哥本哈根學(xué)派的質(zhì)疑從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。本期《世界科學(xué)》介紹的耶魯大學(xué)小組關(guān)于量子躍遷的研究，依然是這個(gè)問(wèn)題的某種意義的延續(xù)。

隨著中國(guó)日新月異的發(fā)展，媒體與大眾從來(lái)沒(méi)有像今天這樣熱情地追逐科學(xué)新聞，這對(duì)華夏子孫應(yīng)該是一件值得慶幸的事。然而，俗話說(shuō)，外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道。其實(shí)對(duì)于同行而言，了解科學(xué)研究本身隱藏的玄機(jī)與背后的故事，才更有思考與啟迪性。就耶魯大學(xué)的研究，我更想借此機(jī)會(huì)，談?wù)勂渲械囊晃蛔髡呖ㄟ~科（Howard Carmichael）的故事。

20世紀(jì)80年代末，我有幸成為量子光學(xué)奧克蘭學(xué)派創(chuàng)始人沃爾斯（Daniel F.Walls）教授的博士后，從而結(jié)識(shí)了卡邁科。用中國(guó)現(xiàn)在流行的稱謂，他是沃爾斯教授的大弟子，為人低調(diào)，不善言談，總是關(guān)注思考一些看似“無(wú)用”卻又深?yuàn)W的難題。我認(rèn)識(shí)他時(shí)，他就已經(jīng)因揭示原子共振熒光的量子特性而聲名鵲起。自此之后，一直默默無(wú)聞。后偶爾聽(tīng)過(guò)他一些學(xué)術(shù)報(bào)告，知道他在鼓搗一種稱為“量子軌跡”的方法，并一弄就是十幾年，還由Springer出版社出版了一部相關(guān)的研究專著。我再次見(jiàn)到卡邁科，是回國(guó)多年后的事。當(dāng)時(shí)隨國(guó)家自然科學(xué)基金委學(xué)術(shù)代表團(tuán)訪問(wèn)新西蘭，他是奧克蘭大學(xué)負(fù)責(zé)接待的人。沒(méi)想到的是，這位仁兄見(jiàn)到我們時(shí)，只是興奮地在黑板前手舞足蹈地介紹他的“量子軌跡”研究，似乎站在他面前的，不是遠(yuǎn)道而來(lái)的訪客，而是聽(tīng)他講解的學(xué)生，甚至有關(guān)訪問(wèn)行程的安排都被丟在了九霄云外，讓我們隨行的領(lǐng)導(dǎo)尷尬不已。

此次訪問(wèn)一別，也就再?zèng)]有卡邁科的消息。直到不久前看到耶魯大學(xué)“量子躍遷”的研究文章，發(fā)現(xiàn)他的名字赫然在列，內(nèi)心不禁有點(diǎn)莫名的感慨。表面上看，他并不是中國(guó)學(xué)術(shù)界大為推崇的文章第一作者或通訊作者，但跨過(guò)時(shí)間流逝的長(zhǎng)河，作為了解他的學(xué)術(shù)同門(mén)，浮現(xiàn)在我眼前的是一個(gè)純粹學(xué)者幾十年執(zhí)著探索與追求真理的身影。盡管“量子軌跡”理論本身仍然是玄妙的，但卡邁科在這項(xiàng)研究中的理論指導(dǎo)性貢獻(xiàn)是毋庸置疑的。

在泛量子浪潮的當(dāng)下，這項(xiàng)研究背后的玄機(jī)與故事，有著意味深長(zhǎng)的警示。人類對(duì)量子本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，仍然還在朦朧之中。自媒體上成天吆喝的“量子技術(shù)”，不過(guò)是夏日清晨天邊的一抹彩霞，美麗卻依然遙遠(yuǎn)。在弘揚(yáng)文化自信的今天，我們更要冷靜地推動(dòng)文化理性，讓理性的光輝照亮中華大地，讓一批智者能安靜地思考，創(chuàng)慧性地沉淀。不只是狂熱地一味追逐所謂的“有用”，而是要在科學(xué)與理性地探索“無(wú)用”的研究中，揭示真理的靈性，積聚創(chuàng)造的力量，開(kāi)拓“無(wú)用”之大用的中華科學(xué)創(chuàng)新之路。