大卫 · 约瑟夫 · 波姆(David Joseph Bohm),1917年12月20日出生在威尔克斯 · 巴利,一个位于宾夕法尼亚州北部、苏斯瑰哈娜河附近的那个风景优美、史上闻名的维欧明山谷中的煤矿小镇。他的父母在当地拥有—个家具商店,他们想要大卫将来继续这份家业。但大卫决定进附近的宾夕法尼亚州立大学读书,他于1939年在那里取得了理学学士学位、为了研究生学习,他进入了帕萨第那的加利福尼亚技术学院和加利福尼亚大学伯克利分校,在那里他参加了罗伯特 · 奥本海默的量子力学讲座。1943年他在伯克利分校获得哲学博士学位,随后作为一个研究人员在劳伦斯辐射实验室工作。1946年他接受了普林斯顿大学助理教授职位。
还在加利福尼亚时,波姆就与他的一些同事合作,发表了一系列论文。这些论文论及了多方面问题,如同步加速器理论,Cu的低能β光谱及其与费米β衰变理论的一致性等等,在普林斯顿时,他发展了一扁等离子体振动理论,并与M. 维恩斯坦一起在一篇关于带电粒子振动的论文里,试图证明:“一个系统的关于扩散电荷的相对论性量子理论能够轻易地导致我们关于因果性的一些概念的重要修正”,这是他向物理学中流行的基本概念发动的最早的挑战。
事实上,他的主要兴趣集中在量子力学的概念基础上。就这个题目他与一些热情忠实于尼尔斯 · 波尔的互补哲学的同事,有过长期的讨论。在普林斯顿他写出了名为“量子理论”的第一本书,像他自己所承认的,主要是为了理解“新的量子理论概念的精确性质”。正如序言中所述,该书在数学说明方面受到了奥本海默讲座的影响,在哲学世界观方面受到了波尔思想的影响。波姆当时认为波尔的思想“在为了合理地理解量子论所必需的一般哲学基础方面,具有决定的重要性。”这本书于I960年再版,至今仍被广泛采用。它为量子论在实验和计算方面提供了一个清晰易懂的介绍,对量子论的测量问题给出了一个深刻的分析,利用处于单态的两个自旋为1/2的粒子对爱因斯坦 - 罗森 - 波多尔斯基悖论(即EPR悖论)重新进行了系统的阐述,这种阐述自那时以后为人们皆遍接受。波姆对这本教材所作的结论是,它在“没有任何一种机械决定论的隐变量理论能够导出量子论的全部结果”的基础上。给出了一个“量子论与隐变量是不一致的证明”。
当波姆还在普林斯顿写完他的《量子理论》一书时,他就感到他还没有真正理解这个理论,寄希望于达到进一步的澄清,他把该书的副本寄给波尔、泡利和爱因斯坦。波尔保持沉默,泡利一般性地赞扬了这本书,而爱因斯坦则邀请波姆详细讨论这个问题。这些讨论和对由布洛欣采夫或别的某个人所写的一篇文章的偶然阅读,对波姆来说构成了一个转折点。他研究了薛定谔方程与哈密顿一雅克比方程之间的关系,认识到通过引入他所谓的“量子势”来修正后者,这能使他建立一个一致性的隐变量(或者像他后来所宁愿称作的轨道)诠释。这种诠释“允许我们把每个个体系统想象为在一个精确规定的状态中的存在物,它随时间的变化由确定的规律所决定,类似于(但不是等于)经典的运动方程。”
他在“依据‘隐’变量对量子理论的一个建议性诠释”一文中,发表了他的新方法,在现代物理思想中开创了最激动人心的一章。把波函数ψ表示为Rexp(iS/h),其中R和S是实函数,将这个表示代入薛定谔
如波姆所指出的,除去附加项U,(1)是哈密顿——雅克比方程,而U依赖于薛定谔方程在任意特定条件下的实际解,如(3)所表明的,如果ψ乘以一个常数因子,U保持不变;(2)和(4)证明了ψ*ψ的守恒,波姆把ψ*ψ解释为粒子存在于由ψ(x)的自变量x所规定的位置处的几率,而不像波恩所设想的,作为在一个合适的测量中在那个位置找到该粒子的几率。这个区别是微妙的,它表示了波姆想要建立一个实在论的,独立于观察者及其意识的理论的意图。最后,(2)建议粒子的动量P由▽S给出,后者如(1)所示,不仅受制于经典势V,而且受制于量子势U。根据波姆的看法,本质上正是对U的这种依赖性、把量子力学与经典力学区别开来。关于ψ,因而是关于R和S的知识,作为薛定谔方程的一个解,使得在已知粒子的初始位置的条件下对该粒子的轨道进行预言成为可能;然而,至今为止没有任何已知的方法能够决定这一点,从而构成一个“隐变量”。波姆的方法是建立在薛定谔方程和量子力学的一般表述形式的基础上的,虽然在概念上与量子理论的正统诠释不一致,但在经验上与它在一切方面都一致。
1957年波姆出版了他的第二本书,名为“现代物理学中的因果性和机遇”。该书提出了他的哲学信条:机遇的概念明确地出现在科学进步中的这样一个阶段,在其中我们还没有意识到对目前正在困惑着我们的一个更深层次的实在的一个即将到来的突破。
两年后,波姆又激起了广泛的惊讶——不是在量子势方面,而是在电磁理论的普通势方面。因为他与雅克 · 阿哈罗诺夫合作证明,这样一个势能够显示出可观察的结果。例如,当一个电子穿过一个无电磁场的区域时,它因而暗示出位于一个与空间区域多方面相关的自由场中的一个系统的物理性质可能完全依赖于这些势本身。这篇论述后来被通称为“阿哈罗诺夫 - 波姆效应”的论文,在1967年发表,它在一定程度上抓住了现代规范理论的精神,所提出的许多问题至今仍是富有成果的主题,有时甚至是引起争议的若干讨论的主题。
当波姆住在布里斯托尔时,他对《第一与最后的自由》一书的反复批判性阅读以及随后同该书作者——印度哲学家J. 克里斯纳穆尔提的讨论,对他的思想产生了一个深刻的影响。克里斯纳穆尔提认为的把世界划分为一个观察者和一个被观察者的二分法是太人为了的论点,虽然只是在心理学的推测的背景上发展起来的,但对波姆来说好像与量子力学的本质亲密相关,这促使他从一个更广泛的哲学观点的框架来审视他自己关于物理学的论证。这种倾向在他后来的著作中变得特别突出,但已能在他的第三本书《狭义相对论》中被辨认出来。
复兴关于隐变量理论兴趣的浪潮也把波姆卷了进去,促使他与杰弗里 · 巴布合作,在1966年发表了一篇综合性的论文“用隐变量理论对量子力学中的测量问题的一个建议性解答”。这一关于他1952年方法的修正表述,用一种非线性关系把一个量子力学可观察量的值与由其中一个是希尔伯特空间矢量的两个矢量所完全确定的一个系统的某一状态结合起来。量子力学的统计结果,通过采用一个关于代表隐变量的两个附加的二重矢量的随机性分布而被揭示出来,这篇论文以如下一段作为结论:“这个理论,按它的现在形式,承受着大量的不足之处,但它提供了一个不能在量子力学的框架内被形式化,而在其中可考虑某些问题的新的概念结构。因此,用一种新的语言结构描述同样的事实可能是重要的。认为说明同样一个事物的语言的差异总是不重要的这种相当流行的看法是错误的,在某些场合一种不同的语言开创一个不同的思维结构,因而在对自然的关系上导致新型的行为,现在所需要的是一种假设的试探性方法,试图既通过理论又通过实验来探究量子力学处理可能会失效的条件,以揭示一个物理规律的新结构和物理运动中的一个新秩序。”
这些话语有一个预见性的环节,事实上,它们预示了波姆把量子力学看作是达到关于物理学中一个新秩序的某个概念的一个向导的纲领。根据这个纲领,物理世界分裂成相对自主的各个部分,即使彼此间有相互作用它们也独立存在,但它们都不得不服从一个不可分割的整体性概念,在这个整体性概念的意义上,观察者或观测仪器不再可以同被观测对象分开了。物理思想从古代到现代的历史发展是怎样逐步地达到这种新的秩序,特别是,怎样达到了量子力学的某些新特征,像量子行为的不可分割性,作为统计式地被揭露的潜在可能性的物质属性或它们的地位的波粒二重性,迫使波姆在由《物理学基础》所发表的一系列论文中描述了这样一种发展,它们构成了波姆最新著作《整体性和隐序》的一部分。
由于篇幅不允许我们甚至只对在这些出版物中提出的许多激动人心的想法进行总结,我们将只选出一个例子来表明,对波姆来说量子力学是怎样指示了这种新秩序。在他对多体系统的处理上,波姆再次把波函数ψ(x1,x2,…,xN)表示为Rexp(iS/h),并得到了量子势U(x1,x2,…,xN)。像前文所述,如果ψ乘以一个常数,量子势保持不变,因而与经典势不同,它不随着场量振幅的减小而减小,并且一般地,它甚至也不在两个彼此间任意分开的粒子间产生一个逐渐消逝的相互作用,——正是在这个结果的基础上,波姆建立起对EPR关联的解释。而且,更突出的是,U依赖于作为一个整体的系统的量子态ψ,这指示着一个系统的各个部分,—般来说远不能“组成”这个整体,它们依赖于这个整体的状态;只在特殊情况下,即如果ψ能够被分解为各个因子以致U变成若干项之和,其中每一项只由所考虑的某部分或某粒子的坐标所决定,则这个整体才能被看作纯粹是它的各个部分的总和,我们就可以通过解释它的各个部分而对它进行解释。波姆告诉我们,量子力学于是教导我们:所谓这个世界的各个独立的基本部分构成世界的实在基础,并且可以这样说,它们通过纯粹的加和性组成了整个宇宙,这种观点是以通常的经典概念为根据的。如果这些经典概念并非颠倒黑白,那么我们就不得不予以修正。“的确,”波姆说,“整个宇宙的不可分割的……相关性是实在的基础”,“相对独立的串珠般的各个部分不过是这个整体中的特殊的和偶然的形式罢了。”与波尔对比,波尔把他的整体性概念限制在关于实验结果的内容方面的实验条件上,因单纯运用经典语言和经典概念的限制而否认整体性概念在直觉和想象的范围内的可描述性,波姆则宣布,在物理内容中,在对大规模的经验和量子现象所作描述的理论形式中,都具有未经损坏的整体性。只要一个系统的波函数不能被分解,由它描述的运动就是一个不可分割的整体,只在适当的条件下,当波函数变得可分解时,一个亚系统或粒子才在一个逐渐展露自身的过程中自行显现出来。
波姆得出了涉及深远的哲学结论:把实在分裂为原子事实这一西方思想的特征,必须用把实在作为一个整体来进行想象和描述的方法来加以补充,为了用非分裂的术语组成适当的语言工具来表述这类思想,波姆提出了他称之为“流式”(rheomode)的一种新语言。通过避开正规英语具有的分裂性特征的约束,这种语言表示了实在的“卷入”和“展开”的永无休止的流动,并与“一个总序在某些潜在意义上寓于空间和时间的每一区域中”这一事实达到一致,正像全息图的一部分以一种不可分割的反映包含了其整体一样。
波姆想要解决的问题,是要找到描述隐序和显序的语言的合适的数学化形状。因为通常的物理规律的数学化形式是以连续性的时空坐标的应用为基础的,本身并不适应隐序或显序的非定域性本质,所以波姆在70年代初期试图利用组合拓补学(combinatorial topology)来达到这个目的,他还应用了不把时空连续统作为预设基础的同调(homology)和上同调(cohomology)理论的表述形式。事实上,他以这种方式对经典电动力学的规律重新进行了形式化处理,并研究了对引力理论和基本粒子理论作同样工作的可能性。波姆的同事F. A. 弗里斯古拉和B. J. 海利随后发展了一种不同的方法。他们证明,隐序的某些特征早已在格拉斯曼、哈密顿和克里福德的工作中就有所预示,特别是他们证明:克里福德的代数,更确切地说,这种代数内部的自同构(automorphisms)能够为隐序的数学化形式起到一个重要的作用。
波姆本人并不主张他已经找到了终极真理。他总是强调他的工作只是朝着一个新方向迈出的第一步。
甚至那些不赞同他的观点的人,也钦佩他的思想的原创性和独立性,还有他那个性中突出的理智上的诚实和不可妥协性。谨祝他在未来的岁月里,继纹以杰出的奉献和卓越的才能为科学和人类服务。
[Foundations of Physics,Vol. 18,No. 7,1988]