11、再论“单光子偏振态”是虚幻概念

       本文继续博文8的讨论，再次论证“单光子偏振态”概念实乃虚幻，如同空中阁楼，根本就不存在，所以建立在该概念基础上的所谓量子力学新进展，包括获奖项目“多光子纠缠和干涉度量学”以及衍生出来的冠名量子卫星和量子计算机的“惊天成就”，都是靠不住的。之所以再次论证，为的是精益求精，必要的事情应该一说再说，不嫌重复，更为直接的原因则是由史料引发出来的联想，指的是两位德高望重的量子力学大家，在十年多前的2006年6月和2007年1月先后发表在《大学物理》的两篇教学研究文章[1、2]，在后一篇文章中，关洪教授重点引用并作为立论依据的是前一篇文章中喀兴林教授的论断：“量子力学中根本没有偏振这个概念”，将该论断和博文8以及本博文11的命题进行对照就可辨认，前者讲的是对量子力学基本概念的认识，而后者则是前者在光子学中的具体表现，两者是相辅相成的。此外关洪教授还阐述了“光子偏振”概念的历史渊源，介绍了试图纠正该错误观念的艰辛和困难，发人深省，在后面再详细论述。

“单光子偏振态”是“多光子纠缠和干涉度量学”赖以生存的基石，1997年由奥地利物理学家Zeilinger领导的科研团队，借此概念最先给出“量子离物传态”的实验报道，论文发表于学界顶级刊物“Nature”，他当时来自中国的博士研究生潘建伟在其中起到重要作用，论文作者排序第二。我曾经想弄明白该实验究竟是怎么回事，但一直不能如愿，现在认为已无必要，这是在浏览文献《量子力学新进展》第二辑，反复拜读由第一主编给出的权威介绍后得出的判断，据说该实验“产生的两个光子的偏振是正交的，即一个是水平偏振，另一个是垂直偏振，它们构成一个纠缠光子对[3]”。该实验是此后20年来潘建伟进一步发扬光大系列工作的基础，但是它在理论上是根本站不住脚的，所以相关工作成果都应该另当别论。

在博文1中已经说过，本人虽然受过量子力学科班教育的启蒙，师从朱洪元先生学习量子力学和量子场论课程，但自1965年大学毕业之后有20余年没有直接涉及量子力学领域，再次回归时对一些术语感觉陌生，其中就有“光子的偏振”，初步搜寻后以为源自于那本在国内极具代表性并有广泛影响的量子力学教科书，说的是“光子还可以有两个独立的偏振态”以及“…因此只能认为：一个偏振光束中，每一个光子处于一定的偏振态。线偏振光束中的光子处于线偏振态，圆偏振光的光子处于圆偏振态，等等”[4]。

       先前在博文中曾反复阐述，在量子力学中不能随意借用经典力学的概念，倘或上升到理论高度，至少关系到自然哲学的认识论，亦即对唯物辩证法基本规律的认识，具体指的是量变到质变。举一个简单的例子，比如我们周围的空气，只要没有风，不管指的是没有自然风还是没有人造风，那么空气就是静止不动的，它的整体速度等于零；但是从微观的角度，谁都知道空气分子无时不刻都在激烈的热运动，从“百度”查一下就被告知室温条件下空气中气体分子的平均速度高达461m/s，相当于枪弹的速度。也就是说从空气宏观上的静止状态，并不能自然导致在微观状态下，组成空气的气体分子也处于静止状态。

再举一个反过来的例子，比如一枚纯金币，具有其特殊的耀眼黄金色，通常圆形并雕有图案花样，拿在手里有沉甸甸的感觉，置于高温炉中将融化成液体，所有这些诸如颜色、大小、形状、比重和熔点等特征都是有确切定义的，可具体测量的物理量，藉此可将金币区分于其它物品。但是对于构成金币的金原子而言，显然它可以方便地转移到我们的手指上，只要稍许用力碾磨几下金币就可能粘附上不止一个金原子，这时上述作为金币特征的颜色、大小形状、比重和熔点等都将不复存在。也就是说从金币宏观上的特征状态，并不能自然导致在微观状态下，组成金币的金原子也具有相同的特征状态。倘或要究其原因，那么我是这样理解的：大体上可以解释为在凝聚状态下，金原子在空间排列形成点阵，其间隔是确定的，即为点阵常数或晶格常数，金原子本身是有重量的，再由晶格常数导出晶胞的体积，这样就有了黄金的比重；金原子按其晶格常数的整齐排列形成了具有特定光栅常数的光栅，在光照下反映出黄金的特殊光彩。该解释不一定准确，但作为科普性质应该是可以的，由此可见黄金的比重和颜色等特征，只有在大量的金原子聚集在一起时才有可能呈现，个别的金原子不再具备黄金的比重和颜色，以及大小、形状和熔点等特征。

总而言之，个人认为可以断言：从光波宏观上的偏振状态，并不能自然导致在微观状态下，组成光波的光子也具有同样的偏振状态。更何况光子与光波的关系，较之空气分子与空气的关系，或者较之金原子与金币的关系，在认知方面的差异要更大。通常对空气分子或金原子的认知，在很大程度上仍然带有宏观物理量的痕迹，比方分子运动速度、分子量、原子量、晶格常数等等，它们之间的关系大体上属于群体与个体的关系，严格说还没有进入宏观与微观之间相互关系的层面。然而对于组成光束的光子而言，前文（博文5）已经表明：“光子只能由光子态矢函数给出完整描述，但光子态矢函数以复矢量形式存在于抽象的希尔伯特空间，不是可观察的物理量。…必须时刻牢记的是：在真实的物理空间，包括光子在内的任何微观粒子都不具备形状或大小等物理属性”。所谓“光子的偏振”，无论怎样定义或辩解，至多理解成光子的某种形状而已，但光子没有所谓形状的物理属性，所以“光子的偏振”纯属虚构，建立在此基础上的量子力学新进展，原则上是不可相信的。

       现在我认识到可以将博文8以及本博文11的命题“单光子偏振态是虚幻概念”归属于喀兴林教授2006年7月所言“量子力学中根本没有偏振这个概念”在光子学领域的体现，但我在2016年11月10日发表博文8时还不知先前已经有此断言。之前约一个月我曾应邀在原工作单位举行过一个三、四十人的学术讲座，参加者除了研究生以外，还有十多位包括数位博士生导师在内的教师，在互动讨论时我曾对博文8的内容作过介绍，得到普遍的认同，现场没有异议，特别赞同从量变到质变的认知，对单光子偏振态是虚幻概念的论证。之后我以满腔的热情和深切的期望发表博文8，在博文的最后是这样写的：“欢迎批评指正，期盼有所争议，乐于参与讨论”，但博文发表后反响寥寥，使我很是郁闷，只是在近来读到上述关洪教授的文章后才有恍然大悟的感觉，原来是有前因后果的！

       从关洪教授的文章得知，“光子的偏振”概念源自于狄拉克的《量子力学原理》，这是一本影响深远的皇皇巨著，是任何从事量子力学领域的研究者都值得拜读的经典文献，其在量子力学中的地位，如同牛顿的《自然哲学的数学原理》在经典力学中的地位，回忆起来自己以前或许也读过，只是当时不明事理，一般浏览而已，看了也是白看，过后也就忘了。现在清楚知道其第一章第二节的标题就是“光子的偏振”，关洪教授说他很早就对“光子的偏振”不以为然，时间至少在他发表上述文章25年前第一次讲授量子力学课程期间，折算下来是1982年。当时国内不少量子力学教材都沿用狄拉克的这种被当作“经典”的讲法，所以他也跟着这样讲，但是一边嘴上讲一边心里就觉得别扭，讲完之后才想清楚了，这种论证与量子力学没有什么实质上的联系。对于关洪教授的这段叙述，由于我也担任过高校教师，恪尽职守并主讲过诸如量子电子学、量子光学等与量子力学相关课程，感同身受，开讲一门课程与自如地讲透这门课程之间有很大的差距，只有通过认真备课和讲授，才能不断地获取真知灼见。在之后的25年，关洪教授在他所讲的量子力学课和写的量子力学教材中就不再用这种讲法了，但是却不曾把这一认识写到著作中去，这是因为他“在会议上的发言不止一次地受到个别听众的强烈排斥”，其“理由是狄拉克是不会错的，所说过的话是不容质疑的”。正是由于长期受到的压制和心中的郁闷，所以当关洪教授见到上述喀兴林教授的论断“量子力学中根本没有偏振这个概念”时，表示“万分钦佩”，“特别是他胜似后生的勇气”。关洪教授还指出：“没有看到过国内外其他作者发表过类似的意见”，以关洪教授渊博的学识和严谨的治学态度，不用多加搜寻，相信国内外确实鲜有公开发表的类似意见。

       综上所述，以我现在对量子力学的认识，一方面，我不仅完全赞同令关洪教授钦佩的喀兴林教授的论断“量子力学中根本没有偏振这个概念”，进而强化了我本人对“单光子偏振态是虚幻概念”的信念；另一方面，我不得不承认直到目前为止，“光子的偏振”概念仍然占据量子力学领域的主流意识和主导地位。之所以会这样，第一，狄拉克在他的经典著作“量子力学原理”中首先倡导，影响了一代又一代后继学者；第二，有相当数量狄拉克该观点的拥护者，其中既不乏业界权威，他们曾在自己的著作中引用阐述，容不得别人质疑，又不乏盲从追随，为由此概念引导出来的“量子力学新进展”鼓噪呐喊；第三，对于读者、旁观者和群众来说，包括媒体和领导，绝大多数处于不明事理的状态，少数有如关洪教授、喀兴林教授这样的质疑者，由于这样或那样的原因，难以公开表白，更难以坚持不懈。

       面对如此严峻的形势，我的态度将一如既往，仍如在博文1中所言：“有意将思路重新整理归纳后陆续发表博文，以飨读者，亦作为抛砖引玉，引发关注和批评指正，期盼集思广益，在理解量子力学的征途中修桥铺路，起到一丁点儿添砖加瓦的作用，告慰人生”。正因为如此，所以我在博文8“单光子偏振态是虚幻概念”之后续写本博文11“再论单光子偏振态是虚幻概念”，继续质疑。光子是否具备偏振特征归属于对量子力学基本概念的认识，量子力学无疑是有史以来最成功但又最令人迷惑的理论，著名学者费曼先生因为量子力学的杰出成就获得1965年度诺贝尔物理学奖，他在获奖的当年对此有过极为精彩的描述：“我认为我能保证地说，没有人理解量子力学”，该译文出自2001年时任中国科协主席、前任中国科学院院长的物理学家周光召先生为纪念量子论诞生100周年的专稿[5]，可见直到他发稿的那个时候，仍然赞同费曼先生的观点。此后虽然又过去了16个春秋，个人认为情况并没有多大变化，上述获奖项目不过冠以量子力学名义，招摇撞骗而已。

       有一点我觉得挺重要的，那就是找准切入点，鞭辟入里。由于“多光子纠缠和干涉度量学”已经获得了2015年度国家自然科学一等奖，是中国自然科学领域的最高奖项，这两年又继续衍生出来量子卫星和量子计算机的“惊天成就”，其宣传铺天盖地、甚嚣尘上。虽然早就有不同意见，其持有者并非等闲之辈，一直持激烈批评或根本否定的态度，包括建议撤销该最高奖项，但都无济于事。该奖项和随后的惊天成就既然不是简单的不相信或者反对能够动摇的，那么就有必要追踪溯源，看看究竟那里不对。由于量子力学的神秘感已经被渲染的云里雾里，普通人很难明辨，因此需要返璞归真，从最简单明辨的事件着手，我以为可以是上述那个令潘建伟声名鹊起的“量子离物传态”实验，在于“他们采用单光子偏振态作为待传递的量子态[3]”，正如前面已经论证的那样，光子没有偏振的概念，如同金原子没有颜色的概念，用单光子偏振态作为待传递的量子态去证实“量子离物传态”的实验，好有一比，即如同认定金原子具有黄金一样的特殊颜色而试图设计某种冠名量子力学名义的微量探测仪器，仅凭借金原子的“颜色”就可以探寻到金矿一样，是不可相信的。

总而言之，正如开篇所言，“单光子偏振态”概念实乃虚幻，如同空中阁楼，根本就不存在，所以建立在该概念基础上的所谓量子力学新进展，包括获奖项目“多光子纠缠和干涉度量学”以及衍生出来的冠名量子卫星和量子计算机的“惊天成就”，都不过是一件又一件皇帝的新衣而已。当然，情况是不一样的，皇帝实际上没有穿衣服谁都看的明白，而上述获奖项目的真伪包括专家在内都难辨是非，但是只要保持那么一份真诚和定力，总有真相大白的时候。这使我又联想到上述关洪教授对光子偏振的质疑历程，“百度百科”对关洪教授的介绍是这样的：“关洪，我国著名科学史家，中山大学物理系教授。关洪教授1962年毕业于北京大学物理系，1965年北京大学研究生毕业，亲炙胡宁教授。关洪在物理学史方面有自己独到的见解，他是国内少有的既懂物理学的最新进展，又对物理学史有深入研究的专家。”关洪教授对光子偏振的质疑持续时间少说也有25年，期间被权威非难了不知有多少次，有苦难言，终于见到喀兴林教授的判断“量子力学中根本没有偏振这个概念”，一吐心中郁闷。虽然我不无遗憾地获悉，关洪教授上述2007年初发表的文章很可能是他的学术绝笔，因为他在当年10月就因病永远离开了人世，有道是圣人所言：“人之将死，其言也善”，关洪教授在离临终不到一年之际还为澄清量子力学基本概念而大声疾呼，令人感慨万千，谨以此文作为十年祭奠，定当缅怀遗志，为量子力学基本概念的正本清源不遗余力。所以尽管博文8反响寥寥，仍然有必要再接再厉、锲而不舍，我又想到博文8之前的那个学术讲座，参加者的基本情况是：1、都学过量子力学，对基本概念或多或少有所了解；2、都知道项目“多光子纠缠和干涉度量学”获得国家最高奖，赞赏有加，基本上没有怀疑。听众对我质疑光子偏振概念普遍表示赞同，固然出于他们对于我个人在该单位辛勤耕耘30余年（包括退休之后）所积累的信任，更重要的在于对所讲命题的认可，尽管没有现在讲的明白透彻，但还是做到实在、自洽、无懈可击，可见是可以被人们接受的。从网上获悉，对“多光子纠缠和干涉度量学”及其衍生“成就”的质疑者不是一个两个，但仍有必要壮大队伍，关键是解放思想，破除迷信，探索真理，我很乐意成为其中的一员，并期盼有更多的仁人志士参与，不由地想到先贤的一句名言，稍稍改动两个字：“证伪尚未成功，同志仍须努力”！

       文责自负，还是先前的那几句话：欢迎批评指正，期盼有所争议，乐于参与讨论。

参考文献

[1]  喀兴林，谈谈量子力学中的状态叠加原理. 大学物理，2006，25(6)：1-4．

[2]  关洪，关于量子力学中态叠加原理的讨论. 大学物理，2007，26(1)：7-12．

[3]  曾谨言等主编，《量子力学新进展》第二辑，曾谨言等，量子离物传态与纠缠态的结构，北京大学出版社，2001年，p.127

[4]  曾谨言，《量子力学》（第二版），科学出版社，1997年，卷Ⅱ，p.406；卷Ⅰ，p.55

[5]  周光召，回顾与展望—纪念量子论诞生100周年，《物理》30卷（2001年）5期，p.259 - 264