丹青上帝掷骰子吗撒出来没效果

不是怀疑自己怀疑人生怀疑世界就是单纯的疯了而已……需要有人开导啊啊啊

  • 然后被物理俩字吓跑了,再没有然后

“上帝不会掷上帝掷骰子吗”是著名物理学家

的名言人们把这句名言当做他断然否定量子力学的证据,因为

把随机性看作是物理世界的内禀性质但人们其实误解了他。

“无论如何我都确信,上帝不会掷上帝掷骰子吗”多年以来,爱因斯坦的话已经成了他反对量子力学及其随机性的标志但人们其實误解了他。

“上帝不掷上帝掷骰子吗”——爱因斯坦的名言中很少有哪句话像这句被引用得如此之多人们自然而然地把这句名言当做怹断然否定量子力学的证据,因为

把随机性看作是物理世界的内禀性质

在大众心目中,故事是这样的爱因斯坦拒绝接受这样一个事实:一些事情是非决定论的——它们发生就是发生了,人们永远找不出原因在同时代的人中,他几乎是惟一一个还抱此信念的:他坚信宇宙是经典物理式的像钟表那样机械地嘀嗒运转,每个瞬间都决定着下个瞬间掷上帝掷骰子吗的这句台词象征了他人生的另一面:提出楿对论的物理革命者可悲地变成了保守派,在量子理论方面“落后于时代潮流”——尼尔斯·玻尔(Niels

然而多年以来许多历史学家、哲学镓和物理学家都对这个故事提出了质疑。深入研究爱因斯坦所说的原话之后他们发现爱因斯坦关于非决定论的思考远比大多数人认为的哽激进,也更细致入微“正确理解这件事情成为我们的一项使命,”美国圣母大学的历史学家唐·A·霍华德(Don A. Howard)说“深入发掘文献资料以后,我们看到事实与一般叙述截然不同这令人吃惊。”就像他和其他人证明的那样爱因斯坦其实承认了量子力学的非决定性——悝应如此,因为就是他发现了量子力学中的非决定论而他所不能接受的是,非决定论是大自然的基本原则非决定论从各个方面都暗示著物理现实存在一个更加深刻的层次,而这正是量子理论所不能解释的爱因斯坦的批评并不神秘,相反其关注的一些科学问题,时至紟日仍未解决

宇宙究竟是像发条装置还是掷上帝掷骰子吗的桌子,这一问题触及了物理学的核心在我们看来,物理学就是在缤纷繁复嘚大自然中寻找隐藏的简单原理如果一件事情会无缘无故地发生,那么就意味着我们的理性探寻在这里达到了极限“如果非决定性是┅种基本原则,这将意味着科学的终结”麻省理工学院的宇宙学家安德鲁·S·弗里德曼(Andrew S. Friedman)担心地说。

但是历史上的哲学家已经假定非決定论是人类自由意志的先决条件要么我们都是发条装置中的齿轮,那么所有事情都是注定的;要么我们是自己命运的主宰那么宇宙終究不是决定论的。分清这种二元对立有非常实际的现实意义它可以帮助社会来决定人应该为自己的行为负多大的责任。关于自由意志嘚假设在我们的法律制度中随处可见:要指控一个人犯罪这个人一定得是有意而为之。为此一直以来法院都在努力鉴别被告是否无辜,是否只是受了精神错乱、青少年的冲动或是堕落的社会背景的驱使

不过,当人们谈论二元对立的时候通常是试图证明它是错的。的確很多哲学家认为争论宇宙遵从决定论还是非决定论毫无意义,因为这取决于研究对象的大小或复杂程度:粒子、原子、分子、细胞、苼物体、思想、社群“决定论与非决定论的区别取决于特定的层次,”伦敦政治经济学院的哲学家克里斯蒂安·利斯特(Christian List)说“如果某个层次是决定论的,那么在更高和更低层次都完全可以是非决定论的”大脑中原子的运动方式可以是完全确定的,而我们依然可以享受行动的自由因为原子和能动性是在不同层次上运作的。类似地爱因斯坦就是试图寻找一个决定论的亚量子层次,同时保证量子层次仍然是概率性的

1、爱因斯坦反对的是什么?

爱因斯坦怎样被贴上了“反量子力学”的标签和量子力学本身一样是个巨大的谜团。“能量子”(quanta)——指不连续的能量单元——这个概念就是他在1905年的思想结晶而且事实上在其后的15年内,只有他一个人支持能量量子化的观點爱因斯坦提出了今天被普遍接受的量子力学的基本特征,比如光既可以表现得像粒子又可以表现得像波动而埃尔温·薛定谔(Erwin Schr?dinger)茬20世纪20年代建立的量子理论最常用的表述,也正是基于爱因斯坦关于波动物理的思考

爱因斯坦并不反对量子力学,他也不反对随机性

茬1916年他证明,当原子发射光子的时候发射时间和角度是随机的。“这与爱因斯坦反对随机性的公众形象截然相反”

但爱因斯坦和同时玳的人都面临着一个严重的问题:量子现象是随机的,但量子理论不是:薛定谔方程百分之百地遵从决定论这个方程使用所谓的“波函數”来描述一个粒子或是系统,这体现了粒子的波动本质也解释了粒子群可能表现出的波动形状。方程可以完全确定地预言波函数的每個时刻在许多方面,薛定谔方程比牛顿运动定律还要确定:它不会造成混乱例如奇点(物理量变得无限大所以无法描述)或混沌(运動无法预测)。

棘手之处在于薛定谔方程的确定性是波函数的确定性,但波函数不像粒子的位置和速度那样可以直接观测它仅仅明确叻哪些物理量是可以观测的,以及每个结果被观测到的可能性量子理论并没有回答波函数到底是什么,以及是否可以把它当做真实存在嘚波动这样的问题所以,我们观察到的随机性是大自然的内在性质还是表面现象这一问题也有待解决“人们说量子力学是非决定论的,但得出这个结论还为时过早”瑞士日内瓦大学的哲学家克里斯蒂安·维特里希(Christian

另一位早期量子力学的先驱

Heisenberg)把波函数想象成掩盖了某种物理实在的迷雾。如果靠波函数不能精确地找出某个粒子的位置实际上是因为它并不位于任何地方。只有你观察粒子时它才会存茬于某处。波函数或许本来散开在巨大的空间中但在进行观测的那个瞬间,它在某处突然坍缩成一个尖峰于是粒子在此处出现。当你觀察一个粒子时它就不再表现出确定性,而是会“嘣”的一下突然跳到某个结果就像是抢椅子游戏中一个孩子抢到了一个座位一样。沒有什么定律可以支配坍缩没有什么方程可以描述坍缩,它就那样发生了仅此而已。

波函数的坍缩是哥本哈根诠释的核心这个诠释甴玻尔和他的研究所所在的城市命名,海森堡也在此处完成了他早期的大部分工作(讽刺的是玻尔自己从来没有接受波函数坍缩的观点)。哥本哈根学派把观察到的随机性看作量子力学表面上的性质而无法做出进一步解释。大多数物理学家接受这种说法仅仅是因为心悝上的“锚定效应”:这个解释已经足够好了,而且是最早的一个

虽然爱因斯坦并不反对量子力学,但他肯定反对哥本哈根诠释他不囍欢测量会使得连续演化的物理系统出现跳跃这种想法,这就是他开始质疑“上帝掷上帝掷骰子吗”的背景“爱因斯坦在1926年所惋惜的是這一类具体的问题,而并没有形而上地断言量子力学必须以决定论为绝对的必要条件”霍华德说,“他尤其沉浸在关于波函数的坍缩是否导致非连续性的思考中”

爱因斯坦认为,波函数坍缩不可能是一种真实的过程这要求某个瞬时的超距作用——某种神秘的机制——保证波函数的左右两侧都坍缩到同一个尖峰,甚至在没有施加外部作用的情况下不仅是爱因斯坦,同时代的每个物理学家都认为这样的過程是不可能的因为这个过程将会超过光速,显然违背相对论实际上,量子力学根本不给你自由掷上帝掷骰子吗的机会它给你成对嘚上帝掷骰子吗,两个上帝掷骰子吗的点数总是一样即使你在维加斯(Vegas)掷一个上帝掷骰子吗而另一个人在织女星(Vega)掷另一个。对于愛因斯坦来说这明显意味着上帝掷骰子吗中包含了某种隐藏的性质,可以提前修正它们的结果但哥本哈根学派否定类似的东西存在,暗示上帝掷骰子吗的确可以相隔遥远的空间而互相影响

哥本哈根学派给测量赋予的魔力进一步困扰了爱因斯坦。到底什么是测量呢是鈈是只有意识的生命或者终身教授才能进行测量?对此海森堡和其他哥本哈根学者没能详细地解释。有人提出是我们的观察行为造就叻现实——一个听起来很诗意的想法,但或许有点太诗意了哥本哈根学派认为量子力学是完备的、是永远不被取代的终极理论,而爱因斯坦认为这种想法过于轻浮他把所有的理论,包括他自己的都当做是更高级的理论的垫脚石。

爱因斯坦认为如果抓住

未能解释的问題,就会发现量子随机就像物理学中其他所有类型的随机一样是背后一些更加深刻过程的结果。爱因斯坦这样想:阳光中飞舞的微尘暴露了不可见的空气分子的复杂运动而放射性原子核发射光子的过程与此类似。那么量子力学可能也只是一个粗略的理论可以解释大自嘫基础构件的总体行为,但分辨率还不足以解释其中的个体一个更加深刻、更加完备的理论,或许就能完全解释这种运动而不引入任哬神秘的“跳跃”。

是一种集体的描述就像是说,如果重复掷一个公平的上帝掷骰子吗每一面向上的次数应该是大致相同的。波函数坍缩不是物理过程而是知识的获得。如果掷一个六面的上帝掷骰子吗结果向上的那面是4,那么1至6发生的可能性就“坍缩”到了实际的結果即4。如果存在一个神通广大的魔鬼有能力追踪影响上帝掷骰子吗的所有微小细节——你的手把上帝掷骰子吗丢到桌子上滚动的精確方式——它就绝对不会用“坍缩”来描绘这个过程。

爱因斯坦的直觉来自他早期关于分子集体效应的工作该研究属于物理学的一个分支,称为统计力学其中他论证了哪怕背后的现实是决定论的,物理学也可以是或然性的1935年爱因斯坦写信给哲学家卡尔·波普尔(Karl Popper):“你在你的论文中提出不可能从一个决定论的理论导出统计性的结论,但我认为你是错的只要考虑一下经典统计力学(气体理论,或者咘朗运动理论)就能知道”

爱因斯坦眼中的概率同哥本哈根诠释中的一样客观。虽然它们没有出现在运动的基本定律中但它们表现了卋界的其他特征,因而并不是人类无知的产物在写给波普尔的信中,爱因斯坦举了一个例子:一个匀速圆周运动的粒子粒子出现在某段圆弧的概率反映了粒子轨迹的对称性。类似地一个上帝掷骰子吗的某一面朝上的概率是六分之一,这是因为六面是相同的“他知道茬统计力学中概率的细节里包含有意义重大的物理,在这方面他的确比那个时代的大多数人都理解得更深。”霍华德说

中获得的另一個启发是,我们观察到的物理量在更深的层次上不一定存在比如说,一团气体有温度而单个气体分子却没有。通过类比爱因斯坦开始相信,一个“亚量子理论”(subquantum theory)与量子理论应该有显著的差别他在1936年写道:“毫无疑问,量子力学已经抓住了真理的美妙一角……但昰我不相信量子力学是寻找基本原理的出发点,正如人们不能从热力学(或者统计力学)出发去寻找力学的根基”为了描述那个更深嘚层次,爱因斯坦试图寻找一个统一场理论在这个理论中,粒子将从完全不像粒子的结构中导出简而言之,传统观点误解了爱因斯坦他并没有否定量子物理的随机性。他在试图解释随机性而不是通过解释消除随机性。

虽然爱因斯坦总体的计划失败了但是他对于随機性的基本直觉依然成立:非决定论可以从决定论中导出。量子和亚量子层次——或大自然中其他成对的层次——各自包含有独特的结构所以它们也遵从不同的定律。支配某个层次的定律可以允许真正的随机性存在即使下一层次的定律完全是秩序井然的。“决定论的微觀物理不会导致决定论的宏观物理”剑桥大学的哲学家杰里米·巴特菲尔德(Jeremy

在原子的层面上考虑一个上帝掷骰子吗。它的原子构造可鉯有无数的可能性而肉眼无法区分。上帝掷骰子吗被掷出的时候如果你追踪其中的任何一个构造,会观察到一个特定的结果这完全昰确定性的。某些构造会造成上帝掷骰子吗1点朝上某些其他的构造会造成上帝掷骰子吗2点朝上,等等所以,单一的宏观条件(被掷出)可以导致多种可能的宏观结果(表现为六面中的某一面朝上)“如果我们在宏观的层次上描述上帝掷骰子吗,我们可以把它看做一个尣许概率客观存在的随机系统”与法国塞吉-蓬图瓦兹大学数学家马库斯·皮瓦托(Marcus Pivato)一起研究层级啮合的利斯特说。

虽然更高的层次建立(用术语来说就是“随附”supervene)于低层次上,但它是自己独立运行的为了描述上帝掷骰子吗,你需要在上帝掷骰子吗所在的层次上努力而当你做这件事的时候,你只能忽略原子和它们的动力学如果你从一个层次跨越到另一个层次,那么你就出现了“范畴错误”鼡哥伦比亚大学哲学家戴维·Z·艾伯特(David Z.Albert)的话说,就像是在询问金***鱼三明治的政治立场一样“如果有某种现象可以在多重层次上描述,那么我们在概念上就要非常谨慎以避免层次上的混淆。”利斯特说

层次的逻辑反过来也管用:非决定论的微观物理可以导致决定論的宏观物理。组成棒球的原子随机地运动但棒球的飞行轨迹却完全可以预测,因为量子随机被平均掉了同样地,气体中的分子有复雜的运动(实际上是非决定论的)但气体的温度和其他的特征可由非常简单的定律描述。还有更大胆的推测:一些物理学家例如斯坦鍢大学的罗伯特·劳克林(Robert Laughlin)提出,低层次是完全无关紧要的无论基础组分是什么东西,都能有相同的集体行为毕竟,像水中分子、煋系中恒星和高速公路上的汽车这些多种多样的系统都遵循流体运动定律。

当你从层次的角度思考非决定论标志科学的终结的顾虑就蕩然无存。我们周围并没有一堵墙把遵守物理定律的宇宙整体与其他不遵守定律的部分隔开。相反地世界是由决定论和非决定论组成嘚层状蛋糕,而人类就存在于这个层状蛋糕中即使粒子的所有行为都是已经注定的,我们的选择依然可以完全由我们自己决定因为支配粒子行为的低层次定律与支配人类意识的高层次定律是不同的。这种观点化解了决定论与自由意志的困境

实际上,霍华德认为爱因斯坦会乐于考虑非决定论只要他的问题可以得到回答——比如,如果有人能解释清楚什么是测量以及没有超距作用的情况下粒子如何保歭关联的话。有一些迹象可以表明爱因斯坦并没有把决定论作为首要要求:他要求替代哥本哈根诠释的决定论式理论也能解释上述两个问题并否决了这些替代理论。另一位历史学家来自华盛顿大学的阿瑟·法恩(Arthur Fine)认为霍华德夸大了爱因斯坦对非决定论的接受程度,但与引起好几代物理学家误解的掷上帝掷骰子吗故事相比法恩认为霍华德的想法更有依据。

的诞生和成熟期物理学家们发现,对一个

系统莋单个测量在原则上不能得到精确的结果,而只能得到获得某种结果的概率是多少例如,如果对一个没有被“极化”的电子进行量子仂学测量我们可以得到自旋±1/2的概率各为1/2,却不能准确预期

的值究竟为+1/2或为-1/2。

对于量子力学测量的上述不可精确预期性或

存在好几種不同的解释其中有两个主要的派别。一是所谓“正统派”或“

”,由大多数量子物理学家所持守二是以

为代表的少数非正统派。“正统派”以为量子力学(包括量子力学测量)对

的描述是完备的言下之意,随机性或不可精确预期性是客观物理世界的一个根本方面爱因斯坦至死都不接纳这种观点。他认为

的描述是不完备的言下之意,随机性或不可精确预期性不是客观物理世界的根本方面只不過是人们对它的认识不完备而已。“上帝不会掷上帝掷骰子吗”正是爱因斯坦用宗教的术语来表达他对量子力学和客观物理世界的根本看法

  《上帝掷上帝掷骰子吗吗——量孓物理史话》这本书太精彩了!

   这是一个什么样的世界政治家、艺术家、商人、媒体、微信......时刻都在影响我们的判断、修订我们的***。这本书用浅显易懂的科学语言向我们讲述了完全不同的世界如今这类声音是很难得听到的,可绝对是美妙的也是有力的,只要我们仔细的认真聆听必定震撼我们的心灵:啊?这世界难道是这样的

这是一本科学史书,讲述了量子物理学发展的故事可千万别以为这昰一本枯燥乏味、晦涩难懂的教材,作者承诺只要读者具备初中数学和高中物理知识,阅读本书就没有任何障碍他凭借深厚的科学素質和文学修养,把本书写的如同武侠小说一般学术之争变成武林门派之争,众多科学巨星如同一个个绝世武林高手经过一次次比拼切磋,他们共同缔造了量子物理这部武林秘籍攀上了人类文明的顶峰。这秘籍本身虽然博大精深奥妙无穷但通过作者深入浅出的介绍,唍全可以让我们不知其所以然却知其然足够拓宽我们认知世界的角度,改变我们的思维方式

“上帝是数学家,唯一能够描述宇宙的语訁是数学”数学、物理、哲学是不可分割的,先从物理和数学开始:

01.黄金时代从电磁波的故事开始,说光是电磁波的一种引出了长達数个世纪之久的战争——波粒之争。这世间的一切究竟是波还是粒子牛顿说是粒子,麦克斯韦说是波可无论如何,经典力学、经典電动力学、经典热力学形成了物理世界的三大支柱在那个经典物理的时代,人们相信上帝造物的奥秘已经被完全掌握了,一切物理现潒都可以从现成的理论里得到解释一切的一切,都在人们的控制之中那是一段伟大而光荣的日子,理论与常识完美契合只是有一些實验细节和新的发现还无法解释,犹如一片晴空下的一丝乌云

02.乌云。在经典物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵小乌云第一朵乌云是咣以太的难题,对应迈克尔逊-莫雷实验该实验失败的证明了以太的存在;第二朵乌云是麦克斯韦-波尔兹曼能量均分学说的难题,对应黑體辐射实验和理论的不一致而最终,第一朵乌云导致了相对论革命的爆发第二朵乌云导致了量子论革命的爆发。这第二朵乌云是说在嫼体问题上如果从粒子角度出发,能得到适用于短波的理论公式如果从电磁波角度出发,能得到适用于长波的理论公式可一个现象怎么能有两套理论呢?后来普朗克解决了这个难题他花了6年时间试图从物理学角度去解决却徒劳无功,然后他换了个思路从数学角度拼湊出了一个既适用短波又适用长波的普适公式被实验证明是正确的,但却无法从理论上找到解释终于,普朗克推断:能量在发射和吸收的时候不是连续不断,而是分成一份一份的1900年12月14日,普朗克为这个世界带来了量子!还有一个简单优美又力量无穷的公式:E=hv(E是单個量子的能量v是频率,h就是神秘的量子常数)感谢上天,在一百多年后的今天我们周围的一切几乎都拜这个量子所赐!

(小贴士:關于连续性的芝诺悖论,阿克琉斯追龟辩对于这个让当年哲学家头疼的问题,量子论告诉我们“无限分割”的概念是一种数学上的理想,而不可能在现实中实现时间空间一切都是不连续的。)

1900年12月14日普朗克42岁,爱因斯坦21岁波尔15岁,薛定谔13岁德布罗意8岁,泡利和海森堡不满1岁狄拉克还没有出生。这是多么荣耀的光辉岁月这是多么闪亮的人类明星。

03.火流星由光电效应(光的频率决定了能否从金属表面打出电子,光的强度决定了打出电子的数目)引出了爱因斯坦1905年3月18日(同年6月30日提出狭义相对论9月27日提出质能方程E=mc2,这是多么渏幻的一年啊)的光子理论:光以量子的形式吸收能量没有连续性,不能累积还记得第一章里光是电磁波的论述吗?波粒大战干戈再起第一次战争牛顿的粒子赢了,第二次战争麦克斯韦的波赢了这一次呢?这最后的决战使波和粒子领悟到了各自存在的终极意义:如果没有了你我独自站在这里,又是为了什么1913年波尔提出了新的原子结构理论:围绕原子核的电子具有特定的轨道,电子在轨道间的跃遷是量子化的行为E2-E1=hv并且电子在空间中的运动方向也是量子化的,同样是不连续的

04.白云深处。波尔的理论在原子世界是成功的可是从原子范围扩大到平常世界时,量子效应又消失了麦克斯韦的理论成为主宰,这是为什么1918年,波尔提出对应原理1925年,泡利提出不相容原理揭示了原子内部的一些基本行为准则,可是还是无法解释很多现象这也注定了波尔体系的衰落。这时德布罗意波(相波)出现叻,德布罗意推断:电子在前进时本身总是伴随着一个波。电子是一个波!他说电子在通过一个小孔时,会产生一个可观测的衍射现潒虽然不可思议,但很快就被实验证实了!爱因斯坦刚刚提出了光子的概念德布罗意又说电子是波。这个物质世界究竟是粒子还是波这时,海森堡出场了

05.曙光。矩阵力学:海森堡从观测到的原子谱线出发发现了矩阵Matrix,用二维矩阵来描述电子的能级差来描述一切,然后狄拉克把这晦涩的矩阵用相对容易理解的q数替代这里的明星们从数学角度来描述了各种物理理论,以数学为唯一导向强调光谱線非连续性的一面,带有粒子的影子所以特点是粒子性和不连续性,代表人物海森堡幕后主角是波尔。

06.殊途同归波动力学:薛定谔從另一个角度出发,从德布罗意波的概念推出了薛定谔波动方程揭示了为什么电子只能在特定的能级上运行。这里强调电子作为波的连續性的一面以波动方程来描述它的行为,因此特点是波动性和连续性背后人物是爱因斯坦。虽然出发点与矩阵力学完全相反而波动仂学和矩阵力学在数学上又是完全等价的。

关于波动方程的解释波恩又给出了一个***:这个方程描述的不是波,而是电子在某处出现嘚概率!也就是说我们只能预言概率!曾几何时,人们以为天地间的一切自然现象都能用物理学来解释,整个宇宙只不过是一台庞大洏精密的机器从它出生那一刹那起,就有一个确定的命运我们无法了解它,只是因为我们所知道的信息太少而已可是这“决定论”洳今被推翻了,薛定谔方程说整个宇宙包括你我是个概率事件要靠掷上帝掷骰子吗来决定命运,是不确定的!

07.不确定性1927年,海森堡提絀了“不确定性原理”即“测不准原理”说我们永远无法同时准确知道一个电子的位置和动量,测量位置和动量的误差之乘积必定要大於某个常数(h/4π)。前面波恩的“概率解释”说即使给定全部条件,也无法预测任何事的结果。现在海森堡更夸张,他的意思是根本无法给定全部条件,这个前提本身都是不可能的,是不确定的!随后,海森堡在波尔的帮助下进一步指出:不确定性是建立在波和粒子的双重基礎上的也就是同时建筑在连续性和不连续性两者之上。紧接着波尔提出了“互补原理”,指出电子具有波粒二象性它既是粒子也是波,完全取决于人们如何“观察”它朋友们,这世上不存在什么“真实是什么”、“本来是什么”只在观察的那一刻,才决定了它是什么电子也只有在被观察的那一刻,才会表现成波或者粒子我们的参与决定了它应该是什么。这里的哲学意义太丰富了这也是“第彡次波粒战争”的结局。至此波尔的“互补原理”、海森堡的“不确定性原理”、波恩的“概率解释”,三者共同构成了量子论“哥本囧根解释”的核心深刻的影响着我们对于宇宙的终极认识。

好了按照“哥本哈根解释”,不确定性原理和概率解释摧毁了世界的(严格)因果性互补原理和不确定性原理又合力捣毁了世界的(绝对)客观性。换言之不存在一个客观的、绝对的世界,一切都是随机的没有因果关系,唯一存在的就是我们能够观测到的世界,或者说我们所参与的世界

套用一句歌词:“眼前的黑不是黑,你说的白是什么白”量子物理告诉你我这世上没有什么真相,只有行为才决定了真相不要再问“人生的意义是什么”,连宇宙的意义都不存在沒有什么绝对的意义,直到我们付出了行动我们的行为决定了所谓的意义。如此看来贝克莱的“存在就是被感知”,道家说“道无洺”,禅宗说“吾向尔道是第二义”金刚经说“凡所有相,皆是虚妄”王阳明说“你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时则此花颜色一时明白起来......”这些哲学思想倒有几分逻辑和概率上的支撑。

08.决战这里描写了爱因斯坦和波尔之间的争论。爱因斯坦认为┅切皆有因果无法接受物理学里存在不确定性,无法接受上帝掷上帝掷骰子吗的事实然而这一次他都输了,包括著名的爱因斯坦光箱實验每一次思维实验和真实实验都证实了新的理论。虽然直到爱因斯坦去世他还是认为“即使量子论是正确的,那也是不完备的”鈳如今从半导体到核能、从激光到电子显微镜、从集成电路到分子生物学,量子论已成为在实用中最成功的物理理论

虽然量子论成功了,并且也实实在在的改变了我们的生活可是它的内在意义依然扑朔迷离,对它的诠释依旧众说纷纭它像幽灵一般困扰着整个世界,而反对派薛定谔也带来了他那只著名的猫那只又死又活的猫。还有“当我们不观察时月亮是不存在的”这样的论调,听起来就是强烈的主观唯心论

物理学发展到这一步,还适合彻底的唯物主义者研究吗:)

09.歧途。这一章介绍了两种宇宙模型是基于量子论两种主流解釋而衍生的物理模型。第一种是由前面介绍的“哥本哈根解释”带来的“参与型宇宙”为什么说是参与型呢?因为哥本哈根解释里的坍縮现象是由我们的意识造成的我们的意识参与了整个宇宙过程,我们的观测行为本身参与了宇宙的创造过程虽然宇宙在道理上讲已经演化了一百多亿年,但它直到被一个高级生物所观察才成为确定参与型宇宙是增强的人择原理,它不仅表明我们的存在影响了宇宙的性質甚至,我们的存在创造了宇宙和它的历史本身我们选择了宇宙,宇宙又创造了我们

第二种是由“多世界解释”(Many Worlds Interpretation,简称MWI)带来的“多世界宇宙”或者叫“平行宇宙”。多世界解释说在电子双缝实验里根本没有坍缩现象电子没有随机选择左还是右,事实上两种可能都发生了而是我们只能观察到其中一个世界,在另一个世界存在着另一个可能薛定谔的猫也没有既死又话,而是在我们这个世界或迉或活在另一个世界则相反。从宇宙诞生以来已经进行过无数次这样的分裂,它的数量以几何级数增长很快趋于无穷,我们现在所處的只不过是其中的一个宇宙当然分裂这个词并不准确,我们可以试着理解多维数空间的概念一个复杂系统的状态可以看成某种高维涳间中的一个点或者一个矢量(脑补一下画壁)。按照MWI“真实的完全的宇宙”始终只有一个,但是它存在于一个非常高维(可能是无限維)的希尔伯特空间中但这个高维的空间却由许许多多低维的“世界”所构成(正如我们的三维空间可以看成由许多二维平面构成一样),每个“世界”都只能感受到那个“真实”的矢量在其中的投影因此在每个“世界”感觉到的宇宙都是不同的。

那么为什么微观的电孓能感觉到不同的世界宏观的我们却感觉不到呢?“退相干理论”说宏观与微观的区别关键在于其牵涉到的维度不同,随着宏观世界嘚维度增加不同“世界”之间的联系被抹平了,它们相互正交而不干涉量子叠加态在宏观层面上的瓦解,正是退相干的直接后果

在MWI嘚框架中,宇宙只有一个波函数它按照薛定谔方程唯一确定的演化,重新回归了经典的决定论上帝又不掷上帝掷骰子吗了,只不过对於我们这些凡夫俗子芸芸众生来说因为我们纠缠在红尘之中,与生俱来的限制迷乱了我们的双眼让我们只看得见某一个世界的影子。洏在这个投影中现实是随机的,跳跃的让人惊奇的。

如此你是接受“意识怪兽”?还是“宇宙分裂”?

(小贴士:怎样表述一个命题財算是科学的按照证伪派说法,我们对待科学的态度是只要一个理论能够被证明为“错”但还未被证明“错”,我们就暂时接受它为鈳靠正确的不过它必须随时积极地面对证伪,这也就是为什么科学总是在自我否定中不断完善也是科学与宗教的区别。)

10.回归经典夲章先是延续上一章的话题MWI,因MWI而推导出的有趣现象比如如果把薛定谔的猫换***来做实验,也就是“量子自杀”实验那么按照MWI,总囿一个世界这个人是永远不会死去的跳楼也好,卧轨也好他无论如何试图去自杀都不会死,事实上按照MWI推论一旦一个“意识”开始存在,从它自身的角度来看它就必定永生,这就是“量子永生”这又是一个无解的逻辑怪圈了。

还有一样东西必须一提那就是“量孓计算机”。到目前为止计算机自诞生以来并没有什么本质变化,阿兰图灵为它种下了灵魂冯诺依曼为它雕刻了骨架,其他的一切都昰细枝末节万变归一所有的计算机都是这样一种机器:在一端读入信息数据流,按照特定的算法(有限的内态)来处理它并在另一端輸出结果。对于普通的计算机一个bit或者代表0或者代表1,然而对于量子计算机由于量子叠加态,一个bit可以同时记录0和1也就是所谓的“量子比特”(qubit)。所以如果同样是读入10bits的信息传统计算机只能处理一个10位的二进制数,而量子计算机则可以同时处理2的10次方个这样的数可以想象这样的计算能力是多么的恐怖!更要命的是,1985年大卫德义奇已经成功证明了一台通用的量子计算机是可能的!相信不久的将来所有的算法所有的软件所有的交互所有的一切将面临重构。(这里联想到最近很热的区块链打算找来读一读)

好了,上面我们谈到了謌本哈根解释的“意识怪兽”还有MWI的“宇宙分裂”,这都与我们的常识背离所以这里又提到了另一种对量子论的解释:“隐变量理论”。通俗的说就是目前的量子论还是一个不完全的理论还有一些隐藏的变量未被考虑,所以才显得不可预测如果能发现这些隐变量,那么整个系统依然是确定和可预测的符合严格因果关系的。这里最成功的是波姆的隐变量理论他说电子本质上是一个经典的粒子,但鉯它为中心发散出一种量子势场这种势弥漫在整个宇宙,这种势能在宇宙的任意点之间瞬间传递信息波姆的理论在恢复了世界的实在性和决定性的同时,却放弃了定域性所谓定域性,简单来说就是相对论指出的:不存在超光速的通信世界是不是定域的?这里引出了┅个裁判:贝尔不等式

11.不等式的判决。如果我们的世界本质是经典的那么必须同时满足:1.定域性,也就是没有超光速信号的传播2.实茬性,也就是存在着一个独立于我们观察的外部世界而贝尔不等式就是判定宇宙最基本性质的试金石:如果世界是经典的,那么在EPR佯谬(一对分裂的粒子无论相隔多远都保持相关性)中贝尔不等式就必须得到满足,反之则可以突破

最近的一系列实验已经证明:贝尔不等式是可以突破的。也就是说世界不可能既是定域的又是实在的。我们要么放弃定域性要么放弃实在性。

如果放弃实在性那么可以選择相信哥本哈根解释的“意识怪兽”,或是在一个高层次的角度上保留决定论选择相信MWI。这些都背离了我们的常识

如果放弃定域性,那我们必须容忍超光速信号的存在可爱因斯坦说超光速意味着获得了回到过去的能力,虽然存在并不等于可以被利用目前所发现的超光速也不能携带能量和信息,可承认超光速总是让人感觉不妥

怎么办?虽然这些看似与我们的日常生活无关每天太阳照常升起,我們照常穿衣吃饭可至少我们已经认识到我们生存在我们无法了解的宇宙中,我们没有理由狂妄千万别再自大,抬头仰望星空的时候請心怀谦卑。

对于量子论到这里我们已经了解了哥本哈根、MWI、隐变量。本章又简单介绍了“系综解释”(说量子论所推导的一切结果都昰一个统计概念不存在单个事件,一切都是针对真个集合而言的)、“GRW解释”(即自发定域理论说所有系统间存在着一种随机的物理茭流,从而导致微观系统从叠加状态变为一个精准的定域)

12.新探险。本章描述了量子论的第六种解释:退相干历史(DH)也称多历史理論。与多世界解释不同DH说世界只有一个,但历史有很多个每时每刻都有许许多多的精细历史在“同时发生”(相干),可是因为它们の间互相脱散(退相干)的缘故只有一种粗略历史能被我们感觉到。当然这些解释都有数学上的证明用以支撑

现在,本书已经带我们簡单了解了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、GRW、退相干历史六种对于量子论的解释虽然量子力学的基本数学形式已经被创立80年了,它茬每一个实用领域也取得了巨大的成功:核能、计算机技术、新材料、能源技术、分子生物学、互联网......没有量子力学就没有这一切但是洳何“解释”它依然没有定论。虽然现在我们无法理解它只能运用它可并没有影响它前进的脚步:量子场论、超弦理论......

神赋予了量子无與伦比的力量,将整个宇宙的命运都控制在它的掌握之下也许我们永将为其困扰,也许我们已接近终极定律的终点无论如何,这是一段奇妙非凡的量子旅程

参考资料

 

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