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发表于 2021-6-11 17:55
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04 谁对谁错
前面以薛定谔猫为例介绍了波包塌缩理论和多世界理论,它们都能解释现有实验结果。而且迄今为止没有人能设计一个实验来区别这两种理论,比如直接观测到另外一个世界或波包塌缩过程。那么究竟哪一个理论是正确的呢?实验是科学理论的试金石,现在这块试金石失效了,我们该如何判断这两种理论的对错?埃弗里特在他长论文的最后一个附录里谈到了物理理论的对错优劣问题,他认为除了寻求实验的验证,我们还应该考查理论的逻辑性、有用性、简单性等。下面我们就从这些方面详细对比波包塌缩理论和多世界理论。
逻辑性:在他的长论文里[2],埃弗里特一开始就指出了波包塌缩理论的逻辑缺陷:当存在两个或两个以上观察者的时候,观察者们会给出不同的波包塌缩时间。埃弗里特用了一个例子来说明这个逻辑缺陷,他的例子和维格纳朋友佯谬类似。在图3描述的实验中,我们把猫换成观察者爱丽丝,同时移走毒气瓶。如果光子落在检测屏上方,她就记录“上”;如果光子落在检测屏下方,她就记录“下”。对于爱丽丝来说,波包塌缩在光子和检测屏碰撞的一刻就已经发生了,因为她每次都明确地观察到了光子落在了上方或下方。现在假设实验室外面还有一个观察者鲍勃,在实验完成前,他和实验室没有任何相互作用。对于鲍勃来说,在他打开实验室以前,实验室由如下波函数描述
波包还没塌缩。假设鲍勃在实验结束后一周打开了实验室,这时波包塌缩了。他对爱丽丝的记录没有任何异议,但他坚持说波包塌缩是在他进入实验室的一刻发生的,爱丽丝当然不同意。于是矛盾产生了。这就是波包塌缩理论的逻辑缺陷。文献[10]对这个逻辑问题有更详细的描述。
简单性:这里指的是概念和理论框架的简单。多世界理论显然在概念上更简单,除了量子力学的基本框架,它不需要任何额外的假设。而波包塌缩是量子力学基本框架之外的一个额外假设。在量子力学里,量子态都是随时间进行连续和幺正的演化;而波包塌缩是不连续和非幺正的。因此,波包塌缩必须是一个独立的假设,不可能从量子力学的基本框架推出来。这个假设非常的不物理:塌缩是怎样的物理过程?经历了多长时间?如何界定外部观察者?这些问题迄今没有令人满意的答案。当我们考虑整个宇宙时,波包塌缩假说显得更是不合理。一方面,宇宙的外部没有观察者,所以整个宇宙的波函数应该连续地随时间幺正演化,不会经历随机的波包塌缩;另一方面,我们人类又时时刻刻在进行类似图3的实验,波包在随机的塌缩。这样宇宙的波函数由于我们的观察不再随时间幺正演化。多世界理论则不会导致这样矛盾的结果。
刚性:如果一个理论不能随意改动,我们就说这个理论具有刚性。多世界理论在概念上更简单,因为它不需要任何额外的假设。这也使它具有了刚性。量子力学已经被大量实验证实,它的基本理论框架是不能随意改动的。如果你能改动量子力学的基本框架,那你一定在引导一场新的物理革命。与之相反,波包塌缩理论显然是可以随意改动的。比如,我可以假设波包塌缩有一个中间过程:任何波函数都先塌缩为一个等权重量子态然后再塌缩到目标态。根据这个假设,公式(6) 描述的塌缩应该改写为
这个修改后的波包塌缩理论同样能解释图3中的实验结果和其他量子测量结果。更糟糕的是,我们可以对波包塌缩理论做任意类似的改动。所以波包塌缩理论刚性非常差,完全是一团可以被随意揉捏的面。笔者认为任何真理和美都具有类似的刚性。一首动听的乐曲具有刚性:它的每一个音符都不能随意改动;一首美的诗具有刚性:它的每一个字都不能随意改动;一朵漂亮的鲜花具有刚性:花瓣的颜色、形状等都不能随意变动,所以花店老板总是对她店里的鲜花小心呵护。由于篇幅限制,这里不展开讨论了。
有用性:波包塌缩理论似乎只能用来解释类似图3中的量子测量实验,笔者不清楚它还有什么其他用处。多世界理论则帮助笔者解开了一些长久的困惑。按照进化论,我们人类是由非常初级的化学分子一步一步进化而来。每一步进化都是一个小概率事件,所以最后一步一步进化成具有智慧的人,概率是非常、非常小的。即使整个进化过程的时间很长,依然让人觉得不好接受:这么小概率的事件居然发生了。按照多世界理论,这种进化则是必然的,因为在多世界理论中任何小概率事件都会实现。波函数|Ψ1〉中有两个分量:无论α多小,活猫的世界都存在;无论β多小,死猫的世界都存在。也就是说,宇宙从来都不做选择,它只是按照比重不停地分裂为更多的世界。基于这个认识,让我们再来看生物进化。每一步进化其实都是一个化学反应过程:早期的进化是小分子组合成大分子,后来则是基因突变。而任何化学反应都是一个量子演化过程。按照多世界理论,无论事件发生的概率多小它都会发生。概率小只是说明在众多的世界里只有很少一部分生活着我们这样的智慧生物,绝大多数世界里地球上没有生命或者生命处于极其初始的状态。
多世界理论还帮助笔者理解了自由意志。按照经典物理,一旦初始条件给定,系统随后的演化就是唯一确定的。形象点说就是你所做的一切都是命中注定的,你的一生在你出生的那个时刻就已经确定了,自由意志只是一种假象。从经典物理理论出发,这个观点真是难以辩驳。后来有了量子力学,理论框架里含有内禀的几率,自由意志似乎不再是假象。但仔细一想,即使有了量子力学,自由意志似乎依然是假象。按照波包塌缩理论,几率只发生在外部观察者进行观察时。整个宇宙并没有外部观察者,宇宙的波函数依然按照量子力学进行确定的演化,所以自由意志依然是假象。但是按照多世界理论,整个宇宙的波函数虽然在确定地演化,但是它却在不停地分裂成不同的世界,观察者究竟感受和经历哪一个特定的世界是随机的,他不确定自己的未来是属于哪一个世界。这样,对于每一个世界来说,人是有自由意志的。于是我们有了一个非常美妙的结论:在一个确定演化的宇宙里存在真正的自由意志。
关于量子力学的解释还有很多理论,我们这里就不一一比较了。有一点可以肯定的是,这些理论的简单性肯定不如多世界理论,因为多世界理论在量子力学基本框架外不再需要任何其他假设。
05 世界是量子的
量子力学是一场颠覆性的物理革命,彻底推翻了很多经典的概念。但是非常有意思的是,几乎所有的量子力学的创立者都始终没有彻底摆脱经典物理的枷锁。这个问题的根源是波函数。波函数是抽象的希尔伯特空间中的一个向量,它和我们感知的世界没有直接的联系。为了建立波函数和现实世界的联系,这些伟大的物理学家开始回头在经典物理中寻求答案。爱因斯坦认为波函数根本就不能完整地描述自然,最终的理论一定是一个经典的理论,即所谓的隐变量理论。以玻尔和海森伯为代表的哥本哈根学派虽然认为波函数完整地描述了自然,但波函数和现实世界的联系需要通过经典仪器来完成。但最令人迷惑的事情是,没有一篇文章或一本书清晰明确阐明哥本哈根学派,他们的观点弥散在玻尔和他门徒无穷的文章和讲话里,每次他们似乎在谈论同一个观点,仔细一读似乎又总是有些变化。朗道在他的《量子力学》第一节中写了这样一段话,量子力学在物理理论中占有一个很不平常的地位;它把经典力学作为一种极限情形而包含之,但在它的自身表述中,同时又需要这一极限情形。
这或许能概括哥本哈根学派关于量子力学和经典力学之间关系的模棱两可的态度吧。哥本哈根学派无论怎么表述他们的观点,有一点很明确,他们没有彻底摆脱经典力学的枷锁。德布罗意试图将波函数解释成一种经典波,发展了导波理论,后来玻姆独立发展这个理论。这个理论认为粒子本质上是经典的。薛定谔似乎是这些量子先贤中唯一一位不走回头路的。他曾经在1952年的一次演讲中批评了当时流行的哥本哈根学派,指出波函数中的每一个分量都可能同时存在[11]。这当然就是多世界理论的本质。但是很遗憾,薛定谔并没有进一步发展这个想法。
在我看来,埃弗里特是第一位彻底摆脱经典概念枷锁的物理学家。他的多世界理论向我们展示了量子力学基本框架是完善的,完全不需要借助任何经典概念。埃弗里特在他的长论文中还详细描述了如何从量子力学出发理解我们感受到的经典世界。哈佛大学教授科尔曼 (Sidney Coleman) 在一个著名的演讲 (Quantum Mechanics in your face) 中曾说,“大家都弄反了,需要解释的是经典力学不是量子力学。”[12]如果你已经学过专业的量子力学课程,你应该经常尝试一下从量子力学出发来解释发生在你周围的物理现象,比如,“为什么这个足球是按经典轨迹运动?”,“为什么电子可以同时在原子核的左边和右边,但是我们从来没有看到太阳同时从东边升起和西边落下?”你不一定要做具体的计算,但至少清楚在原则上应该去如何回答这些问题。如果你做不到,那说明你对量子力学的理解还有盲点。
如果你对多世界理论感兴趣,建议你阅读多亦奇的书。在文献[5]的第二章,文献[6]的第11章,他在没有用任何数学公式的情况下精彩介绍了多世界理论。如果你对更专业的资料感兴趣,那我推荐你读埃弗里特的长论文[2]或者它的缩减版[4]。
参考文献
[1] Byrne P. The Many Worlds of Hugh Everett III. New York: Oxford University Press. 2010
[2] DeWitt B S, Graham N(eds). The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics. New Jersey: Princeton University Press, 1973
[3] Bennett C, Brassard G, Ekert A K. Scientific American, 1992, 267: 50
[4] Wu B. arXiv: 2005.04812
[5] Deutsch D. The Fabric of Reality. New York: Penguin Books, 1997
[6] Deutsch D. The Beginning of Infinity. New York:Penguin Books, 2011
[7] Everett H. Rev. Mod. Phys., 1957, 29: 454
[8] Cooper L N, van Vechten D. American Journal of Physics, 1969, 37: 1212
[9] DeWitt B S. Physics Today, 1970, 23: 30
[10] 吴飙. 简明量子力学. 北京大学出版社,2020
[11] Gribbin J. Erwin Schrödinger and the Quantum Revolution. New Jersy: Wiley, 2013
[12] https://www.bilibili.com/video/BV17E4 11c77L?from=search&seid=15898764507117096362
附录
UNIFIED FIELD (FOR A.E.)
Katharine Kennedy Everett
Pure fields of space,
O flowing fields of light,
who shall gauge
these lightning flights
of mind,…only Mind
arching from sun to sun
beyond the blind
groping of scattered minds
who cannot see
the Great Reality
whispers its ultimate Secret
to this mind:
the atom and the universe are One.
作者简介
吴飙,北京大学量子材料科学中心教授,主要从事量子计算、量子动力学、超冷原子气、几何相位等方面的理论研究。 |
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