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量子悖论只是想象?仅为个人主观心理状态反应

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量子悖论只是想象?仅为个人主观心理状态反应量子悖论只是想象?

  新版本的量子理论将微观世界里的种种奇怪悖论一扫而空。但是也要付出代价,按照新理论,量子信息只不过是存在于想象中的东西。

  撰文 汉斯•克里斯蒂安•冯贝耶尔(Hans Christian von Baeyer) 翻译 阳曦

  量子力学是物理学中最成功的理论,从亚原子到天文学层面,它完美解释了所有物质的行为。不过,它也是最奇怪的理论。

  在量子领域中,粒子似乎会同时存在于两个地方;信息的传播速度似乎比光速还快;而猫可能同时既是死的又是活的。物理学家已经与量子世界里显而易见的悖论斗争了90年——可是他们的努力收效甚微。与进化论和宇宙论的观点已经被大众普遍理解所不同,量子理论迄今仍被看作奇谈怪论(甚至许多物理学家也这样认为),人们认为它是一种构建奇妙玩意的有力工具,除此以外别无益处。大众对量子理论的意义深感困惑,而这种困惑将不断助长如下观念:这一理论总是迫不及待地想告诉我们一些关于我们所在世界的深奥玩意,而这些与我们的日常生活完全无关,真是令人不可思议。

  2001年,一个研究小组开始探索一种新模型,这一模型将可能消除量子悖论,或者使这些悖论变得不那么令人不安。这种模型叫做“量子贝叶斯模型”(Quantum Bayesianism),简称为“量贝模型”(QBism),它重新解释了在量子奇异性中处于核心地位的一个概念——波函数(wave function)。

  根据传统量子理论的观点,物体(例如一个电子)由它的波函数代表,波函数以数学形式描述物体的特性。如果你想预测这个电子的行为,那么你可以计算它的波函数如何随着时间演化。计算结果会告诉你,该电子拥有某种特性(例如出现在某个地方而非另一个地方)的概率。不过,当物理学家假设波函数真实存在的时候,问题就出现了。

  量贝模型是量子理论与概率论的结合,它认为波函数并非客观实在;恰恰相反,量贝模型认为,波函数只是一本用户手册,一种数学工具。观察者使用这种工具,对周围的世界——即量子世界——作出更明智的判定。确切地说,观察者意识到,自己个人的选择和行动会以一种本质上具有不确定性的方式影响该系统,因此利用波函数,将他自己对于一个量子系统具备某种特性的个人信念量化赋值;而另一位观察者也使用波函数,描述他自己看到的世界。面对同样的量子系统,两位观察者可能得出全然不同的结论。对于一个系统,或者说一个事件而言,有多少观察者,就可能有多少种不同的波函数。观察者彼此交流,修正各自的波函数来解释新获得的知识,于是,就有了更清晰的认识。

  从这个角度来说,波函数“很可能是有史以来我们找到的最强大的抽象概念”。美国康奈尔大学的理论物理学家、最近转投量贝模型的N•戴维•梅尔曼(N. David Mermin)说。

  虚幻的量子

  波函数并非真实存在,这一观点可以追溯到20世纪30年代尼尔斯•玻尔(Niels Bohr)的许多著作,他是量子力学的创建者之一。玻尔认为,波函数是量子理论中“纯粹象征性地”形式体系(formalism)的组成部分,只是一种计算工具而已。量贝模型首次为玻尔的主张提供了数学支持。这一模型融合了量子理论与贝叶斯统计,后者已有200多年历史,它将“概率”定义为某种类似“主观信念”(subjective belief)的东西。得到新的信息之后,如何修正主观信念,贝叶斯统计也给出了标准的数学法则。量贝模型的支持者说,将波函数解释为一种主观信念,并以贝叶斯统计法则修正,量子力学中神秘的悖论就会消失。

  再回头来看电子。我们知道,每次测量某个电子,都会发现它在某个特定位置。可是当我们不去测量的时候,该电子的波函数便会发散,代表该电子在同一时刻处于许多不同位置的概率。现在再测量一次,你会发现,电子又回到了某个特定位置。根据传统的思维方式,测量使得波函数立刻“塌缩”为单一特定值。

  由于塌缩是在同一时刻发生在所有地方,所以它似乎违反了局部性原理(principle of locality)。该原理认为,物体的任何变化必然都是由与它直接接触的另一物体导致的。于是,这就导致了被爱因斯坦称为“幽灵般地超距作用”(spooky action at a distance)的困惑。

  在量子力学诞生之初,物理学家就把波函数的塌缩看作悖论,它也是量子理论让人十分困扰的一个方面。这种令人心神不定的困惑,迫使物理学家发展出了量子力学形形色色的其他版本(详见“量子力学的4种解释”)。

  不过量贝模型认为,根本就不存在悖论。波函数的塌缩不过是观察者在新信息的基础上,突发、间断地修正自己的概率赋值,就像医生根据新的电脑断层扫描(CT)结果,修正对癌症病人的预后判断。量子系统并未真正发生奇怪而费解的变化,变化的只是观察者选定用来描述自己个人预期的波函数。

  我们可以采取这种思考方式来看看另一个著名悖论——薛定谔的猫。量子物理学家埃尔温•薛定谔(Erwin Schrödinger)设想了这样一种场景:将一只活猫、一瓶毒药和一个放射性原子放入一个密封的盒子里。根据量子力学的法则,原子有50%的概率在一小时内衰变。如果原子发生衰变,就会有一把锤头打碎玻璃瓶,释放出毒药,杀死猫;如果原子不发生衰变,猫就会活下来。

  现在开始实验——不过别往盒子里看。一小时后,根据传统量子理论,原子的波函数处于两种状态的叠加态(superposition)——衰变与未衰变。可是因为你还没有观察盒子里发生的事情,这种叠加态会进一步延伸:锤头也处于叠加态,还有装毒药的瓶子。最荒谬的是,根据标准量子力学的法则,那只猫将处于叠加态——它同时既是活的又是死的。

  量贝模型强调波函数是观察者的主观特性,而非盒子里的猫的客观特性,以此解决了难题。该理论认为,猫当然非死即活(而非二者并存)。当然,它的波函数代表了死活并存的叠加态,但是波函数仅仅是对观察者信念的描述。宣称猫实际上既是死的又是活的,这无异于棒球迷在查看比赛得分记录表之前,宣称纽约洋基队(Yankees,美国职业棒球大联盟中的棒球队伍之一)卡在既赢又输的叠加态。这是一种谬论,一种自命不凡的妄想,把个人的思想状态幻想成了物质世界中的真实存在。

  人们期望,通过消除悖论,量贝模型可以帮助物理学家回归量子理论真正的基本面貌——无论到底是什么——“免得他们浪费时间去问那些虚无缥缈的傻问题”,梅尔曼说。

  麻烦制造者

  量贝模型诞生于2002年1月发表的一篇短论文,标题是《作为贝叶斯概率的量子概率》(Quantum Probabilities as Bayesian Probabilities),作者是美国新墨西哥大学的卡尔顿•M•凯夫斯(Carlton M. Caves),当时在美国新泽西州默里山贝尔实验室工作的克里斯托弗•A•富克斯(Christopher A. Fuchs)和英国伦敦大学伦敦大学皇家霍洛威学院的鲁迪格•沙克(Ruediger Schack)。他们三人都是经验丰富的量子信息理论专家,分别来自物理系、工业实验室和数学系,这说明他们开创的领域具有跨学科性质。

  最近10年,富克斯来到加拿大安大略省周界理论物理研究所(Perimeter Institute),成为量贝模型的首席代言人。他是一个身材结实的得克萨斯人,性格乐天,举止和蔼。发迹线上翘起的一绺沙色头发,似乎向人们暗示着他那难以抑制、不拘礼法的幽默感。他的一篇文章这样开头:在这篇论文里,我打算好好惹点儿麻烦。对此,他的同事们倒是毫不惊讶。

  富克斯行事风格的核心是这样一种信念:他坚信科学是一种典型的公共活动,只有通过激烈的智力碰撞,才能得到意义深远的洞见。他就像一股活跃的旋风,背着破破烂烂的背包,拖着笔记本电脑,席卷全世界:组织会议,召集科学研讨会,去大学做讲座。

  本着这样的精神,富克斯带头创造了一种新的文献形式。2011年,剑桥大学出版社出版了他与全世界多位科学家来往交流的电子邮件,该书厚达600页,题为《与量子信息共同成长》(Coming of Age with Quantum Information)。该书以编年史的方式,记录了量贝模型艰难的诞生历程,也让我们能够一瞥理论物理学是如何由真实而热血的人类创造出来,他们显然不是我们从维基百科上所看到的“二维生物”。这本书还记录了富克斯的坚定信念:与大多数科学家的意见相反,他认为哲学意义重大,不只是因为它会影响物理学,还因为它也会受到物理学意义深远的洞见的影响——或者应该受到影响。

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