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第39部分

08上帝掷骰子吗--量子物理史话-第39部分

小说: 08上帝掷骰子吗--量子物理史话 字数: 每页4000字

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所无法解释的。笼统地说,当仪器观测系统时,它同时还与环境发生了纠缠,结果导致仪

器的叠加态迅速退化成经典的关联。我们这样讲是非常粗略的,事实上可以从数学上证明

这一点。假如我们采用系统所谓的“密度矩阵”(Desity Matrix)来表示的话,那么这个

矩阵对角线上的元素代表了经典的概率态,其他地方则代表了这些态之间的相干关联。我

们会看到,当退相干产生时,仪器或者猫的密度矩阵迅速对角化,从而使得量子叠加性质

一去不复返(参见附图)。这个过程极快,我们根本就无法察觉到。

  不过,尽管退相干理论是MWI的一个有力补充,它却不能说明MWI就是唯一的解释。退

相干可以解答为什么在一个充满了量子叠加和不确定的宇宙中,我们在日常大尺度下看世

界仍然似乎是经典和“客观”的,但它不能解答波函数到底是一直正常发展下去,还是会

时不时地跃迁。事实上,我们也可以把退相干用在哥本哈根解释里,用来确定“观测者”

和“非观测者”之间的界限——按照它们各自的size,或者自由度的数量!那些容易产生

退相干的或许便更有资格作为观测者出现,所谓的观测或许也不过是种不可逆的放大过程

。可是归根到底,我们还是不能确定到底是哥本哈根,还是多宇宙!

  波普尔晚年的时候(他1994年去世),我想他的心情会比较复杂。一方面他当年的一些

论断是对的,比如量子力学本身的确没有排除决定论的因素(也没有排除非决定论)。关于

互补原理,当年他在哥本哈根几乎被玻尔所彻底说服,不过现在他还是可以重新考虑一下

别的alternatives。另一方面,我们也会很有兴趣知道波普尔对于量子论领域各种解释并

立,几乎无法用实践分辨开来的现状发表会什么看法。

  但我们还是来描述一些有趣的“强烈支持”MWI的实验,其中包括那个疯狂的“量子

自杀”,还有目前炙手可热,号称“利用多个平行世界一起工作”的量子计算机。

  *********

  饭后闲话:证伪和证实

  关于“科学”的界定,证实和证伪两派一直吵个不休,这个题目太大,我们没有兴趣

参予,这里只是随便聊两句证实和证伪的问题。

  怎样表述一个命题才算是科学的?按照证伪派,它必须有可能被证明是错误的。比如

“所有的乌鸦都是黑的”,那么你只要找到一只不是黑色的乌鸦,就可以证明这个命题的

错误,因此这个命题没有问题。相反,如果非要“证实”才接受这个论断的话,那可就困

难了,而且实际上是不可能的!除非你把所有的乌鸦都抓来看过,但你又怎么能知道你已

经抓尽了天下所有的乌鸦呢?

  对于科学理论来说,“证实”几乎也是不可能的。比如我们说“宇宙的规律是F=ma”

,这里说的是一种普遍性,而你如何去证实它呢?除非你观察遍了自古至今,宇宙每一个

角落的现象,发现无一例外,你才可以“证实”这一点。即使这样,你也无法保证在将来

,这条规律仍然起着作用。事实上,几乎没有什么科学理论是可以被“证实”的,只要它

能够被证明为“错”但还未被证明“错”(按照波普尔,以一种积极面对证伪的态度),我

们就暂时接受它为可靠的理论。自休谟以来人们已经承认,单靠有限的个例(哪怕再多)也

不能构成证实的基础。

  不过,按照洛克之类经验主义者的说法,我们全部知识的基础都来自于我们的经验,

而科学的建立,也就是在经验上的一种归纳主义。好比说,我们每天都看到太阳从东边升

起,几千年来日日如此,那么我们应该可以“合理地”从中归纳出一条规律:太阳每天都

从东方升起。并用它来预测明天太阳依旧要从东方升起。假如堕入休谟的不可知论,那么

我们就根本谈不上任何“知识”了,因为反正明天的一切都是不确定的。

  按照归纳主义,我们从过去的现象中归纳出一种规律,而当这个现象一再重复,则它

每次都又成为对这个规律的再一次“证实”。比如每次太阳又升起来的时候,“太阳每天

从东方升起”这个命题的确定性就被再次稍稍证实。我们每看到一只黑乌鸦,则“乌鸦都

是黑的”这个命题的正确性就再次稍稍上升,直到我们遇到一只不黑的乌鸦为止。

  我们大多数人也许都是这样以为的,但这种经验主义又会导出非常有趣的结果。我们

来做这样一个推理,大家都知道,一个命题的逆否命题和它本身是等价的。比如“乌鸦都

是黑的”,可以改为等价的命题“凡不黑的都不是乌鸦”。现在假如我们遇见一只白猫,

这个现象无疑证实了“凡不黑的都不是乌鸦”(白猫不黑,白猫也不是乌鸦)的说法,所以

同样,它也再次稍稍证实了“乌鸦都是黑的”这个原命题。

  总而言之,“遇见一只白猫”略微增加了“乌鸦都是黑的”的可能性。有趣吧?

  这个悖论由著名的德国逻辑实证论者亨普尔(Carl G Hempel)提出,他年轻时也曾跟

着希尔伯特学过数学。如果你接受这个论断,那么下次导师叫你去野外考察证明例如“昆

虫都是六只脚”之类的命题,你大可不必出外风吹雨淋。只要坐在家里观察大量“没有六

只脚的都不是昆虫”的事例(比如桌子、椅子、台灯、你自己……),你可以和在野外实际

观察昆虫对这个命题做出同样多的贡献!

  我们对于认识理论的了解实在还是非常肤浅的。 



第十章 不等式二 
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  令人毛骨悚然和啼笑皆非的“量子自杀”实验在80年代末由Hans Moravec,Bruno 

Marchal等人提出,而又在1998年为宇宙学家Max Tegmark在那篇广为人知的宣传MWI的论

文中所发展和重提。这实际上也是薛定谔猫的一个真人版。大家知道在猫实验里,如果原

子衰变,猫就被毒死,反之则存活。对此,哥本哈根派的解释是:在我们没有观测它之前

,猫是“又死又活”的,而观测后猫的波函数发生坍缩,猫要么死要么活。MWI则声称:

每次实验必定同时产生一只活猫和一只死猫,只不过它们存在于两个平行的世界中。


  两者有何实质不同呢?其关键就在于,哥本哈根派认为猫始终只有一只,它开始处在

叠加态,坍缩后有50%的可能死,50%的可能活。而多宇宙认为猫并未叠加,而是“分裂”

成了两只,一死一活,必定有一只活猫!

  现在假如有一位勇于为科学献身的仁人义士,他自告奋勇地去代替那只倒霉的猫。出

于人道主义,为了让他少受痛苦,我们把毒气瓶改为一把枪。如果原子衰变(或者利用别

的量子机制,比如光子通过了半镀银),则枪就“砰”地一响送我们这位朋友上路。反之

,枪就只发出“咔”地一声空响。

  现在关键问题来了,当一个光子到达半镀镜的时候,根据哥本哈根派,你有一半可能

听到“咔”一声然后安然无恙,另一半就不太美妙,你听到“砰”一声然后什么都不知道

了。而根据多宇宙,必定有一个你听到“咔”,另一个你在另一个世界里听到“砰”。但

问题是,听到“砰”的那位随即就死掉了,什么感觉都没有了,这个世界对“你”来说就

已经没有意义了。对你来说,唯一有意义的世界就是你活着的那个世界。

  所以,从人择原理(我们在前面已经讨论过人择原理)的角度上来讲,对你唯一有意义

的“存在”就是那些你活着的世界。你永远只会听到“咔”而继续活着!因为多宇宙和哥

本哈根不同,永远都会有一个你活在某个世界!

  让我们每隔一秒钟发射一个光子到半镀镜来触动机关。此时哥本哈根预言,就算你运

气非常之好,你也最多听到好几声“咔”然后最终死掉。但多宇宙的预言是:永远都会有

一个“你”活着,而他的那个世界对“你”来说是唯一有意义的存在。只要你坐在枪口面

前,那么从你本人的角度来看,你永远只会听到每隔一秒响一次的“咔”声,你永远不死

(虽然在别的数目惊人的世界中,你已经尸横遍野,但那些世界对你没有意义)!

  但只要你从枪口移开,你就又会听到“砰”声了,因为这些世界重新对你恢复了意义

,你能够活着见证它们。总而言之,多宇宙的预言是:只要你在枪口前,(对你来说)它就

绝对不会发射,一旦你移开,它就又开始随机地“砰”。

  所以,对这位测试者他自己来说,假如他一直听到“咔”而好端端地活着,他就可以

在很大程度上确信,多宇宙解释是正确的。假如他死掉了,那么哥本哈根解释就是正确的

。不过这对他来说也已经没有意义了,人都死掉了。

  各位也许对这里的人择原理大感困惑。无论如何,枪一直“咔”是一个极小极小的概

率不是吗(如果n次,则概率就是1/2^n)?怎么能说对你而言枪“必定”会这样行动呢?但

问题在于,“对你而言”的前提是,“你”必须存在!

  让我们这样来举例:假如你是男性,你必定会发现这样一个“有趣”的事实:你爸爸

有儿子、你爷爷有儿子、你曾祖父有儿子……一直上溯到任意n代祖先,不管历史上冰川

严寒、洪水猛兽、兵荒马乱、饥饿贫瘠,他们不但都能存活,而且子嗣不断,始终有儿子

,这可是一个非常小的概率(如果你是女性,可以往娘家那条路上推)。但假如你因此感慨

说,你的存在是一个百年不遇的“奇迹”,就非常可笑了。很明显,你能够感慨的前提条

件是你的存在本身!事实上,如果“客观”地讲,一个家族n代都有儿子的概率极小,但

对你我来说,却是“必须”的,概率为100%的!同理,有人感慨宇宙的精巧,其产生的概

率是如此低,但按照人择原理,宇宙必须如此!在量子自杀中,只要你始终存在,那么对

你来说枪就必须100%地不发射!

  但很可惜的是:就算你发现了多宇宙解释是正确的,这也只是对你自己一个人而言的

知识。就我们这些旁观者而言事实永远都是一样的:你在若干次“咔”后被一枪打死。我

们能够做的,也就是围绕在你的尸体旁边争论,到底是按照哥本哈根,你已经永远地从宇

宙中消失了,还是按照MWI,你仍然在某个世界中活得逍遥自在。我们这些“外人”被投

影到你活着的那个世界,这个概率极低,几乎可以不被考虑,但对你“本人”来说,你存

在于那个世界却是100%必须的!而且,因为各个世界之间无法互相干涉,所以你永远也不

能从那个世界来到我们这里,告诉我们多宇宙论是正确的!

  其实,Tegmark等人根本不必去费心设计什么“量子自杀”实验,按照他们的思路,

要是多宇宙解释是正确的,那么对于某人来说,他无论如何试图去自杀都不会死!要是他

拿刀抹脖子,那么因为组成刀的是一群符合薛定谔波动方程的粒子,所以总有一个非常非

常小,但确实不为0的可能性,这些粒子在那一刹那都发生了量子隧道效应,以某种方式

丝毫无损地穿透了该人的脖子,从而保持该人不死!当然这个概率极小极小,但按照MWI

,一切可能发生的都实际发生了,所以这个现象总会发生在某个世界!在“客观”上讲,

此人在99。99999…99%的世界中都命丧黄泉,但从他的“主观视角”来说,他却一直活着

!不管换什么方式都一样,跳楼也好,卧轨也好,上吊也好,总存在那么一些世界,让他

还活着。从该人自身的视角来看,他怎么死都死不掉!

  这就是从量子自杀思想实验推出的怪论,美其名曰“量子永生”(quantum 

immortality)。只要从主观视角来看,不但一个人永远无法完成自杀,事实上他一旦开始

存在,就永远不会消失!总存在着一些量子效应,使得一个人不会衰老,而按照MWI,这

些非常低的概率总是对应于某个实际的世界!如果多宇宙理论是正确的,那么我们得到的

推论是: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!(天哪,我

们怎么又扯到了“意识”!)

  这是最强版本的人择原理,也称为“最终人择原理”。

  可以想象,Tegmark等多宇宙论的支持者见到自己的提议被演绎成了这么一个奇谈怪

论后,是怎样的一种哭笑不得的心态。这位宾夕法尼亚大学的宇宙学家不得不出来声明,

说“永生”并非MWI的正统推论。他说一个人在“死前”,还经历了某种非量子化的过程

,使得所谓的意识并不能连续过渡保持永存。可惜也不太有人相信他的辩护。

  关于这个问题,科学家们和哲学家们无疑都会感到兴趣。支持MWI的人也会批评说,

大量宇宙样本中的“人”的死去不能被简单地忽略,因为对于“意识”我们还是几乎一无

所知的,它是如何“连续存在”的,根本就没有经过考察。一些偏颇的意见会认为,假如

说“意识”必定会在某些宇宙分支中连续地存在,那么我们应该断定它不但始终存在,而

且永远“连续”,也就是说,我们不该有“失去意识”的时候(例如睡觉或者昏迷)。不过

,也许的确存在一些世界,在那里我们永不睡觉,谁又知道呢?再说,暂时沉睡然后又苏

醒,这对于“意识”来说好像不能算作“无意义”的。而更为重要的,也许还是如何定义

在多世界中的“你”究竟是个什么东西的问题。总之,这里面逻辑怪圈层出不穷,而且几

乎没有什么可以为实践所检验的东西,都是空对空。我想,波普尔对此不会感

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