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上帝掷出的骰子哪一面朝上?

脑洞大开 爱 好奇 1487浏览 0评论 来自微信:机器之心 | almosthuman2014

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本文来源 New Scientist,作者Michael Brooks,机器之心汪汪翻译,罗康、柒柒审核。

几个世纪以来,人类一直都在冥思苦想,我们是任由命运捉弄的蠢货吗?即使到了现在,我们依然在挣扎:宇宙究竟是可预测的,还是随机发生的?

「噢,我真是任由命运捉弄的蠢货。」罗密欧说。可爱的小鲜肉啊,你尽可放宽心,因为我们尽都是如此。

可是,事实果真如此吗?

罗密欧刚杀死了朱丽叶的哥哥泰伯特(Tybalt)。他意识到自己最好逃离维罗那,不然就要担负丢掉小命的风险。说上面那句话时,他是在表达一种莎士比亚时代很普遍的观点:我们都是傀儡,某种更高层次的力量(比如命运)在操纵着我们身上的提线;而「随机」,这种把决定权交到我们自己手里的玩意儿,在乾坤万物的设计和运行中,几乎不起作用。

即使是那些看起来必然涉及到「随机」的过程,也一定是预先设计好的。比如说骰子,现在是一种游戏用具,但在遥远的过去,它兼具占卜的功能。古代思想家认为,神祗们早就决定了我们每次投掷骰子的结果;如果你认为骰子的结果是随机的,那你一定还没有参透神的意图。

奇妙的是,现代科学一开始并没能改变这种观点。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)制定了运动定律和万有引力定律,用一双至高无上的手将宇宙万物联系在了一起。在他的世界里,恒星和行星运转所遵守的定律,与一头驴拉马车并没什么不同。这个机械的宇宙里,一切事物都仿佛上紧了发条,每个结果都能往前回溯到一个原因。

牛顿的宇宙没有为「随机」留下太多空间,但它至少提供了一个工具,让人们能预测事件的走向。抛出骰子之前,如果你知道一切相关信息(运动路径、速度、桌面粗糙度等等),那么理论上说,你就能计算出骰子停止转动时哪一面朝上。虽然这实际上很难做到,但它意味着,随机并不是物质固有的性质。你猜不出结果,只是因为你缺乏足够的信息。

牛顿时代过去一个世纪后,这种对宇宙可预测性的信心,让法国数学家兼物理学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon de Laplace)断言,只要了解足够多的信息,智慧生命就能预测宇宙中将要发生的所有事情,并且能反演出过去发生的一切,溯时间之流而上,直到宇宙诞生的那一刻。

这是一个宏大但令人不安的想法。如果所有事情都可预测,那么世间一切事物都是事先决定好的,那么自由意志只是一个幻觉?那么,在本文开头,罗密欧还真说对了?瓦莱里奥·斯卡让尼(Valerio Scarani)是新加坡量子技术中心的物理学家,他的专业正是研究随机性。他说:「有的人可能会相信,存在着一个单独的因果链,决定了世间万物。你可以把它称为上帝、大爆炸或母体背后的机器人。在他们看来,随机并不存在。」

斯卡让尼说,宇宙中的随机性与自由意志紧密相连。13世纪的基督教哲学家托马斯·阿奎那(Thomas Aquinas)坚称,一个完美的宇宙必须包含随机性,才能允许人类有一定的自主权。但是这种随机性是有限的。上帝创造的人类并不具备神的能力,因此一定有一些事情是我们无法控制的。

直到牛顿时代的两个世纪之后,才开始真正有人严肃地挑战「宇宙决定论」。1859年,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发现,一些仅在分子层面上影响粒子碰撞的微小因素,竟然能在宏观上造成迥异的结果。

「混沌理论」就此拉开大幕。其中最让人津津乐道的,莫过于混沌学家爱德华·洛伦兹(Edward Lorenz)在1972年提出的蝴蝶效应——巴西一只蝴蝶扇动了一下翅膀,竟然引起了德克萨斯州的龙卷风。这个理论仿佛把世界抛回了「不可预测」的深渊。只要系统足够复杂,一个非常微小的近似值(时钟、气压表、尺子的精度误差、或者小数点后若干位一个小小的四舍五入),都有可能对结果造成巨大的影响。这就是为什么天气总是难以预测的原因。一个过程的最终状态极度依赖于初始状态,而我们又永远无法完美的测出初始状态。

所以,我们人类尺度上的一些小决定,也有可能造成极其严重的后果。罗密欧的困境,可以追溯到那个让他邂逅朱丽叶的初始状态,甚至可以继续往回、往回、往回……直到猴子第一次从树上爬下来的那一刻,我们祖先的脑中闪现出自由意志的第一抹光辉。

这听起来让人摸不着头脑。好吧。实际上,对这个问题,我们方才触碰到皮毛而已。

因为,当我们企图用确定的「因果关系」来认识世界时,越往深处挖掘,就越发现完全不是那么回事儿!20世纪初期,量子理论得到了长足的发展,并成为了人类认识现实世界的一个工具。在它看来,世界上根本没有板上钉钉的事情。剑桥大学的数学家艾德里安·肯特(Adrian Kent)说:「我们认为,量子实验表明大自然从根本上就是随机的。」

向一面半透明镀银镜发射一个光子,它有可能穿过镜子,也有可能被反射。在事情发生前,根据量子规则,我们根本无法做出精确的预测。一个电子面前有一堵墙,墙上有两条狭缝,它会随机选择左缝或右缝通过。再来看看放射性元素的衰变吧,如果你想等一个原子释放出一颗粒子,你可能只需要等上1微秒,或者100年。这种论调对古典的决定论者来说,实在太伤感了。更可气的是,它甚至能解释我们为什么存在。量子真空中空无一物,却能随机并自发地生出万物 -正负粒子对或正负能量 。这种 随机的 能量涨落也许正是宇宙开端的最佳解释。

要理解这些解释,是一件更加棘手的事。我们不知道这些量子规则从何而来,我们只知道它们背后所遵循的根植于不确定性的数学原理,与观测结果高度相符。这一切始于薛定谔方程,它描述了粒子的性质与时间的关系。比如说,一个电子的位置,取决于分布于空间中的一个概率波函数的「振幅」,通过一系列的数学计算,你能得到这个电子出现在某个位置的概率。

你不能确定该电子在某一时刻会出现在哪里,你只能知道它出现在这里的概率。但是,在相同的系统条件下一次又一次重复这个实验,你会发现,这个概率分布符合薛定谔方程的预测。牛顿经典物理学中那些能重复得出相同结论的实验,其本质正是根植于这些不确定的过程的概率分布。

2各种机会和可能性包围着我们。 (Image: Michael Zumstein/Agence VU/Camera Press)

由此可以得出许多有趣的结论。比如说,你想穿墙而过,量子理论说这是可能的。你身体内的每一个原子都是随机的,和通过半透明银镜的光子一样,每个原子都有可能出现在墙的另一侧。不过,这种可能性相当低,更别提你体内所有原子同时出现在墙的另一侧了,这种概率简直低得没底了。把你的脑袋撞出一个包,是所有可能中概率最大的事。如果你真想去试一下,那么我只想说:「欢迎来到现实世界!」

3两次闪电会击中同一个地方吗?(Image: Steve Marcus/Reuters)

爱因斯坦对这种观念不以为然。他抱怨说,这就像上帝掷骰子一样。他猜测,我们一定忽略了一些能得出确切答案的关键信息。

隐秘的事实
1964年,物理学家约翰·贝尔想出了一个方法,来寻找所谓的「隐藏变量」(hidden variables)。他的方法是利用一对处于量子纠缠态的光子。量子纠缠是量子力学中一个重要特征。两个粒子经过短暂时间彼此耦合后,会出现一些共享性质,单独测量其中任意一个粒子就会立即影响到另一个粒子的测量,无论它们相隔多远。这一实验背后的原理是什么呢?贝尔实验的细节非常复杂和微秒,但是其背后原理的理解却大相径庭,很像是两组科学家基于不同的理论在竞争同一个实验。A组科学家假定,量子关联是因为它们之间有着隐蔽的信息交换,并基于此进行测量。而B组科学家则认为,量子关联来自于随机性。

B组每次都胜出。因此,神秘的量子纠缠,起源于根本上的随机性。

事实真的如此吗?物理学家们今天仍在研究,量子测量方法是否存在什么漏洞,从而影响了实验结果并造出随机的假象——比如说,我们不能100%确定一个光子的状态,我们甚至不清楚我们是否真的拥有自由意志来选择测量方法。肯特说:「我认为,现在说我们已经堵上了贝尔的所有漏洞,还为时过早。」

有可能,未来的某一天,我们将能理解变幻莫测的量子理论。这可能需要做出一些艰难的妥协,放弃一些珍视的原则,比如爱因斯坦的相对论。又或许,有人会发明出更强大的理论,用更高级的确定性来解释量子理论的随机性。肯特说:「这个假想的理论将是一个全新的理论,它将取代量子理论,而不是它的另一个版本。」

英国帝国理工学院的物理学家特里·鲁道夫(Terry Rudolph)同意肯特的观点。量子理论是目前我们对大自然的终极理论,在它看来,宇宙是随机的,但它却没法保证自己的绝对正确。鲁道夫说:「我们也许永远无法证实这一点。」

如果是这样,随机性也可能只是一个幻觉。与之相似,自由意志也将遭遇同样困境。斯卡让尼说:「也许,量子物理只是一个大阴谋的一部分。」

任由命运捉弄的蠢蛋?也许,我们手中还没有自由决定的权利。

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