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所以同样的道理,对于一个人来说,他的“身高期望”是多少,这取决于你把他归类到哪个集合,而不取决于他本身。这是一个属于“系综”的概念!对这个小伙子本身来说,他并没有什么唯一的、确定的“身高期望”,脱离了系综空谈“身高期望”是没有意义的。
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电子同样如此。我们问:单个电子通过“左缝”的概率是多少?如果你没有定义该电子的“系综”,那这个问题就毫无意义。正确的问法是:我们让大量电子通过双缝,并在左边那条缝上装上探测装置。在这种情况下,如果某个电子属于该实验中“所有的电子”集合里的一员,请问它通过左缝的概率是多少?你看,只有先精确地描述了实验(或者观测)方式,精确地定义了整个系综之后,我们才能回答这个问题。在这里,答案显然是50%。
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波和粒子的问题同样类似。如果你简单地问:电子是波还是粒子?这个问题是没有意义的。你只能这样问:假设我们把参与到某个光电效应实验中的光子全体定义为一个系综,那如果某个特定光子属于这个系综,请问它呈现出来的属性是粒子还是波?在这个问题中,答案当然是粒子。
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为什么不能好好说话,非要这样七弯八绕呢?因为在系综派看来,只有系综才有各种属性,而单个物体是没有属性的。你可以回头想一想在前面的章节里,我们曾经提过的那种说法:如果没有精确地定义某种观测方式,空自讨论电子的属性(如动量、位置等)就是无意义的。在这里,定义一个观测方式,实际上就是要求你先定义这个电子的系综。
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奇怪,好像有什么地方不对劲。这套说辞听起来似乎无懈可击,但如果我们仔细琢磨,它似乎有点像是某种“正确的废话”,好比英国神剧《是,大臣》(Yes Minister )里面老奸巨猾的公务员那种冗长而又堂而皇之的官僚主义套词。你不能问一个电子究竟是粒子还是波,你只能先假设如果有一个电子属于波的系综,然后再问它究竟是粒子还是波,回答是波。可是……这难道不是坑人吗?
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同样,我们都知道如果大量电子自由通过双缝,会组成干涉条纹。可是现在我们关心的不是“大量电子”,而是“单个电子”!我们想知道在这个过程中,单个电子是如何通过双缝的,它具体的轨迹是什么?但系综论者却告诉我们:单个电子没有轨迹,“轨迹”是一个属于系综的统计概念,只有定义了系综之后,我们才能谈论轨迹。比如,在双缝实验里,“轨迹”就是大量电子通过双缝的总和,也即是干涉条纹。除此之外,其他一律无可奉告。
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从某种程度上来说,系综主义者采取的是一种“眼不见为净”的做法。对于我们最为彷徨困惑的那些问题,比如单个电子的轨迹,单个薛定谔猫的死活,等等。它简单地把这些问题统统划为“没有意义”。讨论这些话题,就像讨论“时间被创造前一秒”“比光速快两倍的速度”,或者“绝对零度低五度”一样,虽然不存在语法上的障碍,但在物理上却是说不通的。John Taylor在采访中表示:“单个系统”中究竟发生了什么,这在量子力学里是不被允许讨论的。我们这个世界的所有属性,都是统计性质的,而单个事件呢?单个事件没有属性。
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许多人也许会对此感到奇怪,但归根结底,这中间仍然凸显了两种哲学观念的冲突。就像我们前面举的例子,对于某个小伙子来说,他本身并没有什么“身高期望”,因为这是一个统计性质的概念,你只有把他扔到某个“人群”里之后,才能结合系综来谈论所谓的身高期望。但尽管如此,我们大多数人仍然不言而喻地认为,无论如何,这个小伙子肯定还拥有一个“实际身高”。这个身高是他自身的固有属性,而不取决于你把他扔进哪个人群,或者怎么去定义他!
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但在系综主义者看来,这只是我们的错觉而已。他们坚持认为,这个世界上一切的“物理属性”都是类似于“身高期望”那样的统计概念,而根本就不存在属于个体的“实际身高”!所有的物理量都是由系综决定的,就像那匹可怜的马,它是什么颜色,只取决于我们定义的观测方式(即系综),而并没有一个“实际的”颜色存在。人们煞费苦心,不断地搞出什么“坍缩”或者“多宇宙”之类的疯狂概念,完全只是庸人自扰,是在向风车宣战。只要承认单个事件没有物理属性,单个电子没有路径,单只薛定谔猫没有死活,那么一切麻烦自然也就不存在了!
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仅从实用角度出发,系综解释当然是完美无缺的。它一方面保留了现有量子论的全部数学形式,另一方面又聪明地通过“划清界限”的方式把自己包裹在刀枪不入的坚壳之中。但是,对于这种关起门来,然后声称所有的问题都已经解决的做法,我们总觉得有点不太满意。
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首先,这里牵涉到一个基本的真实性问题。声称单个电子的行为“没有意义”固然方便,但大自然真是这样的吗?还是说,这只是我们借以逃避困难的一种托词而已?如果仅仅因为薛定谔的猫又死又活,违反常识,就认为单只猫“没有死活的属性”,这似乎并不构成有说服力的理由,毕竟在科学史上颠覆常识的事情已经发生过太多次。
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其次,如果所有的物理概念都是统计性质的,由系综决定的,这便不可避免地牵涉到主观性问题。因为所谓“系综”,实际上都是我们主观定义的,并没有哪条宇宙法则规定你必须要选择哪个系综。好比那个小伙子,如果我们把他归类为“地球人”,那么“地球人”就是他的系综。同样,我们也可以随着自己的喜好,把他定义成“男人”“教师”或者“山东人”,等等。这完全是主观的!然而,在不同的系综里,他就会具有不同的“属性”,比如身高期望、预期寿命等都会因所属群体的不同而相应发生改变。同样,一个电子的动量或位置取决于我们选择什么样的测量方式,每一种测量方式就对应了一种系综。在不同的测量方式下,电子表现出不同的动量/位置来,但并没有什么原则规定哪种测量方式才是“标准”。
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这就带来一个问题。如果说物理学的一切都是统计概念,都取决于系综,这也就是说,宇宙中所有的物理现象其实都是由我们主观决定的,而根本就没有什么“客观”的物理量!这和把“观测者”放到宇宙中心又有什么分别呢?就算我们承认,一个电子确实没有什么固定的“本来状态”,它是波还是粒子,完全取决于我们如何去测量它。但是,许多人终究还是抱着一丝信念:这个宇宙中一定还有一些“客观”的东西,它不依赖于我们的主观选择,也不依赖于系综而存在。
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最后,就算我们毕竟too young吧,但至少我们血液中的热情还没有冷却,对这个宇宙仍然怀有深深的好奇。我们仍然觉得,探讨“单个电子在哪里”或者“薛定谔的猫到底是死是活”是一件很有意思也很有意义的事情。或许正是这些问题引发了各种“麻烦”,但对于真相的探索和奥秘的好奇,难道不也是物理学吸引我们的最大理由吗?
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因此,虽然系综主义者圈出了一个温暖的安乐窝,邀请我们留在其中安享其乐,我们却仍然要选择继续前进,穿过更加幽深的峡谷和神秘的森林去进行新的探险。现在,前方又出现了两条新辟的道路,虽然坎坷颠簸,行进艰难,但沿途奇峰连天,枯松倒挂,瀑布飞湍,冰崖怪石,那绝美的景色
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一定不会令你失望。让我们继续出发吧。
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Part. 5
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也许你已经厌倦了光子究竟通过了哪条狭缝这样的问题,管它通过了哪条,这和我们又有什么关系呢?一个小小的光子是如此不起眼,它的世界和我们的世界相去甚远,根本无法联系在一起。在大多数情况下,我们甚至根本没法看见单个的光子(8) 。在这样的情况下,大众对于探究单个光子究竟是“幽灵”还是“实在”无疑持无所谓的态度,甚至觉得这是一种杞人忧天的探索。
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真正引起人们担忧的,还是那个当初因为薛定谔而落下的后遗症:从微观到宏观的转换。如果光子又是粒子又是波,那么猫为什么不是又死又活?如果电子同时又在这里又在那里,那么为什么桌子安稳地待在它原来的地方,没有扩散到整间屋子中去?如果量子效应的基本属性是叠加,为什么日常世界中不存在这样的叠加,或者我们为什么从未见过这种情况?
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我们已经不厌其烦地听取了足够多的耐心解释:猫的确又死又活,只不过在我们观测的时候“坍缩”了;有两只猫,它们在一个宇宙中活着,在另一个宇宙中死去;猫从未又死又活,它的死活由看不见的隐变量决定;单只猫的死活是无意义的事件,我们只能描述无穷只猫组成的“全集”诸如此类的答案。也许你已经对其中的某一种感到满意,但仍有许多人并不知足,一定还有更好、更可靠的答案。
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现在让我们跟着一些开拓者小心翼翼地去考察一条新辟的道路,和当年扬帆远航的哥伦布一样,他们也是意大利人。这些开拓者的名字刻在路口的纪念碑上:Ghirardi,Rimini和Weber,下面是落成日期:1986年7月。为了纪念这些先行者,我们顺理成章地把这条道路以他们的首字母命名,称为GRW大道。
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GRW的最初思路可以追溯到70年代的Philip Pearle。在这位物理学家看来,哥本哈根派的人物无疑是伟大和富有洞见的,但他们始终没能给出“坍缩”这一物理过程的机制,而且对于“观测者”的主观依赖也太重了些,最后搞出一个无法收拾的“意识”不说,还有堕落为唯心论的嫌疑。是否能够略微修改薛定谔方程,使它可以对“坍缩”有一个客观的,令人满意的解释呢?
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顺着Pearle的思路,上面提到的三位意大利物理学家产生了一个想法。1986年7月15日,他们在《物理评论》杂志上发表了一篇论文,题为“微观和宏观系统的统一动力学”(Unified Dynamics for Microscopic and Macroscopic Systems),从而开创了GRW理论。GRW的主要假定是,任何系统,不管是微观还是宏观的,都不可能在严格意义上孤立,也就是和外界毫不相干。它们总是和环境发生着种种交流,为一些随机(stochastic)的过程所影响。这些随机的物理过程―不管它们实质上到底是什么―会随机地造成某些微观系统,比如一个电子的位置,从一个弥漫的叠加状态变为在空间中比较精确的定域(实际上就是哥本哈根口中的“坍缩”)。尽管对单个粒子来说,这种过程发生的可能性是如此之低―按照他们原本的估计,平均要等上1016 秒,也就是近10亿年才会发生一次。所以从整体上看,微观系统基本上处于叠加状态是不假的,但这种定域过程的确偶尔发生,我们把这称为一个“自发的定域过程”(spontaneous localization)。GRW有时候也称为“自发定域理论”。
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关键是,虽然对单个粒子来说,要等上如此漫长的时间才能迎来一次自发定域,可是对于一个宏观系统来说可就未必了。拿薛定谔那只可怜的猫来说,一只猫由大约1027 个粒子组成,虽然每个粒子平均要等上几亿年才有一次自发定域,但对像猫这样大的系统,每秒必定有成千上万的粒子经历了这种过程。
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