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1700964990 随后数代物理学家并没有花太多心思在那样的哲学警告上。关于“本质”的担忧,“质疑的方法”“紧急命令”以及“主客观关系”都没有使他们忧愁。他们很快意识到量子力学与飞速的科技发展结合在一起形成了一种令人惊讶的强健工具。在原子和核子级别对物质的理解有了很大的飞跃。新的量子设备,比如晶体管和激光,反过来更深入地探测原子,甚至将它们转换成民用产品,涉及范围从计算机到手机。量子力学生效了。20世纪下半叶,科学发现和发明的涌现极大地将波粒二象性、叠加、不确定性以及波函数塌缩的哲学疑虑置之不理。
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1700964992 但是奇异之处仍然存在。就如同经常发生的全球冲突一样,这个问题的关键在于边界的争议。一方面,我们用感觉所感知的熟悉的世界,这个世界用决定性的牛顿式的术语来描述。它是由自然的伟大定律表征的,原则上至少是由确定性表征的。另一方面,我们发现量子的世界,它是一个充满不确定性以及概率的世界。那么问题来了:一个领域的终结和另一个领域的起点在哪里?
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1700964994 一开始,这个答案很明显。既然量子力学是为了电子、光子、原子、核子发展出来的,于是就产生了一种印象,即量子现象必然是限制在微观世界,这个世界充满了数不尽的小到难以置信的物体。这个错误暗示了现代物理的三个相邻的分区:极大是由广义相对论统治,极快是由狭义相对论统治,极小是由量子力学统治。这三个现代物理分区环绕着牛顿力学统治的人类尺度的经典区域。
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1700964996 但是那个整洁的区域因为两个原因失败了——一个是现实的原因,另一个是哲学的原因。量子效应在更大的系统中被发现。例如,双缝实验一开始用光子和电子,随后用原子甚至富勒烯以及60个或70个碳原子组成的分子重复实验。病毒会是下一个实验对象吗?猫呢?最近,就像我在第4节提到的,一个传统的很小的音叉被用来展示量子效应。在天文领域,行星大小的中子星被发现,如同一个巨大的核子。甚至整个宇宙也被认为在它婴儿期曾遵循着量子力学的规律。很明显,量子力学只适用于微观世界的观点是错的。
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1700964998 哲学上反对将量子力学限制在原子和分子的想法甚至更具说服力。关于猛虎和鲨鱼的抱怨在这里依然行之有效,这两者一个统治着广袤的荒原,另一个统治着波动的海洋。不应该有基础不同的两种理论,即一个经典的,一个量子的,而仅有一个神奇的、易碎的被称为波函数的桥梁连接它们。只有一个理论,从这个理论可以简单的、令人信服的一致性推导出另外一个。要么是我们生活在经典世界,量子力学只是一个近似或者正好相反。
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1700965000 量子的领土和我们的领土之间的边界线是模糊且具有争议的。海森堡以他名字命名有时被称为海森堡截断(Heisenberg cut),认为它是量子系统的边界,比如一个原子是由波函数描述的,为观察它的装置就是经典的,遵循着经典法则。海森堡试图通过调整这个截断利用它未定义的位置——根据需要,将猫或者同事当作经典的或者作为一个大的量子物体去处理。这种无聊的话并没有给性急而又聪明的物理学家约翰·贝尔(John Bell,1928—1990)留下太深的印象。他最大的名声来源于将量子力学的意义争议从理论物理学家的办公室带到了实验室,在实验室中,他们可以通过实验去分辨。他嘲笑这个截断,称之为“善变的隔断”,对严格分析来说太模糊而毫无用处。
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1700965002 随着时间的推移,海森堡截断这个术语已经被多方面地用于二分的领域,比如宏观对微观、经典对量子、理智对感觉、客观对主观、确定对不确定、真实的对表面的、物理世界对观察者、疆域对地图……不变的是,这些缝隙是模糊的,不清晰的以及多变的。最终,我同时代的人以及转向量子贝叶斯理论的伙伴,康奈尔大学杰出的物理学家大卫·梅尔明(N.David Mermin)给这个讨论画上了句号。他建议,太多的口舌浪费在这上面,更多的讨论都是徒劳的。2012年,他写了一篇论文,该文章的副标题宣告了他的“稳固(fixing)这个变化的分割”意图(梅尔明有自己的写作方式,他的术语fixing指的既是修复又是稳定)。他争辩道,量子贝叶斯理论提供了一个清晰而具有说服力的定位以及定义这个分割的建议。事实上,它就是什么是客观的(外在的,不受思想、感觉影响的,独立于个人感知的存在)和什么是主观的(内在的,感知的,存在于意识)之间的边界。但是与之前学者所言的主观形成对比的是,存在于人的意识,对量子贝叶斯者来说,主观同样也是严格的归于个人的:它存在于特定个人的意识中。根据梅尔明的观点,分割属于每个单独的个体。
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1700965004 每个人都意识到了(客观的)世界和(主观的)对自己经验的意识之间的差别。如果我是这个个体,客观世界就是内心之外的一切事物,包括其他个体,甚至我的身体。所有那些,如果我选择的话,都可以以量子力学的方式处理它们,以及由波函数描述。在分割的另一方面,是个人专有的事,而这些不论是我还是别人都无法作为一个客体去处理。它们是个人经验以及知觉。它们作为我所持有信念的以及关于未来经验的赌注的输入部分。它们是主观且独一无二地属于个人的。
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1700965006 如果一个门外汉和一个量子贝叶斯者在一个包含薛定谔的猫的封闭箱子那里相遇,门外汉或许很自信地声称:“从过去的经验我可以知道这只猫要么是死的,要么是活的。”他或许讨论的是此时此刻的猫。量子贝叶斯者会更谨慎,说道:“此刻我不知道猫的状态,但是根据我的量子力学的知识,我相信如果我立刻打开箱子,发现它是活的的概率是50%。”因此,门外汉和量子贝叶斯者都不会声称这只猫既是死的也是活的,但是量子贝叶斯者会谈到关于自己关于将来经历的置信程度,而不是猫现在的状态。
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1700965008 如果能够得知此结论,绰号为“笑的哲学家”的德谟克利特或许会笑。在两千多年之后,他的警告终于被听到。理智(Intellect)开始尊敬感觉(Sense)了。
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1700965013 概率的烦恼:量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 [:1700964161]
1700965014 概率的烦恼:量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 第14节 实验室中的量子怪异
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1700965016 在早期,量子力学一直存在的概念问题多少有点脱离实际的味道。由于理论在实践中能很好的应用,其中的悖论看起来只是与方程的解释有关,而和真实的内容无关,大多数物理学家都觉得可以放心地忽略这些问题。像波函数塌缩、魏格纳的友人和薛定谔的猫这些问题都被认为属于理想实验,是在某些理想情况下理论上的练习,在实验室中则不可能做到。你不可能抓到正在塌缩的波函数或者在不观察猫的情况下判定它是否还健康。
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1700965018 但是理想实验不应该被立刻摒弃,因为有一些最终也变成了现实。例如20世纪初爱因斯坦从理想实验出发,最终开启了狭义相对论和广义相对论时代,这些理想实验经过非常大的修改之后进入实验室和天文台,产生了一些划时代的结果。类似的事情也发生在1935年他与同事鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)、纳森·罗森(Nathan Rosen)合作的名为“量子力学对物理实在的描述能否认为是完备的?”的文章中。他们注意到,如果你可以真正地操作某个特定的原子进行实验,并且量子力学能够描述它,那么你就会得到奇怪和矛盾的结论。这就是著名的EPR悖论(Einstein-Podolsky-Rose paradox),它引起了爱因斯坦对量子力学的怀疑,也激起了一小群关心物理基础的哲学家、历史学家和物理学家积极而又似乎无休止的争论。在1955年爱因斯坦逝世之后,他们的理想实验才开始变成现实。
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1700965020 这里我不再遵循历史的脉络,而是跳过EPR相关实验的具体内容直接进入21世纪。你只要知道,最终这些实验证明了爱因斯坦对量子力学的担心是不必要的[1]。我用一个不同的但更容易理解的实验来阐明EPR的想法。和之前的那些实验不同,它不依赖于隐晦的统计关联的分析或者量子现象中的随机性,而只是取决于单次的观测,并且能一针见血地展示出量子力学和常识之间的矛盾。
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1700965022 EPR基于两个一般性的假设。爱因斯坦认为它们都是不证自明的,但是这两个假设相互影响会得出传统量子力学是错误的,至少是不完备的。相反,如果量子力学事实上是正确的,那么你就必须放弃其中的一个假设。但是爱因斯坦没法使自己放弃任何一个假设,因此他寄希望于有一天量子力学能够更加完备。包括量子贝叶斯者在内的大多数物理学家都相信量子力学是完备的、正确的理论,所以他们只能被迫放弃其中一个EPR假设。
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1700965024 这两个尖锐的假设是定域性(locality)和实在论(realism),恰巧经典力学两者都满足。
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1700965026 第一个被认为EPR中不证自明的假设是定域性,爱因斯坦称之为没有“幽灵”般的远距离的相互作用。定域理论是指那些信号或者其他物理影响不会以无穷大的速度传播。相反,它们必须以多米诺骨牌的形式从时空中的一点向邻近点传播,而且速度不能超过光速。牛顿引力就有这种超距的作用,显然是违背定域性的,但它最终被满足定域性的广义相对论取代了。
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1700965028 量子力学中在两种情况下似乎会违背定域性。如我们已知道的波函数塌缩就是一个非定域过程,量子贝叶斯理论认为概率可解释为置信程度而不是物理实在。EPR类型的实验似乎也以一种相关但不同的方式违背了定域性。他们声称在某处测量一个物理量会瞬时的或者至少以超光速的速度影响远处的另一个测量。魔术师称这种事情为念动力,即仅通过意念的力量就可以移动物体。爱因斯坦称之为“幽灵”。
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1700965030 然而实验室展示的这种效应是如此令人吃惊,以致有些物理学家相信我们的世界实际上就是非定域的。整个世界是一个有联系的整体,当你在远处扰动它时,它就会颤抖。诚然这确实是一个比较有诗意的见解,但否定它则是理解这个物质宇宙如何运作更富有成效的方式。
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1700965032 第二个被认为EPR中不证自明的假设,放弃它则比较困难。说到实在论我当然是指科学的实在,而非文学的、艺术的或者哲学的。可是,当你浏览权威的在线斯坦福哲学百科全书中的30页文章“科学实在论”时,你会发现它有180多条参考书目,而且有一条让人丧气的警告:“或许稍微夸张地说,每一个讨论科学实在论的作者对它都有着不同的描述。”
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1700965034 我们再次借用爱因斯坦简洁的智慧,他将实在论比喻为月亮,它就在那里,即使没人在看它。因此可以更一般地将实在论定义为物体的一些不受测量和观测影响的物理特性这样一个假设。更进一步我们可以提出实在意味着不受测量、观测,甚至想法和观念影响。EPR是这样定义实在的:“如果我们能精准地预言……某个物理量的值,并且不以任何方式扰动该系统,那么就存在一个实在的要素对应着这个物理量。”[2]
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1700965036 为了领会这个假设是如何在实践中运作的,我们可以考虑一个天文观测的例子。这样的观测毫无疑问是不会影响被观测的系统的。当伽利略发现木星的卫星时,一些多疑的天文学家认为它们源于当时望远镜的工艺,可能是由一些散乱的反射或者透镜的瑕疵导致的。事实上,在那个庞大的行星旁边有时是3个小点,有时是4个。而且它们的位置隔夜似乎都会变动。但是最终还是发现了规律,其中一个点的消失被解释为卫星正好转到木星的正面或者背面。对卫星位置的预言也是完全准确。从那时起这些木星、卫星和它们的位置就被称为实在的要素了。
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1700965038 总结下EPR的论断:同时假设定域论和实在论,量子力学是自相矛盾的。假如你和爱因斯坦一样坚持这两点,你一定会发现量子力学的瑕疵。这是一个让人惊讶而又十分广泛的论断。大多数的物理预言都是更加具体或者更加谦逊,类似于“如果一个球从4英尺的高度坠下,那么它会在半秒钟内落地”这样的论断。然而,在它那不明确、模糊不清的前提下,我们已经可以用实验来验证EPR的论断,下面我将描述一个基于量子位的实验,为了简单,不考虑它包含的大量复杂仪器。此外,虽然这个实验是操作光子,我将用电子替代光子,因为电子是一个物质粒子,我们直觉上可能更容易接受。量子位的吸引力在于它们能够简洁地描述任何两态的量子系统,不管是有两个可能极化方向的光子还是沿某个轴自旋有两个可能方向的电子。
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