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自然定律因此扮演着新的角色:不是决定事件,而是描述事件以往的经验。它们是对信息极其有效的总结,是计算机科学家称作数据压缩的杰出示例。牛顿万有引力定律中那八个简单的符号所包含的信息量是难以想象的——就如“2的根号”可以简洁地表述无穷长的一连串的数字。一旦将之视为对信息的总结,定律(law)这个词似乎就不那么恰当了。或许规则(rule)这个词更能准确地表达相应的意思(英语中rule这个词源于regula,意为一个直木棍)。一个规则可以解释为一种观测到的规律性而不是从上面施加的法令——虽然它或许和定律一样基础,同样不容更改。例如,电磁学中的右手规则(right-hand rule)用于判断一个有电流的电线的磁场方向,这个规则和交通法规一样严格,但是它只是有一个比较谦逊的名字而已。
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在量子贝叶斯者的世界观中,自然定律是逐步获得信任,并以一种逐渐递减的变化趋近于确定性。就像一个放射性原子已经衰变的概率在0到1之间,但是不会到达两个极端(除非它被观测了),一个自然定律确实有效的概率也是在0(在我们做出第一次猜测之前)和1之间变动——从来不会完全确定。克伦威尔规则不仅适用于概率而且也适用于自然定律。为了缓和它们绝对的有效性,我们可以为怀疑留下微小的门缝,这样未来我们必然要修正它们时就能为之做好充分的准备。
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我非常确信面前桌子上的杯子不会自发地飘向天花板——但是我不会轻率地声称我绝对地确信。我愿意为我的确信打赌,但是我也会保留一点怀疑。事实上,即使是经典物理学家也会承认这有极小可能性,空气分子极其罕见地突然聚集在杯子底下确实能够将它举起来,就像举起气球一样。
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我在大学已经教授半个世纪的自然定律,量子贝叶斯理论让我从一个新的角度看待它们。这些定律是一代代物理学家经验和智慧的总结,但是它们既不是绝对的,也不是严格死板的。它们是人类的创造物,因此是可以塑造的——至少原则上如此。
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在本节开始的引言中,普朗克提到严格的决定论,而量子贝叶斯者对自然定律的解释则将我们从这个牢笼中释放出来。量子贝叶斯理论说的严格决定论的对立面又是什么?是关于人类的自由意识吗?
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[1]该引言取自普朗克的《科学的走向?》(Where Is Science Going?)trans.James Murphy(New York
:W.W.Norton&Company,1932),107。
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概率的烦恼:量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 第19节 石头反踢一脚
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美国科学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)对核子物理有开创性的贡献,而他为大众知晓则是因为他提出黑洞(black hole)概念。在科学界,他不仅被视为一个大胆的、富有想象力的理论学家,而且还是一位善于启发学生的老师。他最著名的学生就是美国物理学家中的老顽童、诺贝尔奖获得者理查德·费曼(RichardFeynman)。费曼的博士论文是在惠勒的指导下完成的。40年后在得克萨斯大学(University of Texas),惠勒是克里斯的本科生导师,他鼓励克里斯潜心研究基础物理学,而当时大多数人最多将此视为一个边缘化的课题。从老师那里克里斯得知想要更深层理解量子力学本身,进而扩展到对整个物理重新认知,最有希望的一条途径或许是量子信息。因此,约翰·惠勒可以被称为量子贝叶斯理论的教父。
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惠勒喜欢以一种玄妙深奥而且神谕般的语言提出被称为“真正的大问题”(Really Big Questions,RBQs)。其中有为什么是量子的?(Why the quantum?)万物源于比特?(It from bit?)参与性宇宙?(A participatory universe?)
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第一个问题困扰过普朗克,而现在它仍让人难以捉摸。在本书的开始我就提出普朗克的e=hf是量子力学的标志。它从哪里来?最初它是一个没有证据的假设,然而现在它可以由更基本、更复杂的量子力学原理推断出来。可是这些原理最简单的本质又是什么?或许这个RBQ确实意义深远,也许它没有答案,或者最可能的是它的措辞不恰当。例如,假设我们的宇宙难以触及的部分是量子力学的领域,而在经典的世界中我们恰巧没有注意到那里,那么这个问题或许就会反过来。如果量子和存在一样不可解释,那么真正的问题或许应该是为什么是经典的?无论如何,惠勒喜欢问为什么,而不是问如何,这暗示了他对形而上学的喜好。他觉得,关于存在和实在的意义这类哲学问题应当在物理学中重新获取它们应有的位置,因为从物理学中它们已经被驱逐了长达一个世纪。福克斯将这个建议牢牢地记在心中。
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第二个RBQ是万物源于比特?这是数据压缩的一个极端例子。惠勒提出它时无比自信地略去了后面的问号。这三个简单的词简练而又完整地概括了惠勒的哲学思想,它提出的信息是理解自然的关键之处。这个被视为信息单元的比特(bit)是否比组成万物(it)的化学意义的原子更加基本?对“万物源于比特”这一极其重要的形而上学探索,量子贝叶斯理论是21世纪的第一回,但肯定不是最后一个。
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他最激进的一个问题是:参与式宇宙?惠勒想要强调的是我们从量子力学中学到的教训——实验和测量并不是一个被动的、分离的观测者检测外在的、独立存在的世界,而经典物理自从德谟克利特以来一直采用这样的假设。相反,观测者与他正在研究的物体是密切相关的,而不仅仅是作为信息的记录者。我们是代理人,与世界发生作用并且参与测量结果的创造过程。
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量子贝叶斯理论肯定并且详尽回答了惠勒的这个问题。从最开始量子力学就沉浸在被称为测量(measurements)的物理实验中。一个仪器被装配起来测量量子系统的某些特性,如电子自旋的方向。紧接着,为了预言测量结果的概率,波函数被计算出来,实验成功之后,相应的数据就可以拿来和波函数的预测比较。
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很多物理学家反对测量,他们指出这个词很有误导性。它似乎暗示着实验的结果是在做实验之前就是存在的,只不过等待着我们发现而已。例如,测量一个婴儿的体重之前,我们先默认了婴儿有一个固定的体重,只是还不知道而已。测量只是揭开数值的面纱并将它公之于众。
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然而,在量子力学中,未完成的实验没有结果。电子自旋没有固定方向,除非我们完成了测量。代表自旋的量子位并没有比特值,直到这个波函数塌缩到上或者下。事实上,如果假设电子有一个隐藏的自旋值,那么就会导致错误——正如GHZ实验向我们展示的一样。不事先假定电子自旋值并不会有问题,错误的是自旋值事先存在这一基本假定。
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根据量子贝叶斯理论的观点,一次测量并不是揭露出事先存在的值。相反,那个值是通过代理人和量子系统的作用创造出来的。
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克里斯解释道:
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量子贝叶斯理论声称,当代理人接触一个量子系统时——当他做一次量子测量时,那个作用就会出现,正如字面意义上描述的那样。伴随着代理人对这个系统的作用发生,新的事物来到这个世界,它们之前并不存在:这就是测量结果,那个采取行动的代理人造成的不可预测的结果。惠勒是这样说的,引用他的原话:“每一个基本的量子现象都是一种‘事实创造’的基本行为。”[1]
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那就是惠勒口中参与式宇宙的含义。当我们生活并且在做自己的事时,我们不只是在和宇宙发生作用——我们也在持续地参与它的创造中。
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这听起来有些自大,但是量子贝叶斯理论并不想为创造宇宙获得赞许。和这个世界构造相比,一次量子力学实验创造的只是几乎无形的极小的附加物,而不是整体上的事物。它们起到的作用是展示什么是可能的。此外,正如混沌理论告诉我们的,即使再小的起因都可能产生重大的后果(关键短语“蝴蝶效应”:在墨西哥的一只蝴蝶扇动它的翅膀可能最终会引起得州的一场飓风)。但是即使考虑这样可能的杠杆效应,在没有实验物理学家的帮助下整个宇宙显然还是形成了,只是如何形成我们还没有完全弄明白。但是惠勒这位曾经有远见的人却毫不犹豫地孤注一掷:
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不能避开这样一个具有挑战性的问题。是否全部的存在物,不是建立在粒子或者力场或者多维几何的基础之上,而是基于数以亿计的基本的量子现象?这些都是“观测者参与”的基本作用,其中最优雅的存在物是通过科学的进步强加于我们的一部分。[2]
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“观测者参与的基本作用”这个表述是有误导性的。参与量子实验,观测测量结果确实使物理学家发现量子理论,但是真实宇宙中涉及的基本作用或许比物理实验室的测量要常见的多。如果一个观测者——代理人连同他的实验仪器——被当作一个大的量子系统,那么一次实验本质上就是两个量子系统的相互作用,我们知道这最终会创造出新的事实。当任何两个量子系统恰巧碰到一起时,都会创造出同样类型的事实。根据惠勒的说法,那或许就是宇宙持续创造的机制:量子系统相遇并且相互作用,从而创造出新的事实。惠勒将他的第三个真正的大问题留给了未来的物理学家回答。克里斯和量子贝叶斯者已经向最终的目标迈出了第一步。
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量子力学的贝叶斯解释的反对者经常批评的是他们对“实在”的看法。因为他们认为波函数和概率并不是真的实在,所以量子贝叶斯者被指责为完全否定实在——一个没有事实根据且毫无逻辑可言的控告。
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