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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 [:1700964151]
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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 第6节 见证奇迹的时刻
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如果见证单独的电子逐渐在屏幕上绘出条纹图案是一段让你不安的经历，那么将其解释为波函数塌缩会让你更加困惑。为了帮助理解，我们仍将电子枪类比于一杆真正的枪。子弹从枪膛发射出之后以不变的速度运动，最终击中目标并且停下来。同样地，电子的波函数也根据量子力学的规则向前传播，最终突然改变它的特性转变为屏幕上的一个斑点。虽然这两种情况有相似的地方，但是它们的不同之处也是显著的，只是现在还不能明显看出来。
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子弹在任意时刻都是严格遵循牛顿运动定律的。
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而电子则表现得有些反叛。在电子碰撞到屏幕之前，它的波函数随时间演化，像平静湖面上的涟漪一样扩散。它的演化由量子力学的运动定律决定。相应地，在某特定点找到电子的概率也在空间中迅速扩展开。但是，当电子在屏幕上停止的时候，描述它的波函数也会立刻、彻底地改变它的特性。波函数塌缩了，同时概率也转变为（几乎完全）确定的信息——电子的位置。塌缩的过程没有任何规则、规律。它确实发生了。波函数塌缩的原因及方式自从90年前量子力学诞生开始就一直是物理学家争论的话题。
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量子力学的创造者在试图解决波粒二象性的谜题时，被迫采取折中的方式。通过引入波函数，同时将它与概率联系到一起，他们成功地把波动行为和粒子行为统一起来，但是他们不得不为此付出代价。他们必须要放弃一个从牛顿到爱因斯坦一直根植于经典物理中的信念，即任何物质的粒子都遵循同样的运动定律。事实证明，一个电子的波函数并不服从子弹所遵循的运动定律。相反，波函数遵守下面两个不同的定律：
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（1）只要电子离开电子枪并且没有被观察到，那么它的波函数将是光滑的、连续的，且是可以被预测的。它就像飞行中的子弹或者湖面上的涟漪一样遵循着特定的数学方程演化。
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（2）当电子在屏幕上留下斑点时，这就暴露了它的行踪，那么波函数将立刻“塌缩”到一个新的、集中在碰撞点附近更紧凑的形式。
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图1.12
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无与伦比的科学漫画家西德尼·哈里斯（Sidney Harris）[1]在他的卡通画“奇迹”中恰巧准确地描述了类似的情况。我倾向于想象着图中两个物理学家正在讨论量子力学。
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波函数的塌缩不仅是空间上“塌陷”到有限区域，而且更一般地指可能性到确定性的转化。不仅是位置，就连能量、速度、运动方向以及其他量子粒子的属性都是概率性的，而且随着波函数的传播而变化，直到我们做了测量之后，相应的量才会固定在特定的值。你要知道，在经典物理中这些物理量是确定且唯一的。量子力学中可以找到很多例子并不是这样。例如，电线中描述电流的波函数可以在向前的同时也向后流；一个分子可以同时有不同的几何结构；放射性粒子可以同时地衰变和稳定。我们或许会问，在这些可能的状态中，它们到底处在什么状态？实际上，只有我们问了并且知道了这个问题的答案之后，它们才真正处在某个特定的状态。
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科学中并不应当存在奇迹。然而，偶尔有奇迹试图渗透到科学思维中，真的就那么奇怪吗？毕竟世界呈现给我们如此之多的未解之谜。只是聪明的人们并不称之为奇迹。牛顿的万有引力定律就是一个极好的例子。
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设想你手中拿着一个苹果，然后松开手，苹果就会落向地面。为什么会如此？它留在原处不动不是更自然吗？如果你是一个飘浮在外太空的宇航员，那么苹果确实会如此——悬浮在你面前。但是在地球上，它却会下落。
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牛顿解释道，这是由于地球在施加一种神秘的力，他称之为引力，这种力会吸引苹果并且将它不可逆转地拽向地面。这些看不到的触手是什么？它们是真实的还是我们想象的？它们由什么组成？我们又能否操控它，使它中断？如何阐明它们的本质？
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通过推广他的定律，牛顿化解了这些谜题，他声称包括苹果、地球等在内的所有实物之间都会相互施加吸引力。正是这些力使月球保持在它的轨道，使地球围绕着太阳转动，使你我不至于飘到外太空。这被称之为万有引力，它是超距作用最好的例子。
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但是超距作用是完全不合理的。生活常识告诉我们，直接的接触才产生力。想要移动一个椅子，你必须要接触它，不管是直接用你的手，还是间接用棍子或者绳子。棒球在接触到球棒时才会改变运动方向，声音和热的传播也是通过分子振动附近的分子，然后将运动形式链式传递下去。光子携带着光或者无线电波从发射源到接收器。微观上看，即使像前面提到的推动椅子产生的接触力，最终都可以解释为电磁相互作用，通过点对其附近的点的扰动传播。而超距作用却与这种普遍存在的现象不一致。这只是给奇迹披上了“自然定律”的外衣。
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假如超距作用存在，考虑下你自己对宇宙的影响吧。根据牛顿的理论，当你向前移动一步时，宇宙间任何的粒子，地球上的任何人，每一个行星和恒星，不管它们离你多远，都会瞬时感受到引力的变化。仿佛不需要传递任何信息，你身体的变化都会瞬时影响遥远物体。
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当然，牛顿也意识到自己的定律也不像是真的。在万有引力定律已经被尊称为伟大的自然定律之后，牛顿收到了一封质疑超距作用的信，在回信中他写道：“那些没有生命的物质，不通过一些非物质的中介，可能对另外一些没有接触的物质产生影响。这让人难以置信……引力应该是物质固有的、内在的属性，是其不可缺少的一部分，所以一个物体可以（通过）真空作用于远处的另一个物体，而且中间不通过那些可以使力或作用相互传达的媒介。这对我来说是如此荒谬（重点强调），我相信任何一个有哲学思考能力的人都不会赞成这样的观点。因此引力必然是通过遵循特定定律的中介的持续作用引起的，但是关于这些中介是物质的还是非物质的问题，我就留给读者思考了[2]。”
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牛顿将他对物理学最伟大的贡献称之为荒谬的言论！1666年左右，24岁的牛顿发现了它。他生命的那段时间被认为是他的奇迹之年，这并不是因为超距作用是一个奇迹，而是因为那一年，牛顿的创造力达到了顶峰。同年，他还发明了微积分，也成功地将太阳光分解为彩虹的颜色。
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提出万有引力25年之后，牛顿非但没有因为不合理性而放弃超距作用，反而一直在为它的有效性辩护，但他也承认它是十分费解的。他已经计算出了引力作用的定律，但是仍不明白其物理意义。作为一个虔诚的信徒，他私下将引力的作用归因于上帝，但是却明智地将这个问题留给他的读者让他们自己下结论。他以简洁的数学公式描述了奇迹，却无法解释它。
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然而，从1666年到1916年，万有引力定律权威统治了两个半世纪，直到爱因斯坦发现了引力的本质。诚然，中间这些年出现了无数种用复杂的力学模型来解释引力的尝试，却没有一个在实验或者数学上站得住脚的。250年间，物理学家以牛顿的万有引力定律为基础做出了很多奇妙的预言，范围遍及海洋潮汐、地球扁平的形状，甚至日食以及彗星出现时间。这么一个“荒谬”的定律却取得了巨大的成功，以致其他与引力无关的物理现象也模仿了它的数学结构，如电磁力。
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爱因斯坦反对超距作用，不仅仅因为它与我们的常识违背，更重要的是和狭义相对论矛盾。1905年是爱因斯坦的奇迹之年，他提出任何物体、信号、信息的速度都不能超过光速。超距作用却以无穷大的速度穿越空间，根据狭义相对论这是不可能的。因此爱因斯坦自己发展了一套引力理论，我们称之为广义相对论。广义相对论展示了空间如何以自身为媒介通过邻近的相互作用将引力传送到远方。和超距作用相反，这被称之为定域作用，因为空间中某点只会影响它附近的点，而不是远处的点。这样一来，如果你向前移动一步，你附近的空间会稍微弯曲一点，通过邻近点的作用，这点扰动向外以光速传播，到达世界某个遥远的地方，穿过太阳系，穿越银河，传向宇宙的深处。250年之后，万有引力中的那些奇迹最终被更复杂但也更明确的理论取代了。
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牛顿那些值得尊重的旧理论成为这个新理论在某些极限条件下的近似。虽然它仍是一个非常有用的近似，却已经不具有基础意义。这类似于，虽然物理学家知道固体、液体、气体都是由原子组成，但仍以连续的物质近似地处理它们。
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波函数塌缩也是一种超距作用，因为这也包含着在某一瞬间任意大的空间区域的突然变化，它和牛顿引力一样让人费解。但是犹如牛顿的引力一样，波函数塌缩也证实了它的价值，这也让它成为科学正统。绝大多数的物理学家都将量子力学视为已被证实的事实，例如，叠加原理、概率解释、波函数塌缩等。他们在计算和观测中获得了成功，并说服自己：“自然就是如此运作的！”只有个别人会认真考虑这个哲学的谜题，并试图解决它们，这类人现在也在慢慢增多。这些勇士最核心的目标就是明确量子定律的第二步，也就是波函数塌缩。它涉及从概率性到确定性这一令人费解的跳跃。
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