量子力學是如何拯救愛因斯坦的自由意志的?

2020-12-14 老胡說科學

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阿爾伯特·愛因斯坦是量子力學中不確定性的批評者,他有句名言:「上帝不玩骰子!」光子和電子的量子力學中的不確定性不同於物理學家所稱的經典世界中的不確定性。這一切都與貝特曼的襪子這一奇特的案例有關。

尼爾斯·玻爾和阿爾伯特·愛因斯坦對量子力學的爭論是很激烈的。一隻襪子顏色的不確定性是經典不確定性的一個例子。我們假設,根據貝葉斯模型,抽屜裡有一隻紅色的襪子和一隻綠色的襪子,如果抽出一隻襪子是綠色的,那麼另一隻就不是綠色的。因此,它減少了另一種顏色的不確定性。如果我們知道他抽屜裡所有可能的襪子顏色,我們就能給出確切的概率。例如,如果有6隻六種顏色的襪子,如果我們抽出一隻綠色的襪子,那麼下一次抽出紅色襪子的概率是1/5。

在我們看它之前,它是一個「隱藏變量」,它有一個我們還不知道的明確的值。所有經典的不確定性都包含隱變量。有些我們永遠無法知道,因為它們無法測量,就像地球上每個空氣分子在同一時間的位置一樣。然而,地球上的每個空氣分子都有一個確定的位置,我們可以建立模型來做出這個假設,並告訴我們一些關於天氣的有用信息。

1934年,阿爾伯特·愛因斯坦厭倦了量子力學。尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡關於量子波函數不確定性原理等奇異概念的理論席捲了整個物理世界。就愛因斯坦而言,量子力學要成為宇宙的「完整」理論還有很長的路要走。

問題是量子力學是用數學表達的,不符合我們用來討論貝特曼的襪子的隱變量的概念。相反,它表明,在量子宇宙中,如果我們看到一隻襪子是綠色的,另一隻襪子不一定要有特定的顏色。根本沒有隱藏的變量,但是所有的可能性都是相互「疊加」的,這意味著它們都作為現實同時存在,直到其中一個被觀察到,然後所有其他的現實都消失了。這在當時被稱為波函數崩潰,但現在通常被稱為疊加損失或量子退相干。

更糟糕的是,這表明,對於量子態的貝特曼來說,如果我看到他的一隻襪子在瑞士是綠色的,那可能會影響他的同事史密斯教授在加利福尼亞穿著的襪子的顏色,而兩者之間沒有任何聯繫,增加了史密斯襪子不會變綠色的可能性。第二種觀點被稱為「幽靈般的遠距離作用」,它允許各種各樣的不確定性,即觀察是「相關的」,這意味著一種可能性取決於另一種可能性。就好像宇宙中的一切事物在被觀察到之前都是直接與其他事物聯繫在一起的。

1935年,愛因斯坦與普林斯頓高等研究所的波多爾斯基和羅森合作發表了一篇論文,這篇論文因提出了愛因斯坦-波多爾斯基-羅森悖論(EPR悖論)而在物理學家中聞名。在這篇文章中,科學家們建議做一個實驗,讓兩個粒子A和B相互作用,然後分離。然後你可以測量一個粒子並推斷出另一個粒子的狀態而不需要測量它。作者們並沒有就這實際上意味著什麼達成一致,只是認為這是量子力學的問題。波多爾斯基認為它違反了海森堡的不確定原理,即你不能同時測量量子的位置和動量。尼爾斯·玻爾回應說,這是一個粗略的論點。愛因斯坦認為問題在於,取決於如何測量粒子A,粒子B的實際狀態會受到影響。愛因斯坦的理論要深刻得多,因為不僅測量A的方式會影響B的狀態,你測量B的方式也會影響B的狀態。

第一個問題,即如何度量A對B的影響,稱為非局部性,因為你對A在A點的測量導致了B點的變化。第二個問題違反了愛因斯坦所稱的「現實主義」,即粒子有明確的隱藏變量。如果你測量B的方式改變了你在B點的測量,那麼B就不可能有一個隱藏狀態。相反,現實本身是對您進行度量的方式作出響應的。

經典理論中,每個光子都有一定的位置和性質。量子物理學隱含的客觀現實的缺乏冒犯了愛因斯坦根深蒂固的哲學。愛因斯坦提出了廣義相對論,這一理論解釋了引力,不僅是恆星和行星如何運動的理論,而且是對空間和時間的描述。在他的理論中,時間和空間沒有區別,因此,過去和未來就像建築中的水泥一樣,是固定不變的。愛因斯坦是哲學家所說的永恆論者。他的哲學不允許任何形式的自由意志。作為交換,它承諾過去和未來總是「在某處」。庫爾特·馮內古特基於這種永恆主義的視角寫了一部小說,名為《五號屠宰場》。在這部小說中,一個人在時間上變得「不受束縛」,在他的生命中穿梭,能夠見證其中的一切,但無法改變發生的任何事情。如果你是一個永恆論者,你相信人類只是現實的見證者,而不是真正的參與者,我們影響事件的能力是一種幻覺。

如果量子力學允許愛因斯坦所指責的那種「擲骰子」的上帝存在,那麼這可能意味著未來並不是真的「存在」,而是在他擲骰子的時候才出現的。如果是這樣的話,那麼愛因斯坦的水晶時空也就到此為止了。相反,宇宙將是隨機展開的,沒有預定的未來。

對於愛因斯坦來說,每一時刻,每一件事都像牆裡的石頭一樣被小心翼翼地放置在時空裡。許多物理學家,如玻爾,並不接受愛因斯坦的觀點。事實上,他們更喜歡這樣的宇宙,在這個宇宙中,時間不僅僅是一個空間維度,一個宇宙實際上在變化和進化,即使它是隨機的。然而,物理學家也沒有完全接受量子不確定性的工作原理與經典不確定性不同。上世紀50年代,大衛玻姆創立了一個成功的理論,可以解釋一些帶有隱變量的量子幽靈現象,但他的理論只有在探測器彼此垂直放置的情況下才會奏效。

1964年,當約翰·貝爾考慮到玻姆沒有考慮得更普遍的情況時,愛因斯坦的宇宙最終崩潰了。他注意到,在量子測量中,你得到的概率與你預期的結果之間存在差異,如果它們像貝特曼的襪子一樣的話。他把它寫成了一個數學定理,實驗人員可以用它來確定量子力學是否真的像看起來那樣「令人毛骨悚然」。1981年,他發表了一篇名為《伯特曼的襪子和現實的本質》的論文來解釋他的定理。

街上的哲學家沒有上過量子力學的課程,對(愛因斯坦-波多爾斯基-羅森)的相關性相當不以為然。他可以舉出很多日常生活中類似的例子。人們經常提到貝特曼的襪子。貝特曼博士喜歡穿兩隻不同顏色的襪子。在某一天,他的襪子會是什麼顏色是很難預測的。但是當你看到第一隻襪子是粉紅色的,你就可以確定第二隻襪子不是粉紅色的。對前者的觀察和對貝塔曼的了解,直接提供了關於後者的信息。品味是無法解釋的,但除此之外,這裡沒有什麼神秘可言。

約翰·貝爾發明的現在被稱為貝爾不等式或貝爾定理,它表明量子測量確實與經典測量不同。實際上,除了在某些人為的情況下,沒有任何方法可以證明在測量粒子A之前,粒子B具有確定的狀態。

量子圖是將光子塗抹在一個概率場上。它們的所有屬性、位置、動量、自旋、極化等等在測量之前都沒有具體的值,而且,並且在測量它們時,如何測量會影響可能的結果。

從哲學上講,我認為量子的不確定性告訴我們,現實比它看起來要神秘得多。在宇宙中,所有的狀態都存在並且是預先確定的,很難為自由意志的概念辯護,這就是愛因斯坦不相信自由意志的原因。我們生活在一個觀察行為決定現實本身的宇宙中。雖然這並不能證明自由意志一定存在,但它確實為我們的選擇確實影響未來的可能性打開了大門。到目前為止,多虧了約翰·貝爾,自由意志遠離了阿爾伯特·愛因斯坦,但誰能說未來會怎樣呢?

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