「上帝不會擲骰子」是物理學家愛因斯坦的一句名言。人們把這句名言當作他斷然否認量子力學的證據,因為量子力學把隨機性看作是物理世界的固有屬性,但人們實際上誤解了他。愛因斯坦其實也為量子力學做出了很大的貢獻,它並不反對量子力學,只不過反對量子力學的根本哈根詮釋,而且他認為量子力學並非終極理論,它還並不完善。著名的量子糾纏的概念,就是愛因斯坦在他的《論量子力學的完備性》一文中提出的。
首先我們要從不確定性原理談起。
在量子物理學出現之前,物理學的基本理論是描述自然界中的力以及物體對這些力的反應。基本框架都是由橫空出世的牛頓和麥克斯韋建立。在牛頓的經典理論中,他認為物體是獨立存在的,處於一定的位置,遵循一定的運動路徑,可以精確地知道物體在某一時刻的狀態等。甚至於,只要了解物體的組成結構,運用牛頓力學框架以及麥克斯韋的電磁學框架,那麼,只要對物體的各個部分進行嚴格的推算,就一定可以知道未來的狀態。這條寬闊的道路吸引了無數的探索,鼓舞了決定論者的士氣。但是這條路最後還是走不通了,在黑體輻射實驗之後,人們發現這個世界乃至宇宙萬物並非想像中那麼簡單和確定。之後量子物理理論引來了春天,量子物理學是給出了理解原子和亞原子在微觀尺度下如何運轉的一個框架。但它也提供了一個完全不同的概念模型,在這個模型中,一個物體的位置、路徑甚至是過去和未來都無法被精確地確定,這簡直是對決定論者最大的宣戰。這一原理是維納海森堡1927年提出的不確定性原理。不確定性原理主要表示成,我們同時測量某些數據的能力是有限的,比如粒子的位置和速度。例如,根據測不準原理,如果將粒子位置的不確定度乘以其動量的不確定度(其質量乘以其速度),結果永遠不會小於稱為普朗克常數的固定值(H=6.626e-34js)。
根據量子物理學,無論我們得到多少信息,也不管我們有多少計算能力,物理過程的結果都無法準確預測,因為它們不是由確定性決定的。這讓科學家們非常頭疼,這意味著我們只能用概率來研究它的性質。
那麼量子理論比牛頓力學更科學嗎?答案是否定的,因為引力的作用原理無法從量子力學中總結出來,而是由愛因斯坦建立的廣義相對論解釋的,但是廣義相對論也未能從本質上解釋微觀粒子下引力的作用機制。所以量子力學是存在缺陷的理論,這也是為什麼愛因斯坦對量子理論持謹慎態度的原因。
但是在微觀量子世界中,給定一個系統的初始狀態,通過一個根本不確定的過程來確定其未來狀態是很自然的。換言之,自然不會指定任何過程或實驗的結果。它允許出現許多不同的可能結果,每個結果都有實現的可能性。給定一個系統在某一時刻的狀態,自然法則決定其各種未來和過去出現的可能性,而不是明確地決定未來和過去本身。
這個時候薛丁格的貓與意識的作用就不得不談了。
「薛丁格的貓」,這個理論很奇怪,假設在一個封閉的房間裡有一個放射性原子,它可能衰變並發射電子,也可能不會。在給定的時間內釋放電子的概率是50%。房子裡還有一瓶毒藥和一隻活貓。一旦腐爛,瓶子就碎了,貓也中毒了。在現實生活中,貓有50%的機會中毒。我們可以說這隻貓是死是活。但量子理論不這麼認為。貓既死又活,既不死也不活。它處於中間狀態,它的存在只能用波函數來描述。一旦我們觀察到它,就好像人類的「意識」在工作,波函數就會塌縮,然後我們得到一隻活貓或一隻死貓。為什麼疊加的貓突然變成了一個真實的東西,它的波函數突然崩潰成一個單一的觀測值,所有的不確定性都突然消失了?那麼背後究竟是什麼在工作呢?
量子理論解釋說,我們不能把觀察的對象看作與對象無關的「旁觀者」,因為任何事物只有與特定的觀察方法結合起來,才能具有具體的意義。一旦被觀測到,觀察者必然會對被觀測對象產生幹擾。因此,作為主體的人與物的世界必須理解為一個不可分割的整體。在「薛丁格的貓」的思維實驗中,一隻未被觀察到的貓並沒有某種狀態。一旦有人觀察,由於任何觀測都不可避免地會干擾被觀測對象,所以觀測者必須與被觀測對象相結合,仍然是波函數來描述的,即觀察者和被觀測對象都沒有一個確定的整體狀態,處於「中間態」。這就像是一種鏈式反應結合,而這個觀察者的鏈條會隨著更多觀察者的加入而延伸下去,最後成為一個系統,被某個波函數來描述。
但薛丁格的貓究竟怎麼解釋,誰也說不清楚,有人還套用多宇宙的概念試圖去解釋這個貓的狀態,即波函數塌縮就產生一隻活貓宇宙和一隻死貓宇宙。看起來是在胡說八道,但我也沒有證據。
現在想想許多理論經不起推敲,僅僅只能從宏觀現象中得到合理結論,就比如我們現在知道在所有自然過程中,熵總是沿增加的方向變化,這表明所有物理過程都是不可逆的。自然界中的每一個過程,不管是簡單的還是複雜的,都被這些定律支配,但這些定律僅僅也只是從公式上證明的,但是微觀的核心解釋是什麼,對不起全世界的科學家都沒有告訴我們。
人類從蘋果掉落研究出各種定律,再從原子研究到量子,從量子又研究到宇宙黑洞,現代科學的終點究竟會在何方,物質又是否是無限可分的,這顯然都成了一個哲學問題,沒有答案也沒有盡頭。