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自由意识和这个世界,谁是假象?

按照量子理论的字面意思来理解的话,实在(reality)、相对论、因果律和自由意志当中,至少有一个是假象。问题是,到底谁错了?图片来源:erinbower.net

一眼看上去,它像是一面普通的镜子,其实却不是——它上面镀了一层“半反射银膜”,能将照射其上的光线反射一半出去,另一半则直接透射而过。

不过,这面镜子本身没有什么特殊之处。每当你隔窗远眺,在玻璃上看到浅浅的屋内景象时,就是类似的部分反射在发挥作用。特殊的半反射镜是提词机里不可或缺的组件,实在想要的话,不用大费周章,上网就能买到。

这种镜子对单个光子的作用才是怪异所在。凑近仔细观察的话,这些小镜子也许会尽毁你的实在观。它们能让你茫然无措,不知自己身在何处,身是何人,甚至怀疑自己究竟是否存在。它们甚至能搅乱你对因果的判断,暗自纳闷究竟谁才是这一切混乱之源,是那些镜子,还是你自己。以今日科学之高深,能否一探小小半反射镜上之究竟?“我认为不行,”伦敦帝国理工学院的物理学家特里·鲁道夫(Terry Rudolph)如是回答。

每当我们像这样身陷迷惑,对存在之类的问题绞尽脑汁又心存恐慌之时,罪魁祸首往往非量子理论莫属。毋庸置疑,要描摹在极微小尺度上物质实在的行为,量子理论仍是我们的看家招数,而且它的预言反反复复被实验所证实。只不过,它描述的实在,与我们所说的现实,似乎毫无关联。

首先,量子实在的随意性让人不快。就以看上去和我们自身一样真实的原子为例:按照量子理论,一个孤立原子的位置完全不可确定;能确定的最多只是在X位置发现这个原子的概率,在Y位置会有另一个概率,Z位置还有一个概率。只要你不追究这个原子的位置,它就会处于所有可能位置的某种“叠加态”(superposition)。一旦追究起来,也就是对原子的位置进行一次测量,它就会在某个位置上现身,但你不一定能够预言那个位置会在哪里。

这种怪诞在半反射镜上达到了极致。只要让光束以合适的方式照射上去,不仅光束会分成两束,单个光子也会一分为二。从效果上说,这个光子相当于变成了两个光子:一个透射而过,一个反射开去。

每个光子都有特定的属性,比如说自旋——这是一种量子力学属性,可以把它类比成空间中的转动。不过,如果你决定要分别测量这两个光子的自旋,古怪的事情就会发生。你可以一遍又一遍地测量它们的自旋,每次都选取不同的参考方向,比如实验室的朝向、室外的风向,或者天花板上一只苍蝇爬行的方向等等。一段时间之后,你就会寒意顿生,因为一个模式会逐渐浮现出来:每一回,你测量第2个光子所得到的结果,都取决于你在测量第1个光子时所做的选择。

这种现象,我们无法用通常的、经典的实在观来解释,被称为纠缠(entanglement),是量子物体具备的一种特殊能力:一旦发生这种关联,无论之后分隔多远,它们似乎都可以相互影响。用爱因斯坦的话来说,这是一种“幽灵般的超距作用”。

于是,一个自然而然的想法就是,寻求某些“正常的”物理解释对此施以援手——爱因斯坦当年就是这么做的。如此一来,符合我们直觉的实在观就有可能延续下去。按照这样的想法,必定有某些未知影响在两个光子间飞速传递;肯定有某种物理的东西,从一个光子传递到另一个光子,告诉它哪些信息被提取了。

无论这种影响是什么形式,是一个光子也好,是某种其他的交换粒子也罢,抑或是某一种波,假设它的传播速度无法超越光速,都应该是合理的。按照爱因斯坦的狭义相对论,光速一直被视为是我们这个宇宙中任何可用信息传播速度的上限。有了这个上限,所有令人不快的后果才不至于发生。鲁道夫解释说:“如果能够超光速传递信号,我们就会遇到古怪的状况,古怪到连因果律都会违背。”超光速通信还可能为不法之徒大开方便之门:你可以通过它来向过去传递信息,从而违背相对论的因果律,我们人人都可借此赢得百万美元的彩票大奖。

那些遵从相对论的、不那么出格的隐藏物理影响,检验起来相对容易。首先,你得将两个纠缠光子分隔开一段超远的距离。比方说,第2个光子可以被送到国际空间站(ISS)上去,然后设置一个装置,在某个精确时刻对它进行测量。在测量发生前的一瞬间,你测量留在手边的那第1个光子。精确调节好测量时间,让两个光子即便以光速也无法及时通信。看看在这种情况下,两个光子的测量结果,还会不会存在关联。

想要解释量子纠缠,就必须抛弃某个基本假设。图片来源:《新科学家》

超越光速

还没有人真正做过这样的国际空间站实验,但在地面上,我们已经进行了很多次类似的实验。每当第2个光子的测量结果传来,我们都会看到这种奇异的关联仍然存在。第2个光子似乎对第1个光子的遭遇了如指掌,并以此来应对即将到来的测量。瑞士日内瓦大学的尼古拉斯·基辛(Nicolas Gisin)和同事在2008年的实验结果表明,如果有任何幽灵般的潜在影响在18千米长的光纤网络中传播,它的速度必须至少达到光速的10000倍才行(参见《自然》杂志,454卷,861页)。在空气中进行的距离长达数千千米的纠缠实验,也得到了类似的结果。一些野心勃勃的计划准备在太空中重复这些实验。

这些结论将置我们于何地呢?或许你会被这个神秘关联的种种奇闻所震惊,但也可能深受触动转而接受另一个解释,只不过这个解释初看起来有些牵强附会。只有当某种影响携带信息的时候,相对论才禁止它超光速传播。那么,如果存在某种目前未知的奇怪现象,能够将两个纠缠粒子联系在一起,同时又不携带任何信息,情况会如何呢?

就算存在,这种影响看起来可能是什么样子,我们也知之甚少。不过这已经无关紧要了,因为这条通向正常世界的逃生通道也被堵死了。2012年,瑞士日内瓦大学的让-丹尼尔·邦卡尔(Jean-Daniel Bancal)和基辛等人合作,在一个由4组发射端和接收端构成的网络中,研究了对纠缠光子进行同步测量会得到何种结果。在理论模型中,他们假设潜在影响能以任意速度穿越时空,只要它们不携带信息。

然而,这个理论模型无法再现实验结果。没有任何物理传递机制能产生实验中观察到的关联,除非实验网络中的潜在影响能够超光速输递信息(参见《自然·物理学》,第8卷,867页)。如果我们坚信相对论,就会遇到一个难题。“这真是玄而又玄,不可思议,”邦卡尔说,“你努力去寻找这些关联的原因所在,却不知为何每每落空。”

基辛的结论更为直率。在他看来,这意味着我们所跻身的现实的维度,不可能包含对量子实在更为基本的解释。“时间和空间之中,不存在任何信息能够告诉我们,这样的关联何以发生,”他说,“必然有某种实在存在于时空之外。”

除非,我们的某些基本认识出了差错。挑战相对论总是应者寥寥,因为这会违背我们的因果观念。我们人类钟爱因果顺序,对于任何事件都想追究一个起因。不仅如此,在更基本的层面上,我们都是坚定的决定论者,毫不怀疑地假设任何事件都有一个确定的原因。在日常生活所涉及的尺度上,这似乎合情合理,但在渺若微尘的量子实在世界里,我们还能如此确信吗?

最近,奥地利维也纳大学的理论物理学家查斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)和同事,对量子体系在理论上是否与我们的宏观世界符合同样的因果律,展开了调查。他们最先考察的是这样一个经典的场景:两个纠缠光子在空间上被分隔开来,然后被爱丽丝和鲍勃这两位独立观测者分别测量。布鲁克纳和他的研究团队在这个场景中加入了一个变化,那就是量子不确定性。量子不确定性是量子理论的一个基本原理,从根本上限制了你从一个量子系统中能够提取出来的信息量——这其中也包括有关时间的信息。

布鲁克纳打了一个比方,来描述他们研究的过程。爱丽丝走进一个房间,发现鲍勃留了一条信息。她擦掉这条信息,留下了自己的回复。然后,鲍勃走进了房间,把爱丽丝刚才已经回复过的信息又留了一遍。本质上来说,正如量子粒子能够同时处于多个位置一样,它们似乎也可以同时处在不同的时刻。因此,这个系统可以同时处于“爱丽丝在鲍勃之前进入房间”和“鲍勃在爱丽丝之前进入房间”这两个状态。布鲁克纳说:“我们无法说出爱丽丝的测量是发生在鲍勃之前,还是鲍勃之后。”(详见《自然·通信》,第3卷,1092页。)

正如量子粒子能够同时处于多个位置一样,它们似乎也可以同时处在不同的时刻。图片来源:《新科学家》

布鲁克纳已经开始琢磨如何用实验来检验这些理论计算的结果,但他说,这并不容易。考虑到量子状态微妙的天性,任何企图测量量子力学因果顺序叠加态的尝试,都会破坏这种叠加,使它塌缩成某一种确定的因果顺序。

不过即使没有实验结果,他认为,结论也已经很明显了。他说:“因果顺序不是自然界的一个根本属性。”只有在实验参数经过调节,降低两个光子之间的纠缠程度,使它们的行为方式更类似于我们熟悉的经典粒子之后,因果律才得以恢复。从某种程度上说,布鲁克纳与基辛算得上是殊途同归。我们生活在时空之中,经历其中的因果顺序,但因果顺序似乎并不是量子理论的基本属性。如果我们接受量子理论,把它视为是对我们所处现实的最基本描述,这就意味着时空本身不是基本的,而是从某种更深层次的、目前还未知的量子实在中涌现出来的。

自发的宇宙

前提是,如果我们接受量子理论。鉴于我们珍爱的实在观、相对论和因果律,无一不被量子理论撕扯得千疮百孔,一个自然而然的问题被提了出来:会不会是量子理论本身有问题?尽管它硕果累累,但那些随机性、不确定和幽灵般的关联或许恰恰表明,量子理论本身是不完整的。至少就目前的形式而言,量子理论可能无法向我们提供解释万物本质所需的全部信息。这种情况大概可以拿热力学作个类比。热力学为物质如何运动提供了一个简单明了的表层描述,比如热量总是从高温处流向低温处等等,但对于使这些现象得以发生的更深层次的原子动力学,它什么都没有透露。

为了探究这种可能性,瑞士联邦理工学院的罗杰·科尔贝克(Roger Colbeck)和雷纳托·伦纳(Renato Renner)已经重新审视了经典的爱丽丝-鲍勃实验。他们想知道,如果一种底层理论能给两个纠缠粒子间的关联或多或少提供一些额外信息的话,这些经典实验会发生怎样的变化。测量结果的随机性和不可预测性,会不会有所降低?

简单的回答是,不会。任何情况下,只要爱丽丝和鲍勃能够独立自主地选择他们要对粒子做什么类型的测量,那么对于他们的实验会得到什么样的结果,额外信息就给不出比量子力学更准确的预言。看起来,量子力学神秘的不确定性,与信息完不完整毫无关系。

“随机性是本质上就有的,”科尔贝克解释道。在更深的层次上,宇宙是自发的(spontaneous)。本质上,没有任何理由来解释量子粒子为什么具有这样的属性:不存在隐藏的影响,不存在铁律一般的因和果,不存在缺失的信息。万物生就如此,宇宙无需解释。

科尔贝克说:“对此,有些人感到非常沮丧。”事实上,他们甚至沮丧到了开始怀疑一个更基本的假设,关系到现实及我们与现实的关联。这一假设潜藏在大多数涉及到量子实在及量子测量的研究方案当中,连科尔贝克和伦纳的实验也不例外。我们不妨回到第一个实验,就是那个光子遇到半反射镜的实验。为了测量那些光子自旋的指向,你首先必须选取一个参考方向——实验室的朝向、室外的风向,还是天花板上那只苍蝇爬行的方向。你的选择会影响测量结果。但是,如果这其实不是你的选择呢?如果是某种其他力量在操控你的双手,迫使你这样完成实验,使这种关联恰好每一次都会出现呢?

执迷自我

这种怀疑将我们领入了人类自由意志的领地。在这片艰险之地上混迹的哲学家,往往比物理学家多得多。尽管听上去有些愚不可及,但确实有些严肃的物理学家在考虑,为了避免量子关联导致的种种异相和由此带来的相对论及因果律的丧失,是不是放弃自由意志会更好。这样一来,我们就成了参与这场宇宙大戏的小小提线木偶,不用再为宇宙咸吃萝卜淡操心了。

有一种解释是放弃自由意志。这样一来,我们就成了参与这场宇宙大戏的小小提线木偶,不用再为宇宙咸吃萝卜淡操心了。图片来源:《新科学家》

诺贝尔奖得主、荷兰乌得勒支大学的杰拉德·特·胡夫特(Gerard't Hooft)就是其中之一。他发现自己对无视空间和时间的量子关联“很难买账”。相反,他认为,答案可能隐藏在一种极端的决定论之中。这种决定论认为,人类的心智被设定在一条确定的轨迹之上,选择哪一个参考方向来进行量子测量,看似自由选择,实则照章办事而已。

另一些人却不为所动。美国麻省理工学院的量子物理学家斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)说:“为了让量子力学‘看上去’正确,就把所有人的大脑、测量仪器和宇宙中的亚原子粒子全都莫名其妙地关联在一起,这不是饮鸩止渴吗?”他的评价是,引入这种关联,跟引入一个超自然的神,本质上没有什么两样。

鲁道夫表示,他回答不了这个问题,也没人能够回答。但是他觉得,问题的关键在于,我们仍毫无希望地固守着人类中心主义。我们的日常经验与量子力学实验结果之间日益扩大的鸿沟,在他看来,不过是托勒密及其后继者用越来越复杂的地心说来解释天体运行规律的现代翻版。当年的问题在于,我们只看到了行星绕着地球转的表象,直到哥白尼扭转乾坤提出日心说,事情才一下子变得简洁起来。

或许,在构建相对论和量子理论时,我们也陷入了与托勒密类似的视角。只不过这一回,我们执迷的是对时间和空间的观感——而在我们之外,这种观感可能根本就不存在。“我们把时间和位置视为是描述世界的重要变量,是因为我们演化出了相应的感知,”鲁道夫说,“但在更深层次上真正发生的那些事情,似乎对这些概念并不在意。”

现在,你已经知道了。当光照射到半反射镜上时,我们看到镜面上反映出来的那个世界,很可能并非我们想要了解的世界的真实面目。现实、相对论、因果律、自由意志,还有时间和空间——这些东西不可能全都正确。但我们还是忍不住要问,错的究竟是什么?

 

编译自:《新科学家》,Quantum weirdness: The battle for the basis of reality

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The End

发布于2013-08-28, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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kingmagic

理论物理博士,果壳译者

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