• 量子力學(xué)是一個(gè)特別反常識(shí)的學(xué)問，但并非完全不可理解。只要你稍微理解一點(diǎn)量子力學(xué)，就會(huì)拍案叫絕。如果你理解的足夠多，就可能陷進(jìn)去。如果你理解的再多一點(diǎn)，搞不好就想把青春獻(xiàn)給物理學(xué)。

• 溫伯格講了一個(gè)困擾物理學(xué)家已久的問題。這個(gè)問題實(shí)在太過重大，可以說足以影響每個(gè)人的世界觀。理解這個(gè)問題不需要什么高深概念，讓我來給你解說一番。

1.常識(shí)中的“不確定性”

• 你往空中拋一個(gè)蘋果，如果我精確知道蘋果的初始速度、空氣的阻力、引力的強(qiáng)度，我就可以精確計(jì)算蘋果的軌道，告訴你它會(huì)在什么時(shí)候、在哪里落地。完全都是確定的。

• 可是如果你拋的是一個(gè)硬幣，問我硬幣落地的時(shí)候哪一面朝上，我就只能說一個(gè)概率了。這并不是因?yàn)橛矌藕吞O果有什么本質(zhì)的不同，而是因?yàn)橛绊懹矌怕涞氐囊蛩貙?shí)在太多了 —— 初始速度、角度、旋轉(zhuǎn)度、地面的平整情況、空氣中氣流的變化等等。我對(duì)這些因素的了解和我的計(jì)算能力都是有限的，我就沒有辦法精確預(yù)測。

• 但是你考察那些左右硬幣運(yùn)動(dòng)的物理方程，它們都是確定性的。也就是說，如果有人能夠精確了解所有的因素，他在原則上就能精確預(yù)測硬幣的運(yùn)動(dòng)軌跡！硬幣事件，本質(zhì)上仍然是確定性的事件。

• 在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，物理學(xué)就是這樣的局面。所有物理方程都是確定的，那么如果你精確知道宇宙中每一個(gè)粒子的初始條件，你在原則上就完全可以預(yù)測整個(gè)宇宙后續(xù)的演化，一切都是確定的 —— 這就是所謂“機(jī)械宇宙”。

• 今天我們說的天氣、股市、地震這些所謂“不確定事件”，在機(jī)械宇宙里也都有，我們說不確定只不過是因?yàn)槲覀兊挠?jì)算能力有限。機(jī)械宇宙里沒有真正的不確定事件，一切都已經(jīng)注定了。

• 這個(gè)世界觀有點(diǎn)令人沮喪 —— 我們的大腦也受物理定律支配，所以你未來想什么，也是注定了的 —— 但這是一個(gè)和諧自洽的世界觀。

• 這就是為什么量子力學(xué)一出來，物理學(xué)家就懵了。

2.既在這里，又在那里

• 這是因?yàn)楣馐怯胁▌?dòng)性的，就好像水波一樣，如下圖：

• 可是量子力學(xué)一出來，我們知道，光同時(shí)也是粒子 —— 也就是“光子”。物理學(xué)家原則上可以把光子 —— 或者電子、或者別的什么粒子 —— 一個(gè)一個(gè)地發(fā)射到那塊有雙縫的隔板上去。你猜會(huì)發(fā)生什么？

• 即使你每次只發(fā)射一個(gè)光子，后面屏幕上也會(huì)出現(xiàn)干涉條紋圖案！這非常奇怪，因?yàn)楦缮鏃l紋，是兩個(gè)縫隙之中同時(shí)發(fā)出的光互相干涉的產(chǎn)物?，F(xiàn)在你每次只打一個(gè)光子，它跟誰干涉呢？

• 答案是這個(gè)光子自己和自己干涉 —— 也就是說，這一個(gè)光子，同時(shí)通過了兩個(gè)縫隙！用電子或者別的粒子做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也是如此。

• 這就是量子力學(xué)。一個(gè)粒子，可以“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫” —— “既在這里，又在那里”！

• 再舉個(gè)例子。物理學(xué)有個(gè)概念叫“自旋”，你大概可以理解成一個(gè)粒子的自轉(zhuǎn)。任意選定一個(gè)方向，比如說北方，那么對(duì)一個(gè)電子來說，它有兩種自旋 —— 對(duì)著北方，如果這個(gè)旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針的話，我們就說它自旋是正，如果是逆時(shí)針的話，我們就說他的自旋是負(fù)。

• 你不用關(guān)心自旋的精確定義是什么，只要知道電子在任意方向都有正、負(fù)兩種可能的自旋。

• 好了?，F(xiàn)在假設(shè)這里有一個(gè)電子，在我觀測它之前，你問我一個(gè)問題：這個(gè)電子的自旋是正的還是負(fù)的？

• 如果咱們說的是一個(gè)臺(tái)球，我的答案就應(yīng)該是它“或者是正的，或者是負(fù)的”?？墒菍?duì)電子來說，我的答案就必須是它“既是正的，又是負(fù)的”。

• 這就和前面雙縫實(shí)驗(yàn)中，“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫”，是一樣的道理。

• 一個(gè)沒有被觀測的電子，其實(shí)是兩種自旋狀態(tài)的“疊加”，這就是“量子疊加態(tài)”。物理學(xué)家用“波函數(shù)”描寫這個(gè)疊加態(tài)。

• 這個(gè)“既是……又是……”的概念可能已經(jīng)讓你震驚了。這其實(shí)是個(gè)觀念問題。日常生活中一個(gè)人不可能同時(shí)從左右兩個(gè)門中穿過，還自己撞到了自己，但那只是我們的日常經(jīng)驗(yàn)。微觀世界的情況跟宏觀世界非常不同，只要你能接受這個(gè)觀念，就不至于睡不好覺。

• 基本粒子不是臺(tái)球。只要你不觀測它，它就可以“即是這樣，又是那樣”。

• 讓物理學(xué)家至今都睡不好覺的，是“觀測”。

3.真正的“不確定性”

• 回到雙縫實(shí)驗(yàn)。假設(shè)我就是想知道光子到底是從哪個(gè)縫中穿過去的，于是我就在其中一個(gè)縫的外面安裝了探測器，只要光子一過，我就知道。

• 結(jié)果我發(fā)現(xiàn)干涉條紋消失了！屏幕上的圖案跟你用臺(tái)球打出來的一樣 ——

• 一觀測，光子就從“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫”變成了“或者走了左邊的縫，或者走了右邊的縫”！

• 也就是說觀測會(huì)破壞量子疊加態(tài)。用物理學(xué)家的話說，這叫“波函數(shù)塌縮”。

• 同樣道理，如果你“觀測”一個(gè)電子在某個(gè)方向上的自旋，你得到的結(jié)果就“或者是正的，或者是負(fù)的”。

• 而你具體會(huì)得到“正”還是“負(fù)”的哪個(gè)結(jié)果，這就是一個(gè)真正的“不確定性”事件！

• 沒有任何辦法能事先預(yù)測你的觀測結(jié)果。電子的波函數(shù)到底往正、負(fù)哪個(gè)結(jié)果塌縮，不受任何外界因素影響 —— 你可以說那是電子的“自由意志”。

• 物理學(xué)家可以用電子的波函數(shù)精確預(yù)測你獲得每個(gè)結(jié)果的概率大小是多少，但是面對(duì)一次單獨(dú)的觀測，從理論上講就沒有任何辦法可以預(yù)測結(jié)果。

• 正因?yàn)榱孔恿W(xué)有這個(gè)性質(zhì)，我們才真正生活在一個(gè)不確定的世界。機(jī)械宇宙觀過時(shí)了，萬事萬物不是注定的，天神來了也無法預(yù)測未來。

• 好了，現(xiàn)在溫伯格的問題就是，描寫波函數(shù)演化的方程是“薛定諤方程”，而薛定諤方程其實(shí)是一個(gè)確定性的方程，里面根本沒有概率 —— 那么觀測結(jié)果的這個(gè)“本質(zhì)的不確定性”，是從哪里來的呢？

4.人的意識(shí)和多重宇宙

• 只有到觀測的時(shí)候，才出現(xiàn)不確定性。物理學(xué)家對(duì)此細(xì)思恐極 —— 只有當(dāng)有人參與的時(shí)候，才出現(xiàn)不確定性！

• 溫伯格總結(jié)了目前的兩種看法，一種叫 工具主義者，一種叫 真實(shí)主義者。

• 工具主義者認(rèn)為，量子力學(xué)方程只是一個(gè)工具，它能幫你計(jì)算觀測結(jié)果的概率是多少，這就足夠了。我們根本不應(yīng)該把量子力學(xué)當(dāng)成對(duì)真實(shí)世界的解釋，量子力學(xué)只管到波函數(shù)塌縮之前，波函數(shù)到底怎么塌縮，不受量子力學(xué)控制。

• 這就等于說，人，不受量子力學(xué)控制。想要解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，光有薛定諤方程還不夠，必須把人的意識(shí)也加進(jìn)來才行。有個(gè)量子物理學(xué)的先驅(qū)人物叫尤金·維格納，他就說，如果你不考慮人的意識(shí)的話，你就沒有辦法得到一套自洽的量子力學(xué)理論。

• 但我們同時(shí)知道，量子力學(xué)能夠非常精準(zhǔn)地描述微觀世界的一切自然現(xiàn)象。那么這就等于說，人，成了一個(gè)在自然界物理定律之外的東西。

• 這個(gè)解釋你能接受嗎？達(dá)爾文以來人類最大的教訓(xùn)就是人只不過就是一堆基本粒子的排列組合，難道現(xiàn)在人又變特殊了嗎？

• 但是真實(shí)主義者的觀點(diǎn)更聳人聽聞。真實(shí)主義者認(rèn)為量子力學(xué)描寫的就是真實(shí)世界，既包括電子，也包括人。那么不確定性從哪里來呢？其實(shí)根本就沒有什么不確定性 —— 每次觀測的時(shí)候，正自旋和負(fù)自旋，實(shí)際上都發(fā)生了！只不過是在平行宇宙里發(fā)生。

• 在這個(gè)宇宙里的你，觀測到了一個(gè)正自旋。而在另外一個(gè)平行宇宙里，還有另外一個(gè)你，觀測到的是一個(gè)負(fù)自旋。你以為是概率，其實(shí)你是不知道另一個(gè)你的存在。宇宙每時(shí)每刻都在發(fā)生分叉，每條岔道上都有一個(gè)你，誰也不比誰特殊。

• 這個(gè)平行宇宙解釋是1957年普林斯頓大學(xué)的一個(gè)博士生的博士論文，后來成了一系列科幻小說的素材。一般物理學(xué)家、包括溫伯格在內(nèi)都不太贊成這個(gè)理論。每時(shí)每刻都分裂出去一個(gè)新宇宙？至于嗎？而且真實(shí)主義者的解釋還有別的技術(shù)問題，這里就不多說了。

• 這兩派觀點(diǎn)，溫伯格都不滿意。其實(shí)你不較真的話，量子力學(xué)是個(gè)特別好的理論，跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，可以說是最成功的物理理論。那何必還較這個(gè)真呢？溫伯格說，既然量子力學(xué)有這個(gè)困境，也許我們可以探索一個(gè)比量子力學(xué)更好的新理論。

• 實(shí)驗(yàn)不太可能給新理論提供什么靈感，畢竟量子力學(xué)太準(zhǔn)了。溫伯格暢想，我們大概只能先從邏輯上推測這個(gè)新理論。溫伯格講了他的思路，技術(shù)性比較強(qiáng)，我們就不說了。

• 溫伯格希望將來有了這個(gè)新理論之后，也許新理論和現(xiàn)有的量子力學(xué)理論之間存在一個(gè)微小的差異，也許我們?cè)谔貏e精確的實(shí)驗(yàn)中能測出來這個(gè)微小的差異，這樣的話，新理論就有它的價(jià)值。

說破一句

• 物理學(xué)家都喜歡新理論，而且還希望能獲得一些實(shí)質(zhì)性的不一樣的結(jié)果。但實(shí)際上，量子力學(xué)已經(jīng)足夠精確，根本沒有什么解釋不了的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等著新理論。

• 我現(xiàn)在已經(jīng)不是物理學(xué)家了，所以我就把話說穿了吧 —— 現(xiàn)有量子理論的困境，暗示了一個(gè)特別大的哲學(xué)問題。新理論的根本任務(wù)是解釋這個(gè)哲學(xué)問題。

• 物理學(xué)家都不愿意談?wù)軐W(xué)，但哲學(xué)最需要的思維工具就是物理學(xué)。

• 咱們把“平行宇宙”那一套的說法都暫時(shí)放在一邊，單論“工具主義者”這派的思想，也就是現(xiàn)有量子理論管不了人的意識(shí)。如果這是真的，那事情可就太大了。

• 量子力學(xué)完全可以解釋計(jì)算機(jī)。如果只有人的觀測能帶來真正的不確定性，如果量子力學(xué)解釋不了意識(shí)，那我們就可以說 ——

• 從物理學(xué)的角度講，人可能 —— 再次強(qiáng)調(diào)，僅僅是可能 —— 不是計(jì)算機(jī)。

• 意識(shí)就可能是有用的。自由意志就可能是存在的。那就算到了人工智能時(shí)代，機(jī)器再怎么厲害，人永遠(yuǎn)都有價(jià)值。

• 這就是為什么現(xiàn)在有很多人，包括一些物理學(xué)家在內(nèi)，試圖借助量子力學(xué)研究人的意識(shí)。

撰稿：摘自《精英日課》