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第48章

上帝掷骰子吗--量子物理史话-第48章

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得欣赏。但在宇宙学家中,MWI却是很流行和广受欢迎的观点。特别是它不要求“观测者

”的特殊地位,而把宇宙的历史和进化归结到它本身上去,这使得饱受哥本哈根解释,还

有参予性模型诅咒之苦的宇宙学家们感到异常窝心。大致来说,搞量子引力(比如超弦)和

搞宇宙论等专业的物理学家比较青睐MWI,而如果把范围扩大到一般的“科学家”中去,

则认为其怪异不可接受的比例就大大增加。在多世界的支持者中,有我们熟悉的费因曼、

温伯格、霍金,有人把夸克模型的建立者,1969年诺贝尔物理奖得主盖尔曼(Murray 

Gell…Mann)也计入其中,不过作为量子论“一致历史”(consistent history)解释的创建

人之一,我们还是把他留到史话相应的章节中去讲,虽然这种解释实际上可以看作MWI的

加强版。

  对MWI表示直接反对的,著名的有贝尔、斯特恩(Stein)、肯特(Kent)、彭罗斯等。其

中有些人比如彭罗斯也是搞引力的,可以算是非常独特了。

  但是,对于我们史话的读者们来说,也许大家并不用理会宇宙学家或者其他科学家的

哲学口味有何不同,重要的是,现在我们手上有一个哥本哈根解释,有一个多宇宙解释,

我们如何才能知道,究竟应该相信哪一个呢?各人在生活中的审美观点不同是很正常的,

比如你喜欢贝多芬而我喜欢莫扎特,你中意李白我沉迷杜甫,都没有什么好大惊小怪,但

科学,尤其是自然科学就不同了。科学之所以伟大,不正是因为它可以不受到主观意志的

影响,成为宇宙独一无二的法则吗?经济学家们或者为了各种不同的模型而争得你死我活

,但物理学的终极目标不是经世致用,而是去探索大自然那深深隐藏着的奥秘。它必须以

最严苛的态度去对待各种假设,把那些不合格的挑剔出来从自身体系中清除出去,以永远

保持它那不朽的活力。科学的历史应该是一个不断检讨自己,不断以实践为唯一准绳,不

断向那个柏拉图式的理想攀登的过程。为了这一点,它就必须提供一个甄别的机制,把那

些虽然看上去很美,但确实不符合事实的理论踢走,这也就成为它和哲学,或者宗教所不

同的重要标志。

  也许我们可以接受那位著名而又饱受争议的科学哲学家,卡尔?波普尔(Karl Popper)

的意见,把科学和形而上学的分界线画在“可证伪性”这里。也就是说,一个科学的论断

必须是可能被证明错误的。比如我说:“世界上不存在白色的乌鸦。”这就是一个符合“

科学方法”的论断,因为只要你真的找到一只白色的乌鸦,就可以证明我的错误,从而推

翻我这个理论。但是,如前面我们举过的那个例子,假如我声称“我的车库里有一条看不

见的飞龙。”,这就不是一个科学的论断,因为你无论如何也不能证明我是错的。要是我

们把这些不能证明错误的论断都接受为科学,那“科学”里滑稽的事情可就多了:除了飞

龙以外,还会有三个头的狗、八条腿的驴,讲中文的猴子……无奇不有了。无论如何,你

无法证明“不存在”三个头的狗,是吧?

  如果赫兹在1887年的实验中没有发现电磁波引发的火花,那么麦克斯韦理论就被证伪

了。如果爱丁顿在1919年日食中没有发现那些恒星的位移,那么爱因斯坦的相对论就被证

伪了(虽然这个实验在今天看来不是全无问题)。如果吴健雄等人在1956…1957年的那次实

验中没有找到他们所预计的效应,那么杨和李的弱作用下宇称不守恒设想就被证伪了。不

管是当时还是以后,你都可以设计一些实验,假如它的结果是某某,就可以证明理论是不

正确的,这就是科学的可证伪性。当然,有一些概念真的被证伪了,比如地平说、燃素、

光以太,但不管如何,我们至少可以说它们所采取的表达方式是符合“科学”方法的。

  另外一些,比如“上帝”,那可就难说了,没有什么实验可能证明上帝“不存在”(

不是一定要证明不存在,而是连这种可能都没有)。所以我们最好还是把它踢出科学领域

,留给宗教爱好者们去思考。

  回到史话中来,为了使我们的两种解释符合波普尔的原则,我们能不能设计一种实验

,来鉴定究竟哪一种是可信,哪一种是虚假的呢?哥本哈根解释说观测者使得波函数坍缩

,MWI说宇宙分裂,可是,对于现实中的我们来说,这没有可观测的区别啊!不管怎么样

,事实一定是电子“看似”随机地按照波函数概率出现在屏幕的某处,不是吗?就算观测

100万次,我们也没法区分哥本哈根和多世界究竟哪个不对啊!

  自70年代以来由泽(Dieter Zeh)、苏雷克(Wojciech H Zurek)、盖尔曼等人提出、发

展、并走红至今的退相干理论(decoherence)对于埃弗莱特的多宇宙解释似乎有巨大的帮

助。我们在前面已经略微讨论过了,这个理论解释了物体如何由微观下的叠加态过渡到宏

观的确定态:它主要牵涉到类如探测器或者猫一类物体的宏观性,也即比起电子来说多得

多的自由度的数量,以及它们和环境的相互作用。这个理论在MWI里可谓如鱼得水,它解

释了为何世界没有在大尺度下显示叠加性,解释了世界如何“分裂”,这些都是MWI以前

所无法解释的。笼统地说,当仪器观测系统时,它同时还与环境发生了纠缠,结果导致仪

器的叠加态迅速退化成经典的关联。我们这样讲是非常粗略的,事实上可以从数学上证明

这一点。假如我们采用系统所谓的“密度矩阵”(Desity Matrix)来表示的话,那么这个

矩阵对角线上的元素代表了经典的概率态,其他地方则代表了这些态之间的相干关联。我

们会看到,当退相干产生时,仪器或者猫的密度矩阵迅速对角化,从而使得量子叠加性质

一去不复返(参见附图)。这个过程极快,我们根本就无法察觉到。

  不过,尽管退相干理论是MWI的一个有力补充,它却不能说明MWI就是唯一的解释。退

相干可以解答为什么在一个充满了量子叠加和不确定的宇宙中,我们在日常大尺度下看世

界仍然似乎是经典和“客观”的,但它不能解答波函数到底是一直正常发展下去,还是会

时不时地跃迁。事实上,我们也可以把退相干用在哥本哈根解释里,用来确定“观测者”

和“非观测者”之间的界限——按照它们各自的size,或者自由度的数量!那些容易产生

退相干的或许便更有资格作为观测者出现,所谓的观测或许也不过是种不可逆的放大过程

。可是归根到底,我们还是不能确定到底是哥本哈根,还是多宇宙!

  波普尔晚年的时候(他1994年去世),我想他的心情会比较复杂。一方面他当年的一些

论断是对的,比如量子力学本身的确没有排除决定论的因素(也没有排除非决定论)。关于

互补原理,当年他在哥本哈根几乎被玻尔所彻底说服,不过现在他还是可以重新考虑一下

别的alternatives。另一方面,我们也会很有兴趣知道波普尔对于量子论领域各种解释并

立,几乎无法用实践分辨开来的现状发表会什么看法。

  但我们还是来描述一些有趣的“强烈支持”MWI的实验,其中包括那个疯狂的“量子

自杀”,还有目前炙手可热,号称“利用多个平行世界一起工作”的量子计算机。

  *********

  饭后闲话:证伪和证实

  关于“科学”的界定,证实和证伪两派一直吵个不休,这个题目太大,我们没有兴趣

参予,这里只是随便聊两句证实和证伪的问题。

  怎样表述一个命题才算是科学的?按照证伪派,它必须有可能被证明是错误的。比如

“所有的乌鸦都是黑的”,那么你只要找到一只不是黑色的乌鸦,就可以证明这个命题的

错误,因此这个命题没有问题。相反,如果非要“证实”才接受这个论断的话,那可就困

难了,而且实际上是不可能的!除非你把所有的乌鸦都抓来看过,但你又怎么能知道你已

经抓尽了天下所有的乌鸦呢?

  对于科学理论来说,“证实”几乎也是不可能的。比如我们说“宇宙的规律是F=ma”

,这里说的是一种普遍性,而你如何去证实它呢?除非你观察遍了自古至今,宇宙每一个

角落的现象,发现无一例外,你才可以“证实”这一点。即使这样,你也无法保证在将来

,这条规律仍然起着作用。事实上,几乎没有什么科学理论是可以被“证实”的,只要它

能够被证明为“错”但还未被证明“错”(按照波普尔,以一种积极面对证伪的态度),我

们就暂时接受它为可靠的理论。自休谟以来人们已经承认,单靠有限的个例(哪怕再多)也

不能构成证实的基础。

  不过,按照洛克之类经验主义者的说法,我们全部知识的基础都来自于我们的经验,

而科学的建立,也就是在经验上的一种归纳主义。好比说,我们每天都看到太阳从东边升

起,几千年来日日如此,那么我们应该可以“合理地”从中归纳出一条规律:太阳每天都

从东方升起。并用它来预测明天太阳依旧要从东方升起。假如堕入休谟的不可知论,那么

我们就根本谈不上任何“知识”了,因为反正明天的一切都是不确定的。

  按照归纳主义,我们从过去的现象中归纳出一种规律,而当这个现象一再重复,则它

每次都又成为对这个规律的再一次“证实”。比如每次太阳又升起来的时候,“太阳每天

从东方升起”这个命题的确定性就被再次稍稍证实。我们每看到一只黑乌鸦,则“乌鸦都

是黑的”这个命题的正确性就再次稍稍上升,直到我们遇到一只不黑的乌鸦为止。

  我们大多数人也许都是这样以为的,但这种经验主义又会导出非常有趣的结果。我们

来做这样一个推理,大家都知道,一个命题的逆否命题和它本身是等价的。比如“乌鸦都

是黑的”,可以改为等价的命题“凡不黑的都不是乌鸦”。现在假如我们遇见一只白猫,

这个现象无疑证实了“凡不黑的都不是乌鸦”(白猫不黑,白猫也不是乌鸦)的说法,所以

同样,它也再次稍稍证实了“乌鸦都是黑的”这个原命题。

  总而言之,“遇见一只白猫”略微增加了“乌鸦都是黑的”的可能性。有趣吧?

  这个悖论由著名的德国逻辑实证论者亨普尔(Carl G Hempel)提出,他年轻时也曾跟

着希尔伯特学过数学。如果你接受这个论断,那么下次导师叫你去野外考察证明例如“昆

虫都是六只脚”之类的命题,你大可不必出外风吹雨淋。只要坐在家里观察大量“没有六

只脚的都不是昆虫”的事例(比如桌子、椅子、台灯、你自己……),你可以和在野外实际

观察昆虫对这个命题做出同样多的贡献!

  我们对于认识理论的了解实在还是非常肤浅的。 



第十章 不等式二 
castor

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