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第62章

上帝掷骰子吗--量子物理史话-第62章

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1头牛加1头牛等于2头牛”和“1头斯芬克斯加1头斯芬克斯等于2头斯芬克斯”在数学上都

是成立的,但数学没有义务解释为什么在现实世界中,实际可供我们相加的只有牛,而没

有斯芬克斯这样的怪兽。在这一点上实证主义者和柏拉图主义者往往会产生尖锐的冲突,

一个突出的例子是我们在后面将会略微讨论到的超弦理论。弦论用10个维度来解释我们的

世界,其中6个维度是蜷缩的,但它没有说明为什么是6个维度蜷缩,而不是5个或者8个维

度,这使它受到了一些尖锐的诘问。但实证主义者常常会对这样的穷追猛打感到奇怪:因

为只有假设6个维度蜷缩才能解释我们观测到的现实世界(现实世界是4维的),这就够了嘛

,这不就是所有的理由吗?哪还来的那么多刨根问底呢? 

  不过DH的支持者如果护定这样一种实证主义立场的话,他们也许暂时忽略了建立这个

理论的初衷,也就是摆脱玻尔和海森堡的哥本哈根解释——那可是最彻底的实证主义!不

管怎么说,在这上面DH的态度是有些尴尬的,而有关量子力学的大辩论也仍在进行之中,

我们仍然无法确定究竟谁的看法是真正正确的。量子魔术在困扰了我们超过100年之后,

仍然拒绝把它最深刻的秘密展示在世人面前。也许,这一秘密,将终究成为永久的谜题。 

  ********* 

  饭后闲话:时间之矢 

  我们生活在一个4维的世界中,其中3维是空间,1维是时间。时间是一个很奇妙的东

西,它似乎和另3维空间有着非常大的不同,最关键的一点是,它似乎是有方向性的!拿

空间来说,各个方向没有什么区别,你可以朝左走,也可以向右走,但在时间上,你只能

从“过去”向“未来”移动,而无法反过来!虽然有太多的科幻故事讲述人们如何回到过

去,但在现实中,这从来也没有发生过,而且很可能永远不会发生!这样猜测的理由还是

基于某种类似人择原理的东西:假如理论上可以回到过去,那么虽然我们不行,未来的人

却可以,但从未见到他们“回来”我们这个时代。所以很有可能的是,未来任何时代的人

们都无法做到让时钟反方向转动,它是理论上无法做到的! 

  这看起来很正常,无法逆着时间箭头运动,这似乎天经地义。但在物理上,这却是令

人困惑的,因为在理论中,似乎没有什么特征可以显示出时间有一个特别的方向。不论是

牛顿还是爱因斯坦的理论,它们都是时间对称的!中学老师告诉你t0时刻的状态,你就可

以向“未来”前进,推出tn时刻,但也可以反过来向“过去”前进,推出…tn时刻。理论

没有告诉我们为什么时间只能向tn移动,而不可以反过来向…tn移动!事实上,在基本层

面上,不管时间是正着走还是倒着走,它都是符合物理定律的!但是,一旦脱离基本层面

,上升到一个比较高的层次,时间之矢却神秘地出现了:假如我们不考虑单个粒子,而考

虑许多粒子的组合,我们就发现一个强烈的方向。比如我们本身只能逐渐变老,而无法越

来越年轻,杯子会打碎,但绝不会自动粘贴在一起。这些可以概括为一个非常强大的定律

,即著名的热力学第二定律,它说,一个孤立体系的混乱程度总是不断增加的,它的量度

称为“熵”。换句话说,熵总是在变大,时间的箭头指向熵变大的那个方向! 

  现在我们考察量子论。在本节我们讨论了DH解释,所有的“历史”都是定义得很好的

,不管你什么时候去测量,这些历史——从过去到未来——都已经在那里存在。我们可以

问,当观测了t0时刻后,历史们将会如何退相干,但同样合法的是,我们也可以观测tn时

刻,看“之前”的那些时刻如何退相干。实际上,当我们用路径积分把时间加遍的时候,

我们仍然没有考虑过时间的方向问题,它在两个方向上都是没有区别的!再说,如果考察

量子论的基本数学形式,那么薛定谔方程本身也仍然是时间对称的,唯一引起不对称的是

哥本哈根所谓的“坍缩”,难道时间的“流逝”,其实等价于波函数不停的“坍缩”?然

而DH是不承认这种坍缩的,或许,我们应当考虑的是历史树的裁剪?盖尔曼和哈特等人也

试图从DH中建立起一个自发的时间箭头来,并将它运用到量子宇宙学中去。 

  我们先不去管DH,如果仔细考虑“坍缩”,还会出现一个奇怪现象:假如我们一直观

察系统,那么它的波函数必然“总是”在坍缩,薛定谔波函数从来就没有机会去发展和演

化。这样,它必定一直停留在初始状态,看上去的效果相当于时间停滞了。也就是说,只

要我们不停地观察,波函数就不演化,时间就会不动!这个佯谬叫做“量子芝诺效应”

(quantum Zeno effect),我们在前面已经讨论过了芝诺的一个悖论,也就是阿喀琉斯追

乌龟,他另有一个悖论是说,一支在空中飞行的箭,其实是不动的。为什么呢?因为在每

一个瞬间,我们拍一张snapshot,那么这支箭在那一刻必定是不动的,所以一支飞行的箭

,它等于千千万万个“不动”的组合。问题是,每一个瞬间它都不动,连起来怎么可能变

成“动”呢?所以飞行的箭必定是不动的!在我们的实验里也是一样,每一刻波函数(因

为观察)都不发展,那么连在一起它怎么可能发展呢?所以它必定永不发展! 

  从哲学角度来说我们可以对芝诺进行精彩的分析,比如恩格斯漂亮地反驳说,每一刻

的箭都处在不动与动的矛盾中,而真实的运动恰好是这种矛盾本身!不过我们不在意哲学

探讨,只在乎实验证据。已经有相当多的实验证实,当观测频繁到一定程度时,量子体系

的确表现出芝诺效应。这是不是说,如果我们一直盯着薛定谔的猫看,则它永远也不会死

去呢? 

  时间的方向是一个饶有趣味的话题,它很可能牵涉到深刻的物理定律,比如对称性破

缺的问题。在极早期宇宙的研究中,为了彻底弄明白时间之矢如何产生,我们也迫切需要

一个好的量子引力理论,在后面我们会更详细地讲到这一点。我们只能向着未来,而不是

过去前进,这的确是我们神奇的宇宙最不可思议的方面之一。 


第十二章 新探险三 






castor_v_pollux  

连载:量子史话   出版社:   作者:castor_v_pollux  


   

  好了各位,到此为止,我们在量子世界的旅途已经接近尾声。我们已经浏览了绝大多

数重要的风景点,探索了大部分先人走过的道路。但是,正如我们已经强烈地感受到的那

样,对于每一条道路来说,虽然一路上都是峰回路转,奇境叠出,但越到后来却都变得那

样地崎岖不平,难以前进。虽说“入之愈深,其进愈难,而其见愈奇”,但精神和体力上

的巨  
大疲惫到底打击了我们的信心,阻止了我们在任何一条道上顽强地冲向终点。 

  当一次又一次地从不同的道路上徒劳而返之后,我们突然发现,自己已经处在一个巨

大的迷宫中央。在我们的身边,曲折的道路如同蛛网一般地辐射开来,每一条都通向一个

幽深的不可捉摸的未来。我已经带领大家去探讨了哥本哈根、多宇宙、隐变量、系综、

GRW、退相干历史等6条道路,但要告诉各位的是,仍然还有非常多的偏僻的小道,我们并

没有提及。比如有人认为当进行了一次“观测”之后,宇宙没有分裂,只有我们大脑的状

态(或者说“精神”)分裂了!这称为“多精神解释”(many…minds intepretation),它名

副其实地算得上一种精神分裂症!还有人认为,在量子层面上我们必须放弃通常的逻辑(

布尔逻辑),而改用一种“量子逻辑”来陈述!另一些人不那么激烈,他们觉得不必放弃

通常的逻辑,但是通常的“概率”概念则必须修改,我们必须引入“复”的概率,也就是

说概率并不是通常的0到1,而是必须描述为复数!华盛顿大学的物理学家克拉默(John G 

Cramer)建立了一种非定域的“交易模型”(The transactional model),而他在牛津的同

行彭罗斯则认为波函数的缩减和引力有关。彭罗斯宣称只要空间的曲率大于一个引力子的

尺度,量子线性叠加规则就将失效,这里面还牵涉到量子引力的复杂情况诸如物质在跌入

黑洞时如何损失了信息……等等,诸如此类。即便是我们已经描述过的那些解释,我们的

史话所做的也只是挂一漏万,只能给各位提供一点最基本的概念。事实上,每一种解释都

已经衍生出无数个变种,它们打着各自的旗号,都在不遗余力地向世人推销自己,这已经

把我们搞得头晕脑胀,不知所措了。现在,我们就像是被困在克里特岛迷宫中的那位忒修

斯(Theseus),还在茫然而不停地摸索,苦苦等待着阿里阿德涅(Ariadne)——我们那位可

爱的女郎——把那个指引方向,命运攸关的线团扔到我们手中。 

  1997年,在马里兰大学巴尔的摩郡分校(UMBC)召开了一次关于量子力学的研讨会。有

人在与会者中间做了一次问卷调查,统计究竟他们相信哪一种关于量子论的解释。结果是

这样的:哥本哈根解释13票,多宇宙8票,玻姆的隐变量4票,退相干历史4票,自发定域

理论(如GRW)1票,还有18票都是说还没有想好,或者是相信上述之外的某种解释。到了

1999年,在剑桥牛顿研究所举行的一次量子计算会议上,又作了一次类似的调查,这次哥

本哈根4票,修订过的运动学理论(它们对薛定谔方程进行修正,比如GRW)4票,玻姆2票,

而多世界(MWI)和多历史(DH)加起来(它们都属于那种认为“没有坍缩存在”的理论)得到

了令人惊奇的30票。但更加令人惊奇的是,竟然有50票之多承认自己尚无法作出抉择。在

宇宙学家和量子引力专家中,MWI受欢迎的程度要高一些,据统计有58%的人认为多世界是

正确的理论,而只有18%明确地认为它不正确。但其实许多人对于各种“解释”究竟说了

什么是搞不太清楚的,比如人们往往弄不明白多世界和多历史到底差别在哪里,或许,它

们本来就没有明确的分界线。就算是相信哥本哈根的人,他们互相之间也会发生严重的分

歧,甚至关于它到底是不是一个决定论的解释也会造成争吵。量子论仍然处在一个战国纷

争的时代,玻尔,海森堡,爱因斯坦,薛定谔……他们的背影虽然已经离我们远去,但他

们当年曾战斗过的这片战场上仍然硝烟弥漫,他们不同的信念仍然支撑着新一代的物理学

家,激励着人们为了那个神圣的目标而继续奋战。 

  想想也真是讽刺,量子力学作为20世纪物理史上最重要的成就之一,到今天为止它的

基本数学形式已经被创立了将近整整80年。它在每一个领域内都取得了巨大的成功,以致

和相

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