漫聊合集 量子之爭：愛因斯坦失敗和客觀實在的消亡

衆所周知 愛因斯坦一直很討厭量子力學 不過愛因斯坦並不是反對量子力學的結論 事實上 他在世的時候已經有大量的實驗證明了量子力學的正確性 他只是非常非常不喜歡量子力學的數學描述 這套理論不太理性 應該有一個更好的理論來解釋量子力學所有的推論 並且把量子力學所揭示的非理性概念迴歸到他所習慣 比如說 糾纏它的粒子是存在的 如果對其中一個粒子進行觀測 那麼我們不只是影響了它 觀測也同時影響了它所糾纏的夥伴 而且這種影響與兩個粒子之間的間距沒有關係 兩個粒子的這種非經典的遠距離連接 愛因斯坦稱之爲鬼魅般的超距作用 愛因斯坦沒有辦法相信糾纏會這樣運作 他認爲應該有更簡單的方式可以解釋 與愛因斯坦相反 波爾擁護量子力學的結論 相互糾纏的粒子即使相距很遠也可以互相連接 而愛因斯坦不相信有鬼魅般的連接 他認爲在觀察以前一切就都已經決定了 我們測量一個粒子發現它是某一個狀態 對這個現象愛因斯坦會說 你怎麼知道呢 你測量它就會發現那個是絕對的狀態 而波爾則會說 但那個狀態是由於你的觀測這個行爲本身造成的 雙方辯論的當時 沒有人知道怎麼去解決這個問題 於是這個問題被認爲是一個哲學問題 而不是科學問題 愛因斯坦離世之前仍然相信量子力學是一個不完備的理論 愛因斯坦把他的論點進一步推進 他解釋說 一對糾纏態的粒子有一雙手套就可以說明 我們可以想象一下 把一雙手套分開放在兩個箱子裏面 一個箱子送到地球的南極 另外一個箱子送到北極 在兩個箱子分開之前 箱子裏放着左手或者右手的手套其實已經確定了 只是實驗者缺乏這方面的信息而已 當我們打開送到北極的箱子的時候 如果觀察者看見左手的手套 在這個瞬間 就算沒有人看過南極的箱子 也能夠知道那裏裝的就是右手的手套 這個一點也不神祕 你打開箱子這個行爲顯然不會影響到另外一個箱子裏的手套 放在北極的這個箱子裝着左手手套 而南極的那個箱子呢 則裝着右手的手套 這個是在當初分裝的時候就已經決定好了的 愛因斯坦相信所謂的糾纏態只不過是如此而已 電子的一切狀態在它們彼此分離的時候就已經決定了 同樣的問題牽涉到薛定諤的那隻貓 人們還是傾向於相信箱子打開之前 貓的死活其實就已經確定了 那關於到底是什麼時候決定了這個狀態的選擇 左手的手套右手的手套是箱子被分開的時候決定的 還是開箱的那一瞬間決定的 約翰貝爾設計了一個聰明的實驗來檢測這個先後的時序問題 當然這個實驗在數學表達上比較複雜 咱們還得打個比方來說 假想一下 兩個人玩撲克牌 遊戲規則很簡單 莊家發牌兩張顏色一樣都是紅色或者都是黑色 那就是莊家贏 只要顏色不一樣 那就是散家贏 連着玩十把 閒家都輸了 這個閒家呢 就覺得莊家作弊 對吧 他要求修改規則 再玩一次 還是莊家發牌 這次呢 反過來 兩張顏色不一樣的時候 莊家贏 顏色一樣的時候呢 閒家贏 連玩十把 這個閒家又輸了 閒家這個時候就意識到啊 莊家肯定是根據遊戲規則在發牌的時候作弊了 所以呢 閒家要求一個新規則 先讓莊家發牌 牌發好之後呢 放在桌子上 再由閒家來指定遊戲規則 選擇顏色一樣贏 還是顏色不一樣贏 注意啊 這個時候遊戲的規則發生了一個根本的變化 如果我們把遊戲規則的制定看作是一種測量手段 實際的測量手段是在事件發生之後才進行的 我們依此呢 對愛因斯坦的問題產生了一個判斷 選擇發生在兩個箱子分開之前 還是箱子打開的時候 回到我們的賭局裏 如果第三次猜牌的遊戲 莊家各輸贏一半 那說明莊家前兩次只是以某種我們不知道的方法作了弊 但是如果第三次遊戲 莊家還是連贏十把 或者是贏的概率大於50% 那就說明這個跟莊家沒有關係 是牌的本身有莫名其妙的關聯 而莊家只是掌握了這種關聯的規律 貝爾呢就寫了一個貝爾不等勢 用數學的辦法描述了這樣的判定過程 如果貝爾不等勢成立 那麼愛因斯坦所說的預先已經確定的描述就是正確的 在第三種遊戲規則裏 莊家一定是不能全贏的 但是如果貝爾不等勢不成立 那麼就有可能是制定規則在發牌之後才起了作用 打開盒子觀察這個過程決定了手套是左手還是右手的 1982年的時候 阿蘭·阿斯派克特的實驗證明了貝爾不等勢不成立 愛因斯坦錯了 無論規則是什麼 量子都知道 事實上 既然測量的時候才發生改變 那麼這副牌是可以用來傳遞某種信息的 因爲不需要事先安排 可以先分佈量子糾纏的單元 比如說兩張糾纏在一起的撲克牌 一張放到南極一張放到北極 當需要傳遞信息的時候再翻撲克 通過改變手裏的牌來影響遠方的牌而傳遞信息 但這個時候還有個問題啊 就是怎麼傳遞規則 怎樣告訴莊家現在遊戲規則是什麼 這樣莊家知道自己輸贏才能得到確切的信息嘛 但是事實上 遊戲規則是沒辦法通過量子通道來傳遞的 閒家不得不打電話告訴對方他的決定 這樣的好處是 閒家現在只要說我剛纔選擇的玩法是什麼 而不用告訴莊家我這邊怎麼翻的牌 莊家就可以通過自己手裏牌的顏色 來知道閒家手裏牌的顏色 這樣做的好處是 如果有人正好攔截了他們的電話 他也只能知道閒家選擇的遊戲規則 而不知道莊家或者閒家手裏到底得到了什麼樣的牌 也就不知道他們傳遞的信息到底是什麼了 因爲量子隨機是真的隨機 他也沒有辦法預測他所聽到的規則應該用到怎樣的牌上 來推測莊家或者閒家手裏的牌 這樣就可以實現真正保密的通信 愛因斯坦提出來量子糾纏的問題 認爲他違背了相對論 因爲它的相互作用是可以比光速更快的 但當我們後來對通信過程有更深刻的認識的時候 就會發現經典通道是沒有辦法被忽略掉的 你必須要告訴對方規則是什麼 否則通過量子通道傳遞的信息就沒有意義 當這兩類信息都需要考慮的時候 傳遞有效的、可理解的信息是被光速限制的 並沒有違反狹義相對論 這樣就解決了愛因斯坦的疑問 事實上證明量子糾纏是真實存在的 並且在今天真正用到了量子通信領域 但聽了前面的解釋你應該知道 量子通信它最強大的在於保密而不在於超光速 那麼關於量子通信咱們今天不展開 如果你感興趣的話可以留言給我 改天咱們展開來講一講 回到量子力學 二十世紀物理學界幾個重要的發展 其中之一就是量子力學 另外一個是混沌力學 混沌力學在很大程度上是很早的時候 就被經典物理和數學發現了 但是刻意忽略掉的一套理論 這個混沌力學告訴我們 有些東西天生是不確定的 他說小怪力事情可以有很大的影響 這些是牛頓力學和經典物理學不願意多談的 雖然經典力學在解釋多體問題中 早就看到了混沌的存在 但這個方向真正登堂入世 是在二十世紀六十年代之後 尤其是計算機技術發展之後 人們的數值計算能力大大加強 讓人有了一種信心 可以用模型爲基礎 模擬任何現實裏面的世界 但是六十年代對天氣的模擬中 人們就發現 即使在確定模型的基礎上 也能產生非線性的不確定的結果 而不能做準確的預言 比如說長期的天氣預報是不可能做到的 由於非線性的發展會得到蝴蝶效應 也就是我們經常說的 南美洲的一隻蝴蝶扇動了翅膀 會引起北美洲的一次風暴 這個關於蝴蝶效應的說法 其實是記者的誤傳 最早其實是因爲計算結果 畫成的圖太像蝴蝶了 而這一切不確定性 都是動力學內力的性質 跟測量精度沒有太大關係 不過量子力學的影響就更深遠了 咱們常說的測不準原理 糾纏態 非局域化和相干態 都跟經典物理是格格無入的 但也許這纔是我們生活的真實世界 只是我們理解起來要花一點功夫 或者說不只是一點點功夫了 而是前後幾代人的努力 以牛頓力學爲基礎建立起來的經典物理 這個信念對人們習慣的認知過程影響十分的深刻 以至於量子力學的基本理論建立幾十年之後 愛因斯坦本人對它的完備性 還持有非常大的懷疑 咱們前面說了 愛因斯坦堅信上帝是不會吃骰子的 他相信對於一個隨機的系統 我們總是能夠不斷的深入瞭解 來降低它的不確定性 骰子落地的時候 如果我們知道骰子的材質 扔骰子的時候力度還有方向 落地之前的風速 桌子的材質等等所有具體的情況 那這個骰子哪面朝上 是可以精確計算而預言的 從這個角度來說 我們可以找到足夠多的參數 來建立完善的模型 從而預言結果 減少系統的隨機性 只要我們願意 我們總能更多的瞭解細節 而最大程度的減少不確定的程度 不過從馮諾依曼在理論上的證明 一直到物理實驗近些年的發展 都證明了量子的隨機是絕對的真隨機 不存在更深層次的理論 來解釋量子的隨機性 那同樣啊 這個馮諾依曼的理論證明 還有物理實驗的結果 咱們也不展開說了 其實好多東西我也不太懂 這就告訴我們兩件事 第一呢 我們沒有辦法掌握所有的信息 自然這個系統 不允許人類描述和掌握它所有的信息 量子力學這樣天生的隨機性 是愛因斯坦非常不喜歡的 它事實上否定了客觀實在的基本要求 這個是第一 第二呢 混沌力學告訴我們 即使能寫出一些公式 來描繪骰子落地的過程 但是由於非線性動力學的演化 結果其實也是不確定性的 但是呢 混沌力學和量子力學的對應關係 又是個複雜的問題 爲什麼線性的量子系統 會累加成爲非線性的系統呢 哪裏是界限呢 或者說量子力學的糾纏 與混沌的複雜性 有着什麼對應的關係呢 我們至今還沒有十分清晰的瞭解其中的奧妙 這個也是量子力學的幾個基本問題之一 咱們今天主要說的是量子力學 那這個混沌力學呢 其實也是一個非常龐大的問題 簡單來說 看過三體的小夥伴 就知道混沌力學是怎麼回事了 咱們同樣先不展開 在牛頓力學體系裏 對速度和位置的描述是非常清楚的 也就是位置的導數是得出速度的 可是量子力學裏的位置和速度 是一對共惡的參數 兩者沒有辦法同時精確地測量 你測量這個精確一點 那個就模糊一點 牛頓力學認爲小概率的事件 對整個體系的影響是微不足道的 但事實上並不是這樣 混沌力學說明了 小概率是有大影響的 這個道理很簡單 從一個人一出生 便是幾億分之一的概率 和別人的基因稍微有那麼一點不一樣 而這一點點的不同 會影響很多人的生活 甚至會影響歷史的進程 除了測量的不同 牛頓力學和量子力學 還有一個非常大的不同 牛頓建立的經典科學觀裏 世界是客觀實在的世界 那客觀是什麼呢 你可以理解 存在一個第三方的觀察者 事物的運作 不會因爲觀察者的觀察而改變 而實在又是什麼呢 咱們老說這個人挺實在的 實在就是做事靠譜實實在在 那在經典科學語言裏 實在與不實在 有三個不同方面的定義 你注意聽 第一個方面是是否與測量方法相關 第二個方面是是不是真的隨機 那經典情況下隨機只是信息缺失 只要有足夠的信息 隨機就會減少甚至消失 就是我們前面說計算這個骰子的過程 第三個方面呢 不太好理解 叫是否定域 我們看到的物質世界本身是看得見摸得着的 那隨着愛因斯坦狹義相對論發展之後 對實在的定域性有着更明確的意義 宇宙裏的相互作用必須受到光速的限制 因果關係必須限制在光追裏面 不會超光速 那簡單來理解 別人說定域性的時候 你就知道是不能超過光速就可以了 經典物理學逐漸爲人們鑄造了這樣的信心 並且也形成了習慣的研究方法 對於我們缺乏瞭解的系統 我們可以用概率來表示它的一些特性 你比如說一家中學的高考升學率 我們不知道哪些孩子最終會考上大學 但是我們總可以根據以往的經驗 來給出一個大概的估計 我們相信啊 這種不確定性是暫時的 隨着時間推移 不確定就可以變成確定的 等到高考放榜的時候 我們可以精確的知道 哪些孩子上了哪些學校 概率還存在 但是變成了一個確定的比例 對於這個比例 我們掌握了所有需要的信息 但是經典理論不能允許 這是一個完全隨機的過程 它是不可被理解和預測的 這個不行 在經典認知的範疇裏 預測不是能不能的問題 而只是一個我們願不願意花時間的問題 是一個遲早可以解決的問題 那量子力學的要求可就不一樣了 電子在什麼地方出現 是由電子的概率分佈語音給出來的 但某一次觀測的電子在什麼地方出現 是真實的隨機 愛因斯坦不是認爲量子力學是錯的 他是相信這個不是最終的結論 應該有一套更基礎的理論 來算出這種概率來 上帝怎麼能智傻子呢 他所追求的這套更基礎的理論 叫做隱函數理論 就是有一個隱藏的函數 來控制量子看上去的隨機性 這個是一套用來解釋量子力學的理論 量子力學與經典的不太和諧 應該可以通過這套理論來完善 那這個是愛因斯坦相信的 不過馮諾依曼在1926年所寫的 《量子力學的數學基礎》裏 證明了隱函數是不存在的 量子隨機是絕對的隨機 不存在一個基礎的理論 讓這個隨機變成確定的 這個就太不實在了 也正是因爲這樣 愛因斯坦到此也不信服 他認爲量子力學的解釋只是一種說法而已 那愛因斯坦的狹義相對論 給了實在另外一個定義 也就是剛纔我們說的定義性 物體間的相互作用必須是實實在在的 作用必須是近距離的而不是超距離的 作用必須要通過介質來傳遞 而在介質中傳播的速度不能大於光速 宇宙間任何的相互作用 都必須要被光速來限制 假如說太陽因爲某種原因突然消失了 在地球上的我們一定是八分鐘以後才受到影響 因爲從太陽到地球光要跑八分鐘 這可不是說這提前的八分鐘可以給任何人逃走的機會 我們根本沒有辦法知道太陽發生了什麼 因爲狹義相對論不允許信息的傳遞超過光速 但是在量子力學裏面 我們發現了一種新的作用機制 通過量子通道糾纏的量子 互相影響的速度顯然是超過光速的 量子關聯的影響不受光速限制 這一點讓愛因斯坦非常的不爽 而前面咱們說了 80年代初的阿斯派克特的實驗 是在實驗上證實了貝爾不等式是不成立的 也就是愛因斯坦錯了 我們不僅證明了這種超光速的信息傳遞 注意這個傳遞只限於量子信息 而且還用這個實驗證實的量子糾纏來做量子通信 這樣實在的第二道防線似乎也被攻破了 在最通常對概率的解釋裏 量子力學中的概率並不會賦予粒子什麼真實的意義 而只適用於很多一樣狀態的粒子重複檢測的結果 要是我們一定要在某一個個別的粒子的水平上考慮問題 要在測量之前假定粒子具有我們測量的某種性質 或者說是有某種概率 這樣做一般會導出錯誤的結論 在觀察之前我們不能確定任何事情 即便是99.99999% 它也不代表這次觀察會出現什麼樣的結果 在經典物理學中 我們認爲一個物理量在測量之前是確定的 而量子力學卻證明這個觀點有問題 以經典的方法來看 我們假定書桌的長度是一個確定的量 只不過我們還沒有測量它 但我們並不認爲觀察書桌這個行爲 會使它的長度從一個不確定的量變成一個確定的量 而海森堡卻說 我們觀察的並不是自然的本身 而是暴露於我們觀察方法下的那個自然 事物存在的形式和內涵居然是由我們的觀察而確定的 實在的最後一道防線也值得懷疑了 量子概率並不反映我們對於某種物理實在複雜細節的瞭解 而量子測量本身是產生測量結果的原因 不過爲什麼大家都說這個不是科學之爭而是哲學之爭呢 因爲對量子力學的這些內容即使一點都不理解 也不會影響我們應用量子力學原理 哪怕量子世界它就是不確定性的 就是純隨機的 就是上帝在制骰子 也完全不影響我們基於量子力學做出那些偉大的發明 比如說你此時此刻正在使用的手機 當然了 這對於那些純粹追尋自然本質的物理學家來說就非常不爽了 以愛因斯坦爲首的那些科學家 在20世紀30年代對量子理論的這些詮釋感到不安的時候 他們只面臨兩種選擇 要麼完全拋棄量子理論重新開始 要麼就試着來擴展這個理論 以便重新回到嚴格的因果性定義性等等 大家都已經習慣爲真理的東西上面來 量子力學這個理論在闡釋微觀世界量子實體的實驗證據上非常成功 它的預測也非常的正確 但是它所得出的觀點又不能被我們的習慣所兼容 看來恐怕需要做的是改變我們已有的認知習慣了 畢竟量子力學發展到今天已經這麼成熟了 海森堡在他1926年出版的《物理學與哲學》中寫道 量子理論的哥本哈根解釋實際上是基於一個陽謬 這個陽謬就是用經典概念去描述量子現象 經典的圖像裏我們只知道波和粒子 這個是我們從日常生活經驗以及經典物理學的漫長傳統中得來的 而新的量子力學詮釋要求我們承認 我們絕不能知道量子的概念 它根本超越了人類的經驗 一個量子實體既不是波也不是粒子 我們只是在必要的時候使用適當的經典概念 波或者粒子來做類比的理解 波爾甚至主張不存在量子世界 只有抽象的量子物理學描述 我們以爲物理學的任務是發現自然到底是怎樣的 這樣的要求可能太高了 物理學關心的是我們能夠對自然說些什麼 自然願意給我們看些什麼 波爾還說我們生活在一個經典的世界裏 我們的經驗是經典的經驗 超越了這些概念 我們就跨越了能知與不能知的界限 波爾哲學最重要的特點是它根本反對實在論 量子的力學核心問題在於測量 當我們想問在我們的測量之外 獨立於我們測量切件的物理實在的時候 量子理論就沒有任何意義了 說真的啊 海森堡和波爾說的這兩段話不是特別好理解 我自己在一開始讀量子力學的時候也真的是不理解 怎麼可能一個東西既不是粒子又不是波呢 但是給你分享一下 曾經有那麼一刻 我突然就把這件事想通了 那具體是看了那本書我不太記得了 我只能把我腦子裏這個感覺模模糊糊的分享給你 假設我是說假設啊 我們對人類所有的認知 就是看一個人長得好看還是不好看 這個還是有一定標準的吧 你看到一個人他帥還是不帥 看到一個女孩子漂亮還是不漂亮 大家還是分得清楚的 但是啊 如果我們往微觀裏看 一個人長得好看不好看 這個概念在微觀世界裏根本是不存在的 一個人的長相是由他的眉毛眼睛鼻子嘴巴等等東西排列組合而成的 而眉毛眼睛鼻子嘴巴都是由細胞構成的 這些細胞呢 又是由粒子構成的 當我們進入到粒子這個世界的時候 你還能用好看或者不好看來描述他們組成的那個人類嗎 當然不能了 你看啊 我們前面假設了 假設我們只有一個維度來觀察人類 就是好看或者不好看 那這個觀察的維度 就是我們認知的極限 也是我們經驗的極限 我們沒有辦法用這個層面的經驗去描述更微觀的世界 前面的節目我就說了啊 我們把電子叫做電子 這個電子這兩個字其實是我們賦予給那個東西的 當我們說一個東西是什麼什麼子的時候 腦海裏首先浮出來的就是它是一個小球 但是別忘了是因爲我們先認爲它是一個小球 才把它命名爲電子的 那它本來是一個什麼東西 很可能在我們的語言描述能力之外 甚至在我們對概念的理解範疇之外 而海森堡和波爾的觀點你可以這樣理解 真實的量子世界是沒有辦法被當前的科學語言描述的 我們的科學語言只能去描述測量的結果 再把這個測量的結果用一套理論給它總結出來 如果我們非要跳出測量結果去追問世界本身是什麼樣的 不好意思科學語言做不到 波爾就主張使用兩個截然相反的經典概念 也就是波和粒子 這樣的思維方式從一開始就阻礙了我們 讓我們不能夠了解粒子究竟發生了什麼 直到它們暴露於某種事先選定形式的測量器件裏面 我們對於測量器件的選擇 決定了我們能看到粒子的何種行爲 如果我們選擇一種爲了揭示量子位置而設計的裝置 來考量量子系統 就得到類似粒子的行爲 粒子在這裏或者在那裏 那如果選擇一種爲了顯示干涉效應而設計的裝置 來考量量子系統 就會得到類似波動的行爲 粒子既不在這裏也不在那裏 我們看到的是干涉條紋 沒有測量的話 理論只是一個空的框架 而且這個理論一切概念和哲學問題 全都要在測量中才能發現 思考量子實體到底有什麼意義嗎 我們該不該習慣實在客觀這些經典的概念 在量子理論裏已經走到了路的盡頭呢 我們該不該否認 有一條通過形而上甚至是爲心的前進之路 能夠以抽象的數學結構來描述宇宙間的實在呢 如果不管看起來怎麼樣 我們對物理學的認知 即便藉助了量子力學 也都根本沒有辦法達到極限 我們是否有足夠的智慧提出正確的問題 因爲問題本身 也是受着組成這些問題的複雜體系所限制的 我們習慣上認爲 量子力學是隻適用於微觀世界的理論 宏觀世界的規律跟微觀世界不一樣 如果從關聯的角度來看量子力學 宏觀世界的問題實際上也存在着複雜的關聯 那麼這些事情 是不是會導致我們看事物的角度不一樣了呢 世界不一定是客觀 也不一定是實在的 以這個新的角度來看世界 會給我們一個很深刻的問題 也就是我們以前所習慣認知的世界 是客觀唯物的世界 那麼以此來認識世界是不是正確的呢 量子力學在提供給我們這些思考的時候 也給了我們繼續提高認知的臺階 順着這些臺階 我們纔有可能更深入的去了解世界的內涵 這條路甚至有可能是沒有盡頭的 對物理學而言 我們最近幾十年才發現 世界跟我們的方法論都出現了問題 這些問題可能沒有我們想象的那麼大 也可能比我們想象的更大 但無論怎麼說 這都是一件好事 證明我們的科學發展還遠遠不到停下來的時候 科學是一個慢慢來的事情 日拱一足 一點一點的往前走 去夯實我們已經知道的世界範圍 同時不斷拓展我們對宇宙新的認知 好了 這一期就聊到這 最後還有一點時間 再跟大家聊幾句閒篇吧 今年我自己真的是特別忙 好多細心的小夥伴發現 我經常是半夜三四點更新這個節目 那真的是在兩點前都是沒有自己的時間的 一般呢 我就是看上一集的閱讀量差不多了 那個催更的小夥伴也不少了 那我就擠點時間給大家更新一集 每次更新的時候呢 首先是要去查閱大量的資料 然後再做一些整理 還要把那些我認爲不靠譜的 或者是互相矛盾的觀點給它剔除掉 其實準備的過程比錄製的過程要費勁的多 正式錄製呢 差不多每次要一兩個小時的時間吧 後面做剪輯 後期上傳 一期內容準備下來還是比較耗時間的 所以在這呢 再次感謝啊 無論是那些經常催更的小夥伴 給我留言的小夥伴 給其他朋友推薦我這個專輯的小夥伴 都非常謝謝大家 講科學的內容呢 雖然我個人很感興趣 但畢竟不是我的主業 每次到深夜的時候是睡覺 是看會兒書 還是更新一些節目 其實都是挺糾結的 總之吧 謝謝大家的鼓勵 那今天就先這樣 祝你晚安