量子解释
❦
人们普遍相信,量子力学本来就应该令人困惑。无论对老师还是学生来说,这都不是一种好的心态。
而且我发现,那些传说中“令人困惑”的学科,作为数学而言,往往并没有真的那么复杂,尤其如果你只是想对底层究竟发生了什么,建立一种非常基础——但仍然是数学性的——把握。
我不是物理学家,而物理学家向来非常讨厌非职业物理学家谈论量子力学。不过,对于解释那些据说“很难理解”的数学性内容,我确实有一些经验。
我写贝叶斯定理的直觉解释,是因为人们总在抱怨贝叶斯定理“违背直觉”——事实上,它还是那种出了名地违背直觉——而这在我看来不太对劲。那个方程看上去根本没复杂到配得上如此可怕的名声。于是我试着用我自己的方式去解释它;虽然我没能达到最初设定的目标,也就是小学年龄段的学生,但我经常会收到感谢邮件,来信者是那些曾经困惑、如今不再困惑的人,范围从记者一直到校外学院教授。
除此之外,作为一个贝叶斯主义者,我并不相信有什么现象会天生地令人困惑。困惑存在于我们对世界的模型中,不存在于世界本身之中。如果一个主题被广泛认为是令人困惑的,而不只是困难的……你就不该停在这里。这并不算够好;那不是一个可以安心停留的位置。也许你能解决这个问题,也许你不能;但你不该乐于把学生留在困惑之中。
我的这份导论,将会偏离传统标准量子力学导论的第一点在于:我不会告诉你,量子力学本来就该令人困惑。
我不会告诉你:你不理解量子力学也没关系,因为正如 Richard Feynman 曾经声称的那样,没有人理解量子力学。历史上确实有那么一个时期这是真的,但我们已经不再生活在那个时代。
我也不会告诉你:「你并不理解量子力学,你只是习惯了它。」(据说 von Neumann 曾这样说过;那是在那些黑暗的年代里,而在那个年代里,事实上确实没有人真的理解量子力学。)
解释本来就应该让你减少困惑。如果你感觉自己不理解某件事,这就意味着存在一个问题——要么出在你身上,要么出在老师身上——但不管怎样,这总归是个问题;而你就应该去解决这个问题。
我不会告诉你,量子力学是怪异的、离奇的、令人困惑的,或者异样的。量子力学确实违背直觉,但那是你的直觉出了问题,不是量子力学出了问题。早在太阳由星际氢气凝聚而成之前几十亿年,量子力学就已经存在了。量子力学在你出现之前就已经在这里;如果你对此有意见,那么需要改变的那个人是你。量子力学可不会改。世界上没有令人惊讶的事实,只有被事实惊讶到的模型;而如果一个模型会被事实惊讶到,那绝不是这个模型的光荣。
把现实看作完全正常的东西,永远是最好的。自始至终,从来没有发生过任何一件不寻常的事。
这里的目标,是让你在量子宇宙中变得像在家里一样自在。像一个原住民。因为事实上,那正是你所居住的地方。
在接下来的量子力学序列中,我会始终如一地把量子力学说成是完全正常的;而当人类直觉偏离量子力学时,我会反过来嘲笑那些直觉太过古怪、太不正常。这样做也许看起来有些奇怪,但目的正是要把你的心智扳转到一种量子原住民的视角上来。
还有一点:传统的量子力学导论,几乎总是紧紧追随着量子力学被发现时的历史顺序。
传统导论一开始会说,物质有时表现得像四处碰撞的小台球,有时又表现得像水池里推进的波峰与波谷。然后,传统导论再举一些例子说明物质像小台球那样行动,又举一些例子说明它像海浪那样行动。
而历史事实恰恰是:当年那些研究物质的学者在摸索这一切时,对底层真正的数学结构毫无头绪。那些早期科学家一开始以为,物质像小台球;然后又以为它像海里的波;接着又以为它像台球;再接着,那些早期科学家就真的被搞糊涂了,而且这一糊涂就是好几十年,直到 20 世纪后半叶才终于被理顺。
把今天的学生拖着走完这一整段历史,也许是一种忠于历史真实的教学路径,但它同样也会带来一种历史上同样真实的结果:彻底茫然。跟有志成为物理学家的年轻人谈什么“波 / 粒二象性”,就像给化学学生上来先讲四元素说。
电子不是台球,也不是在水池中移动的波峰与波谷。电子始终、在任何情形下,都是一种数学上不同的存在,而你必须按照它自身的条件来接受它。
宇宙并不是在粒子和波之间摇摆不定、自己也拿不定主意。来回切换的,只有人类关于量子力学的直觉。我们对台球的直觉,以及我们对水池中波峰与波谷的直觉,在不同时间、不同情境下,看起来都有点像是适用于电子的。但真相是,这两套直觉其实都不适用。
如果你试图在某些日子里把电子想成台球,在另一些日子里又把它想成海浪,那你就会把自己彻底搞糊涂。
可摇摇晃晃、不稳定的是你的眼睛,不是这个世界。
此外:
人类发现事物的顺序,并不必然是教授它们的最佳顺序。起初,人类注意到周围有别的动物跑来跑去。然后我们把动物剖开,发现里面全是器官。接着我们仔细研究器官,发现它们由组织构成。然后我们在显微镜下观察组织,发现了细胞;细胞由蛋白质和其他一些化学合成出来的东西构成;而这些东西又由分子构成,分子由原子构成,原子由质子、中子和电子构成——这些东西比完整的动物简单太多了,却晚了几万年才被发现。
物理学并不是从生物学讲起的。那么,为什么它反而应该从那些非常高层、非常复杂的现象讲起,比如说,实验所观察到的结果呢?
通常讲授量子力学的方式,总是在不断强调实验结果。现在,我确实理解为什么从理性主义者的角度看,这样听起来很不错。相信我,我理解。
但在我看来,这样做的结果,是在学生还没有明白最简单情形下根本发生了什么之前,就先把那些分析现实世界情境所需的大型复杂数学工具硬拖进来了。
这就像是在程序员连两个变量怎么相加都还不知道的时候,就先教他们怎么写并发多线程程序,只因为并发多线程程序更接近日常生活。接近日常生活,并不总是一个足够强的理由,足以说明某样东西就该被优先教授。
也许,在那些没有人理解底层究竟发生了什么的黑暗年代里,那种偏执般只盯着实验观察的做法确实有道理——因为你没法从底层讲起,因为你所有的模型都不过是一些能给出良好实验预测的神秘数学……你今天依然能在很多书里看到这种量子物理观……但也许,在今天,值得试试另一个角度?标准路径带来的结果,就是标准化的困惑。
经典世界在量子世界中是被严格隐含着的,但从经典视角去看,会让一切都变得更庞大、更复杂。
日常生活属于更高一层的组织层级,就像分子相对于夸克一样——分子的目录浩如烟海,而夸克只有六种。我认为,值得试着先从量子世界的视角来教,再在之后谈论经典实验结果。
我不会先从那个正常的经典世界讲起,然后再谈论一个躲在幕后、离奇古怪的量子背景。量子世界就是舞台,而它定义了什么叫正常。
我不会把经典世界说得仿佛它才是真实生活,然后偶尔由经典世界向某台“量子物理服务器”发出一个实验结果请求,再由这台量子物理服务器做一些稀奇古怪的计算,最后把一个经典实验结果传回去。我要把量子世界说成那个真正真实的东西,而把经典世界说成某种遥远之物。这样做不仅是因为这能让你更容易成为量子宇宙的原住民,也因为从核心层面上说,这就是真相。
最后,我会对量子力学采取一种严格的实在论视角——量子世界是真的在那里,我们的方程描述的是疆域,而不是我们关于它的地图;经典世界只是在量子世界内部被隐含地存在。我不会在导论的早期阶段讨论非实在论观点,除了说明:你为什么不该被那些非实在论者拿来支撑自身立场的某些直觉所搞糊涂。我不会为此道歉,而且我想请任何在量子力学问题上持非实在论立场的人,在后续文章真正轮到这个话题之前,先忍一忍,暂且保留评论。请帮我这个忙。我认为,非实在论是最容易让潜在学生困惑的东西之一,它会妨碍他们对量子现象形成具体可视化图景。关于这些问题,我会在未来的文章里明确讨论。
但每个人都应当意识到:尽管我一开始不会讨论这个问题,科学界中确实存在一个规模不小的群体,他们反对量子力学中的实在论视角。至于我自己,我不认为值得把两套方法都想一遍;我是一个彻底的实在论者,理由之后会逐渐显现。但如果你读我的导论,你读到的就是我的看法。这不只是我一个人的看法。如果这算数的话,它很可能也是理论物理学家中的多数看法(尽管关于这一点,我会把论证和民意调查分开来谈)。不过,它终究不是现代物理共同体中唯一存在的看法。我并不觉得自己有义务立刻呈现其他看法,但我觉得自己有义务提醒读者:确实还存在其他看法,而我不会在导论最初阶段呈现它们。
总而言之,我的目标,是教会你像一个量子宇宙的原住民那样思考,而不是像一个心不甘情不愿的游客。
拥抱现实。把它紧紧抱住。
[量子物理与
多世界(序列)][11]