量子非实在论
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当没有人看着月亮时,月亮存在吗?
——Albert Einstein 向 Niels Bohr 提出的问题
假设你刚刚开始着手建立一套量子力学理论。
你开始遇到一些实验:它们会因为你观察得有多仔细而给出不同结果。你向自己所知的现实之下深挖,结果发现了一套极其精确的数学描述,但它只能给出结果的相对频率;更糟的是,它还是由复数组成的。事物星期一表现得像粒子,星期二又表现得像波。
而正确答案此时并不能作为一个假说供你选择,因为它还要再过 30 年才会被发明出来。
在这样一团乱麻里,你能够做到的最好程度是什么?
你所能做到的最好程度,就是对量子力学采取一种严格的“闭嘴,去计算”诠释。你仍然会继续尝试发展新理论,因为尽力而为并不意味着放弃。但我们已经设定:正确答案 30 年后才会出现,这意味着那些新理论都不可能真正有多好。理论上说,做到你所能做到的最好,就意味着即便在你寻找检验这些假说的方法时,你也能意识到这一点。
理论上说,你所能做到的最好,并不包括说出这样的话:“波函数只给我们概率,而不给我们确定性。” 事后看来,这其实是过早下结论;波函数给我们的,是多重世界存在这一点的确定性。所以,把波函数说成只是概率,这部分并不完全正确。你做了计算,但没能真正闭上嘴。
如果在正确答案尚不可得的情况下,你已经做到了所能做到的最好,那么当你后来听说退相干时,就会发现,你并没有说过任何与退相干不相容的话。数据和计算并没有排除退相干。所以,如果你拒绝把任何并非由数据和计算强迫出来的命题,当作正面知识来断言,那么计算也就不会迫使你说出任何与退相干不相容的话。无论最终正确理论是不是退相干,情况都是如此。如果你走偏了,那一定是你自己的冲动在作祟。
但对人类来说,要做到闭嘴并计算,是很难的——要做到真正闭嘴并计算,更是如此。人类有一种压倒性的倾向,会把自己的无知当成正面知识来对待。
我不知道现实中是否真的发生过下面这样的对话,但无知就是这样变成知识的:
Gallant:“闭嘴,去计算。”
Goofus:“为什么?”
Gallant:“因为我不知道这些方程意味着什么,只知道它们似乎有效。”
——五分钟后——
Goofus:“闭嘴,去计算。”
Student:“为什么?”
Goofus:“因为这些方程没有任何意义,它们只是有效而已。”
Student:“真的?你怎么知道?”
Goofus:“Gallant 告诉我的。”
类似的转化,也发生在从下面这句话跳到后面那句话的时候:
Gallant:“当我的计算显示,这个光子被吸收的振幅是 (−1/3)i 时,我的实验表明,在 1,000 次试验中,这个光子大约被吸收了 107 次,这和 1/9——也就是模长平方——符合得很好。实验统计和振幅的模长平方之间显然存在某种联系,但我不知道那是什么。”
Goofus:“概率振幅说的不是电子在哪里,而是它可能在哪里。模长平方就是现实最终会呈现为那种状态的概率。现实本身从根本上就是非决定论的。”
再来一次:
Gallant:“一旦我测量了某个东西并得到实验结果,我在之后的计算中就只使用那个模长平方曾参与计算该实验结果出现频率的振幅。只有这条规则,能让我的后续计算继续对应观测到的频率。”
Goofus:“既然振幅就是概率,那么一旦你知道了实验结果,其他一切的概率自然就变成零了!”
从这样一句话的整套滑移:
这种“振幅”玩意儿的平方,与我们实验观察到的频率高度对应
滑到:
振幅就是得到某次测量结果的概率
再滑到:
那显然,一旦你知道自己没有得到某个测量结果,它的概率就变成零了
这大概称得上是科学史上最令人尴尬的错误转向之一了。
如果你把这一切都按字面意义来理解,它就会变成“意识导致坍缩”的量子力学诠释。如今,几乎没人会承认自己真的相信“意识导致坍缩”的量子力学诠释——
但物理学教材仍然是这么写的!人们嘴上说自己不相信它,但他们说起话来却像是知识会负责移除那些不相容的“概率”振幅。
然而,尽管我觉得“意识导致坍缩”极不可信,但它至少还是给了我们一幅现实图景。当然,这是一幅非正式的图景。当然,它赋予了心智属性以本体论上的基础地位。你无法计算“实验观察”究竟在什么时候发生,也无法计算人们究竟“知道”什么,你只能凭直觉知道,某些概率在什么情况下显然是零。而这种“凭直觉知道”,碰巧又总能适配你的实验结果,不管结果是什么——
——但至少,“意识导致坍缩”声称自己在告诉我们宇宙是如何运作的。振幅是真实的,坍缩是真实的,意识也是真实的。
把它和下面这种论证模板对比一下:
Student:“等等,你是说,只要测量告诉我某个结果不成立,这个振幅就会消失?”
Goofus:“不,不!它并不会真的消失。那些方程没有任何意义——它们只是能做出好预测而已。”
Student:“可那到底发生了什么?”
Goofus:「(咕哝。嘶嘶。)永远别问那个问题。」
Student:“那边这个光子的偏振一旦被我们测量,远在一光年之外的那个纠缠光子,其偏振为上下方向的概率就会从 50% 变成 25%,这又怎么说?”
Goofus:“那又怎样?”
Student:“这难道不是违反了狭义相对论吗?”
Goofus:“没有,因为你只是在发现另一个光子的偏振。记住,振幅并不真实。”
Student:“可 Bell 定理表明,在我们测量之前,不存在任何可能的局域隐变量,能描述另一个光子的偏振——”
Goofus:“正是如此!在测量之前,去谈论那个光子的偏振是没有意义的。”
Student:“可是概率明明突然改变了——”
Goofus:“在我们测量之前,谈论它是没有意义的!”
Goofus 在这里说的到底是什么意思?先不管他这些话是否可信;究竟是什么样的现实状态,才会对应于他这些话为真?
现实究竟得以何种方式存在,才会让“狭义相对论是否被违反”这个问题变得没有意义,仅仅因为那个被影响的性质在那之前并不存在,尽管你却能计算出它的变化?
不过你知道吗?先别管那个。我想知道一个更重要的问题的答案:
Goofus 这些话到底是从哪儿来的?
让我们假设,你拿起薛定谔方程,然后把下面这句话断言为一个正面事实:
这个方程能给出很好的预测,但它没有任何意义!
真的?你怎么知道?
我有时会四处说,理性的根本问题就是:你为什么相信你所相信的东西?
你说薛定谔方程“没有任何意义”。如果这不是把无知误解成知识,那么这条明确知识究竟是怎么落到你手里的?
是某个实验告诉你的吗?我并不排斥实验能够告诉我们一些看起来在哲学上不可能的事情。但在这个案例里,我很想看看那份决定性数据。是不是曾经有那么一个时刻,你精心搭建了一套实验装置,并算出了:如果(1)薛定谔方程是有意义的,或者(2)薛定谔方程是没有意义的,你应该分别期待看到什么;然后你真的得到了结果(2)?
Gallant:“如果我先测量一个光子的 90◦ 偏振,再测量 45◦ 偏振,然后再次测量 90◦ 偏振,我的实验记录显示,在 100 次试验中,光子被吸收了 47 次,被透射了 53 次。”
Goofus:“90◦ 偏振和 45◦ 偏振是彼此不相容的属性;它们不可能同时存在,而且一旦你测量了其中一个,去谈论另一个就没有意义了。”
你怎么知道?
Goofus,你是怎么得到这条知识的?我知道 Gallant 的知识是从哪儿来的——可你的又是从哪儿来的?
我对“存在”和“意义”这类问题的态度,在一场关于宇宙在空间上究竟是有限还是无限的现有证据状态的讨论中,得到了很好的体现。当时 James D. Miller 责备 Robin Hanson 说:
Robin,你在假定宇宙存在这件事上犯了过度自信偏差。宇宙大小为零,显然也该有某种概率。
对此,我回答说:
James,如果宇宙不存在,那我仍然想知道,这究竟是一个无限的、还是一个有限的不存在宇宙。
哈!你以为玩“宇宙不存在”这种老把戏就能拦住我?它连让我慢下来都做不到!
并不是说,我在排除宇宙不存在的可能性。只是说,即便什么都不存在,我也仍然想尽我所能地理解这种“什么都没有”。要知道,我的好奇心不会仅仅因为没有现实可言,就突然消失!
“现实”的本性究竟是什么,这一点我自己仍然感到困惑;而这确实留下了这样的可能性:也许根本就不存在什么“现实”这种东西。但 Egan 定律依然适用:“一切最终都加总为常态。” Einstein 推翻 Newton 引力理论时,苹果并没有因此停止下落。
当然,尘埃落定之后,也可能会发现苹果不存在、地球不存在、现实不存在。但那些并不存在的苹果,仍然会以一种没有意义的 9.8 m/s2 加速度落向那片并不存在的地面。
你说宇宙不存在?好吧,姑且假设我相信这一点——尽管除了重复那些词之外,我并不清楚自己究竟被要求相信什么。
现在,如果我按下这个按钮,会发生什么?
在《简单的真理》里,我曾说过:
老实说,我自己也并不完全确定这种“现实”究竟是从哪儿来的。我没法在实验室里创造出自己的现实,所以我显然还没理解它。但有时我会强烈相信某件事将会发生,结果却是另一件事发生了……所以,我需要用不同的名字来称呼那些决定我预测的东西,以及那件决定我实验结果的东西。我把前者称作“信念”,把后者称作“现实”。
你想说量子力学方程“并不真实”?我愿意大度一点,姑且假定这句话有某种含义。那它可能是什么意思?
也许它的意思是:决定我预测的那些方程,与决定我实验结果的那个东西,两者有着实质性的不同。那么,究竟是什么在决定我的实验结果?如果你告诉我“什么都没有”,那我会想知道,这究竟是哪一种“什么都没有”,以及为什么这种“什么都没有”在决定诸如我对电子质量的实验测量时,会表现出如此明显的规律性。
我一向不喜欢别人叫我停止发问。如果你告诉我某件事明确无疑地是没有意义的,那我就想准确知道,你说的这句话究竟是什么意思,以及你是怎么知道的。否则,你并没有给我一个答案,只是在告诉我别再问这个问题。
《简单的真理》讲的是这样一个故事:一个牧羊人和他的学徒发现,可以通过把石子丢进桶里来数羊;后来,一位宫廷使者来访,想知道那些“魔法石子”究竟是怎么运作的。牧羊人试图解释说:“一个空桶之所以有魔力,当且仅当牧场里也没有羊。” 但很快,他就被学徒和使者兴奋地讨论压了过去:他们忙着猜测魔法究竟是怎么跑进石子里的。
在这里,我们手头有一些量子方程,它们能给出极好的实验预测。它们“没有意义”这句话,到底是什么意思?这是否像是一桶能用于数羊、却并没有魔法的石子?
在 Bell 定理排除局域隐变量之前,人们似乎还可以设想:就像 Einstein 所认为的那样,现实存在某种我们尚未掌握的、更完整的描述,而量子理论只是对这种更完整描述之不完整知识的概括。那样一来,我们学到的定律就会像统计力学中的定律:是关于不确定性的定量陈述。这丝毫不会使这些方程变得“没有意义”;部分知识本来就是概率的意义所在。
但是,Bell 定理让“量子方程不过是关于某种决定性事物的部分知识”这一想法,变得远没有“经典物理之上的统计力学只是关于某种决定性事物的部分知识”那么可信了。即便如此,那些量子方程也不会在通常意义上变成“没有意义”;它们只会是“统计性的”、“近似的”、“部分信息”,或者最糟也不过是“错误的”。
我们这里有一组方程,它们能给出极好的预测。你说它们“没有意义”。我问,那究竟是什么决定了我的实验结果?你答不上来。好吧,那你又凭什么排除这样一种可能性:量子方程之所以能给出如此优秀的预测,哦,也许就是因为它们有意义呢?
我并不是想把关于现实或意义的问题说得太轻巧。但如果你要说某样东西“没有意义”,并宣称这样一来争论就已经解决、结束、完成、可以收工了,那么你就必须有一个关于“它究竟如何没有意义”的理论。而当这个答案给出来之后,那个问题就应当显得不再神秘。
正如你也许还记得我在《语义停牌》里所说的,有些词和短语,与其说是问题的答案,不如说是认知上的交通信号,意思是你该停止发问了。“为什么万物一开始会存在?上帝!” 是经典例子,不过类似的还有别的,比如 “Élan vital!”。
如果你叫人“闭嘴,去计算”,理由是你不知道这些计算意味着什么,那么不到 5 年,“闭嘴!” 就会伪装成一种正面的量子力学理论。
对于那些历史上的物理学家,只要他们哪怕稍微接近了一点点真正的闭嘴并计算,凡是他们在评估自己知道什么、不知道什么这件事上真正保持了克制与保守,我都抱有最高的敬意。在并非 Hugh Everett 本人的前提下,这已经是他们所能做到的最好状态了,我给他们奖励 50 点理性值。我的轻蔑只留给那些把“我们不知道它为什么有效”解释成一种正面知识的人:他们居然断言,这些方程肯定不是真实的。
我的意思是,如果这一招真管用,那也未免太好用了,不该只限于一个子领域。为什么物理学家不把这种“并不真实”的漏洞用在量子力学之外呢?
“嘿,你这个新的‘纱线理论’难道没有违反狭义相对论吗?”
“没有啦,那些方程没有意义。对了,你那个‘混沌邪恶暴涨’模型难道没有违反 CPT 对称性吗?”
“我的方程比你的方程更没有意义!所以你的批评就双重不算数。”
如果这还不行,那就给你自己写一张“免罪出狱卡”吧。
如果整个故事有什么寓意的话,那就是:要让自己停留在一种坦承的困惑状态里,是多么困难;不去编造一个能给自己收尾感的故事,是多么困难;不把自己的无知摆弄成某种你已拥有的明确知识,又是多么困难。