上帝掷骰子吗——量子物理史话（9-3）(zz)

dragon_kai

第九章 测量问题                                                                     
                                                                                
三                                                                              
                                                                                
我们在“意识问题”那里头晕眼花地转了一圈回来之后，究竟得到了什么收获呢？我们弄                           
清楚猫的量子态在何时产生坍缩了吗？我们弄清意识究竟是如何作用于波函数了吗？似乎                           
都没有，反倒是疑问更多了：如果说意识只不过是大脑复杂性的一种表现，那么这个精巧                           
结构是如何具体作用到波函数上的呢？我们是不是已经可以假设，一台足够复杂的计算机                           
也具有坍缩波函数的能力了呢？反而让我们感到困惑的是，似乎这是一条走不通的死路。                           
电子的波函数是自然界在一个最基本层次上的物理规律，而正如我们已经讨论过的那样，                           
“意识”所遵循的规则，是一个大量原子的组合才可能体现出来的整体效果，它很可能处                           
在一个很高的层次上面。就像你不能用处理单词和句子的语法规则去处理小说情节一样，                           
用波函数和意识去互相联系，看起来似乎是一种层面的错乱，好比有人试图用牛顿定律去                           
阐述经济学规则一样。                                                                  
                                                                                
如果说“意识”使得一切从量子叠加态中脱离，成为真正的现实的话，那么我们不禁要问                           
一个自然的问题：当智能生物尚未演化出来，这个宇宙中还没有“意识”的时候，它的状                           
态是怎样的呢？难道说，第一个有意识的生物的出现才使得从创生起至那一刹那的宇宙历                           
史在一瞬间成为现实？难道说“智能”的参予可以在那一刻改变过去，而这个“过去”甚                           
至包含了它自身的演化历史？                                                               
                                                                                
1979年是爱因斯坦诞辰100周年，在他生前工作的普林斯顿召开了一次纪念他的讨论会。在                           
会上，爱因斯坦的同事，也是玻尔的密切合作者之一约翰•惠勒（John Wheeler）提                           
出了一个相当令人吃惊的构想，也就是所谓的“延迟实验”（delayed choice experimen                           
t）。在前面的章节里，我们已经对电子的双缝干涉非常熟悉了，根据哥本哈根解释，当我                           
们不去探究电子到底通过了哪条缝，它就同时通过双缝而产生干涉，反之，它就确实地通                           
过一条缝而顺便消灭干涉图纹。惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出，我们可以“延迟”                           
电子的这一决定，使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后，再来选择究竟是通过了一条缝                           
还是两条！                                                                          
                                                                                
这个实验的基本思路是，用涂着半镀银的反射镜来代替双缝。一个光子有一半可能通过反                           
射镜，一半可能被反射，这是一个量子随机过程，跟它选择双缝还是单缝本质上是一样的                           
。把反射镜和光子入射途径摆成45度角，那么它一半可能直飞，另一半可能被反射成90度                           
角。但是，我们可以通过另外的全反射镜，把这两条分开的岔路再交汇到一起。在终点观                           
察光子飞来的方向，我们可以确定它究竟是沿着哪一条道路飞来的。                                       
                                                                                
但是，我们也可以在终点处再插入一块呈45度角的半镀银反射镜，这又会造成光子的自我                           
干涉。如果我们仔细安排位相，我们完全可以使得在一个方向上的光子呈反相而相互抵消                           
，而在一个确定的方向输出。这样的话我们每次都得到一个确定的结果（就像每次都得到                           
一个特定的干涉条纹一样），根据量子派的说法，此时光子必定同时沿着两条途径而来！                           
                                                                                
                                                                                
总而言之，如果我们不在终点处插入半反射镜，光子就沿着某一条道路而来，反之它就同                           
时经过两条道路。现在的问题是，是不是要在终点处插入反射镜，这可以在光子实际通过                           
了第一块反射镜，已经快要到达终点时才决定。我们可以在事情发生后再来决定它应该怎                           
样发生！如果说我们是这出好戏的导演的话，那么我们的光子在其中究竟扮演了什么角色                           
，这可以等电影拍完以后再由我们决定！                                                        
                                                                                
虽然听上去古怪，但这却是哥本哈根派的一个正统推论！惠勒后来引玻尔的话说，“任何                           
一种基本量子现象只在其被记录之后才是一种现象”，我们是在光子上路之前还是途中来                           
做出决定，这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录                           
下来。更精确地说，光子在通过第一块透镜到我们插入第二块透镜这之间“到底”在哪里                           
，是个什么，是一个无意义的问题，我们没有权利去谈论它，它不是一个“客观真实”！                           
惠勒用那幅著名的“龙图”来说明这一点，龙的头和尾巴（输入输出）都是确定的清晰的                           
，但它的身体（路径）却是一团迷雾，没有人可以说清。                                               
                                                                                
在惠勒的构想提出5年后，马里兰大学的卡洛尔•阿雷（Carroll O Alley）和其同事                           
当真做了一个延迟实验，其结果真的证明，我们何时选择光子的“模式”，这对于实验结                           
果是无影响的（和玻尔预言的一样，和爱因斯坦的相反！），与此同时慕尼黑大学的一个                           
小组也作出了类似的结果。                                                               
                                                                                
这样稀奇古怪的事情说明了什么呢？                                                           
                                                                                
这说明，宇宙的历史，可以在它实际发生后才被决定究竟是怎样发生的！在薛定谔的猫实                           
验里，如果我们也能设计某种延迟实验，我们就能在实验结束后再来决定猫是死是活！比                           
如说，原子在1点钟要么衰变毒死猫，要么就断开装置使猫存活。但如果有某个延迟装置能                           
够让我们在2点钟来“延迟决定”原子衰变与否，我们就可以在2点钟这个“未来”去实际                           
决定猫在1点钟的死活！                                                                  
                                                                                
这样一来，宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙                           
的行为在道理上讲已经演化了几百亿年，但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观                           
察才成为确定。我们的观测行为本身参予了宇宙的创造过程！这就是所谓的“参予性宇宙                           
”模型（The Prticipatory Universe）。宇宙本身没有一个确定的答案，而其中的生物参                           
予了这个谜题答案的构建本身！                                                              
                                                                                
这实际上是某种增强版的“人择原理”（anthropic principle）。人择原理是说，我们存                           
在这个事实本身，决定了宇宙的某些性质为什么是这样的而不是那样的。也就是说，我们                           
讨论所有问题的前提是：事实上已经存在了一些像我们这样的智能生物来讨论这些问题。                           
我们回忆一下笛卡儿的“第一原理”：不管我怀疑什么也好，有一点我是不能怀疑的，那                           
就是“我在怀疑”本身。“我思故我在”！类似的原则也适用于人择原理：不管这个宇宙                           
有什么样的性质也好，它必须要使得智能生物可能存在于其中，不然就没有人来问“宇宙                           
为什么是这样的？”这个问题了。随便什么问题也好，你首先得保证有一个“人”来问问                           
题，不然就没有意义了。                                                                  
                                                                                
举个例子，目前宇宙似乎是在以一个“恰到好处”的速度在膨胀。只要它膨胀得稍稍快一                           
点，当初的物质就会四散飞开，而无法凝聚成星系和行星。反过来，如果稍微慢一点点，                           
引力就会把所有的物质都吸到一起，变成一团具有惊人的密度和温度的大杂烩。而我们正                           
好处在一个“临界速度”上，这才使得宇宙中的各种复杂结构和生命的诞生成为可能。这                           
个速度要准确到什么程度呢？大约是10^55分之一，这是什么概念？你从宇宙的一端瞄准并                           
打中在另一端的一只苍蝇（相隔300亿光年），所需准确性也不过10^30分之一。类似的惊                           
人准确的宇宙常数，我们还可以举出几十个。                                                      
                                                                                
我们问：为什么宇宙以这样一个速度膨胀？人择原理的回答是：宇宙必须以这样一个速度                           
膨胀，不然就没有“你”来问这个问题了。因为只有以这样一个速度膨胀，生命和智慧才                           
可能诞生，从而使问题的提出成为可能！显然不会有人问：“为什么宇宙以1米/秒的速度                           
膨胀？”因为以这个速度膨胀的宇宙是一团火球，不会有人在那里存在。                                      
                                                                                
参予性宇宙是增强的人择原理，它不仅表明我们的存在影响了宇宙的性质，更甚，我们的                           
存在创造了宇宙和它的历史本身！可以想象这样一种情形：各种宇宙常数首先是一个不确                           
定的叠加，只有被观测者观察后才变成确定。但这样一来它们又必须保持在某些精确的范                           
围内，以便创造一个好的环境，令观测者有可能在宇宙中存在并观察它们！这似乎是一个                           
逻辑循环：我们选择了宇宙，宇宙又创造了我们。这件怪事叫做“自指”或者“自激活”                           
（self-exciting），意识的存在反过来又创造了它自身的过去！                                          
                                                                                
请各位读者确信，我写到这里已经和你们一样头大如斗，嗡嗡作响不已。这个理论的古怪                           
差不多已经超出了我们可以承受的心理极限，我们在“意识”这里已经筋疲力尽，无力继                           
续前进了。对此感到不可接受的也绝不仅仅是我们这些门外汉，当时已经大大有名的约翰                           
•贝尔（John Bell，我们很快就要讲到他）就嘟囔道：“难道亿万年来，宇宙波函                           
数一直在等一个单细胞生物的出现，然后才坍缩？还是它还得多等一会儿，直到出现了一                           
个有资格的，有博士学位的观测者？”要是爱因斯坦在天有灵，看到有人在他的诞辰纪念                           
上发表这样古怪的，违反因果律的模型，不知作何感想？                                               
                                                                                
就算从哥本哈根解释本身而言，“意识”似乎也走得太远了。大多数“主流”的物理学家                           
仍然小心谨慎地对待这一问题，持有一种更为“正统”的哥本哈根观点。然而所谓“正统                           
观念”其实是一种鸵鸟政策，它实际上就是把这个问题抛在一边，简单地假设波函数一观                           
测就坍缩，而对它如何坍缩，何时坍缩，为什么会坍缩不闻不问。量子论只要在实际中管                           
用就行了，我们更为关心的是一些实际问题，而不是这种玄之又玄的阐述！                                    
                                                                                
但是，无论如何，当新物理学触及到这样一个困扰了人类千百年的本体问题核心后，这无                           
疑也激起了许多物理学家们的热情和好奇心。的确有科学家沿着维格纳的方向继续探索，                           
并论证意识在量子论解释中所扮演的地位。这里面的代表人物是伯克利劳伦斯国家物理实                           
验室的美国物理学家亨利•斯塔普（Henry Stapp），他自1993年出版了著作《精神                           
，物质和量子力学》（Mind, Matter, and Quantum Mechanics）之后，便一直与别的物理                           
学家为此辩论至今（大家如果有兴趣，可以去他的网页http://www-physics.lbl.gov/~st                           
app/stappfiles.html看看他的文章）。这种说法也获得了某些人的支持，去年，也就是2                           
003年，还有人（阿姆斯特丹大学的Dick J. Bierman）宣称用实验证明了人类意识“的确                           
”使波函数坍缩。不过这一派的支持者也始终无法就“意识”建立起有说服力的模型来，                           
对于他们的宣称，我们在心怀惧意的情况下最好还是采取略为审慎的保守态度，看看将来                           
的发展如何再说。                                                                     
                                                                                
我们沿着哥本哈根派开拓的道路走来，但或许是走得过头了，误入歧途，结果发现在尽头                           
藏着一只叫做“意识”的怪兽让我们惊恐不已。这已经不是玻尔和哥本哈根派的本意，我                           
们还是退回到大多数人站着的地方，看看还有没有别的道路可以前进。嗯，我们发现的确                           
还有几条小路通向未知的尽头，让我们试着换几条道路走走，看看它是不是会把我们引向                           
光明的康庄大道。不过让我们先在原来的那条路上做好记号，醒目地写下“意识怪兽”的                           
字样并打上惊叹号以警醒后人。好，现在我们出发去另一条道路探险，这条小道看上去笼                           
罩在一片浓雾缭绕中，并且好像在远处分裂成无限条岔路。我似乎已经有不太美妙的预感                           
，不过还是让我们擦擦汗，壮着胆子前去看看吧。                                                   
                                                                                
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饭后闲话：海森堡和德国原子弹计划（七）                                                      
                                                                                
海森堡不久便从报上得知了炸弹的实际重量：200千克，核心爆炸物只有几千克。他显得烦                           
躁不已，对自己的估计错在何处感到非常纳闷。他对哈特克说：“他们是怎么做到的？如                           
果我们这些曾经干过同样工作的教授们连他们（理论上）是怎么做到的都搞不懂，我感到                           
很丢脸。”德国人讨论了多种可能性，但一直到14号，事情才起了决定性的转变。                                
                                                                                
到了8月14号，海森堡终于意识到了正确的计算方法（也不是全部的），他在别的科学家面                           
前进行了一次讲授，并且大体上得到了相对正确的结果。他的结论是6.2厘米半径——16千                           
克！而在他授课时，别的科学家对此表现出一无所知，他们的提问往往幼稚可笑。德国人                           
为他们的骄傲自大付出了最终的代价。                                                         
                                                                                
对此事的进一步分析可以在1998年出版的《海森堡与纳粹原子弹计划》（Paul Rose）和2                           
000年出版的《希特勒的铀俱乐部》（Jeremy Bernstein）二书中找到非常详尽的资料。大                           
体上说，近几年来已经比较少有认真的历史学家对此事表示异议，至少在英语世界是如此                           
。                                                                              
                                                                                
关于1941年海森堡和玻尔在哥本哈根的会面，也就是《哥本哈根》一剧中所探寻的那个场                           
景，我们也已经有了突破性的进展。关于这场会面的讨论是如此之多之热烈，以致玻尔的                           
家属提前10年（原定保密50年）公布了他的一些未寄出的信件，其中谈到了1941年的会面                           
（我们知道，玻尔生前几乎从不谈起这些），为的是不让人们再“误解它们的内容”。这                           
些信件于2002年2月6日在玻尔的官方网站（http://www.nbi.dk）上公布，引起一阵热潮，                           
使这个网站的日点击率从50左右猛涨至15000。                                                     
                                                                                
在这些首次被披露的信件中，我们可以看到玻尔对海森堡来访的态度。这些信件中主要的                           
一封是在玻尔拿到Robert Jungk的新书《比一千个太阳更明亮》之后准备寄给海森堡的，                           
我们在前面已经说到，这本书赞扬了德国人在原子弹问题上表现出的科学道德（基于对海                           
森堡本人的采访！）。玻尔明确地说，他清楚地记得当年的每一句谈话，他和妻子玛格丽                           
特都留下了强烈的印象：海森堡和魏扎克努力地试图说服玻尔他们，德国的最终胜利不可                           
避免，因此采取不合作态度是不明智的。玻尔说，海森堡谈到原子弹计划时，给他留下的                           
唯一感觉就是在海森堡的领导下，德国正在按部就班地完成一切。他强调说，他保持沉默                           
，不是海森堡后来宣称的因为对原子弹的可行性感到震惊，而是因为德国在致力于制造原                           
子弹！玻尔显然对海森堡的以及Jungk的书造成的误导感到不满。在别的信件中，他也提到                           
，海森堡等人对别的丹麦科学家解释说，他们对德国的态度是不明智的，因为德国的胜利                           
十分明显。玻尔似乎曾经多次想和海森堡私下谈一次，以澄清关于这段历史的误解，但最                           
终他的信件都没有发出，想必是思量再三，还是觉得恩恩怨怨就这样让它去吧。                                 
                                                                                
这些文件可以在http://www.nbi.dk/NBA/papers/docs/cover.html找到。                                    
                                                                                
容易理解，为什么多年后玻尔夫人再次看到海森堡和魏扎克时，愤怒地对旁人说：“不管                           
别人怎么说，那不是一次友好的访问！”                                                        
                                                                                
这些文件也部分支持了海森堡的传记作者Cassidy在2000年的Physics Today杂志上的文章                           
（这篇文章是针对《哥本哈根》一剧而写的）。Cassidy认为海森堡当年去哥本哈根是为了                           
说服玻尔德国占领欧洲并不是最坏的事（至少比苏联占领欧洲好），并希望玻尔运用他的                           
影响来说服盟国的科学家不要制造原子弹。                                                      
                                                                                
当然仍然有为海森堡辩护的人，主要代表是他的一个学生Klaus Gottstein，当年一起同行                           
的魏扎克也仍然认定，是玻尔犯了一个“可怕的记忆错误”。                                            
                                                                                
不管事实怎样也好，海森堡的真实形象也许也就是一个普通人——毫无准备地被卷入战争                           
岁月里去的普通德国人。他不是英雄，也不是恶棍，他对于纳粹的不认同态度有目共睹，                           
他或许也只是身不由己地做着一切战争年代无奈的事情。尽管历史学家的意见逐渐在达成                           
一致，但科学界的态度反而更趋于对他的同情。Rice大学的Duck和Texas大学的Sudarshan                           
说：“再伟大的人也只有10％的时候是伟大的……重要的只是他们曾经做出过原创的，很                           
重要，很重要的贡献……所以海森堡在他的后半生是不是一个完人对我们来说不重要，重                           
要的是他创立了量子力学。”                                                               
                                                                                
在科学史上，海森堡的形象也许一直还将是那个在赫尔格兰岛日出时分为物理学带来了黎                           
明的大男孩吧？（终）                                                                  
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