[智悲翻译]意识量子论:你如何令万物成为真实

Consciously quantum: How you make everything real

 

作者:菲利普·鲍尔

By Philip Ball

作者介绍:

菲利普·鲍尔是一位科学作家,他的下一本书《超越怪异》,是有关量子力学含义的著作。

插图作者:娜塔利·尼克林

现实是由我们创造的,这个想法似乎很荒谬,, 但是量子理论的一个大胆的新观点认为:自然界的基本规律是源于我们自身的感受。

没有我们,现实是否还存在?阿尔伯特.爱因斯坦曾带着怀疑思索过这个问题,他给出的回答似乎十分确定:我们不看月亮的时候,月亮肯定不会消失。量子理论的以下命题给他带来很大的冲击:只有当我们观察它们时,事物才会变得真实。这一命题并非那么离谱,甚至爱因斯坦都对其保持开放的态度。他在1955年的一封信中写道:“物理学的基础,就是假设现实世界独立于任何感知行为而存在。但是否真正如此,我们并不知道。”

在此后的几十年里,物理学家发现,试图在量子理论中将观察者安放于一个“外在”的位置上,是一件极其头疼的任务。现在有些人正在苦思冥想着一种令人难以置信的替代方案:仅仅基于对随机性的主观体验,而不必牵涉任何其他东西,就可以对现实,连同其中所有量子奇异现象,给出连贯一致的描述。这个大胆的新理论的提出者说:“这看起来像‘疯子的观点’,因为它迫使我们放弃所有基本物理定律的概念。但是,如果这个理论能够成立,不仅可以解决量子力学的一些深层次的难题,还会彻底改变我们对现实本身最深层的先入之见。

在对于世界如何运转做出预测这件事上,量子理论是无与伦比的:它的每一个预测,无论多么有悖于直觉,都可以被实验所证实。例如,电子有时可以显示出波的行为特征,尽管它们在其他情况下的表现像是粒子。

令人困惑的波

在观察之前,这些量子对象被认为是处于一种所有可能观察结果的叠加之中。当然,这并不意味着它们同时存在于多种状态之中,而我们只能说,所有允许的测量结果都是可能的。这种潜在的可能性被表述在量子波函数中,这是一种数学表达式,它将所有结果及其相对概率表达成某种“代码”的形式。

但是,在进行测量之前,对于量子系统的性质,我们并不清楚波函数会告诉我们些什么,如果它确实能够告诉我们什么的话,测量行为将所有可能的结果缩减为一种,这被称为“波函数的坍缩”,但没人真正知道它的含义。一些研究人员认为这可能是一个真实的物理过程,就像放射性衰变;那些赞同多重世界解释的人认为这是一种幻觉,是想象将宇宙分成每一种可能的结果而造成的;其他人则仍然认为,试图对其做出解释没有任何意义,而且,谁在乎这些解释呢?数学最奏效,所以只需闭上嘴计算好了。

无论在什么情况下,波函数的坍缩似乎都是取决于干预或观察,这引发了一些非常难以解答的问题,尤其是意识在整个过程中的作用。这是个测量问题,可以说,在量子理论中是最令人头痛的一点。“这非常难以说清楚,”加利福尼亚州查普曼大学哲学家凯尔文·麦昆说, “每天都会出现更多的解释,但所有解释都有问题。”

最为流行的就是“哥本哈根诠释”,它是以量子理论的先驱者之一尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)的家乡命名的。玻尔认为,量子力学告诉我们的,仅仅是我们进行测量时应该期待什么结果,而不是何种原因导致了如此的结果。这个理论不能告诉我们,在我们观测之前量子系统是什么样子,我们唯一能够期待它告诉我们的,就是各种不同的可能观测结果出现的概率。

这样的观点似乎逼迫你去接受一个不怎么舒服的结论:观测结果正是我们的观察行为带来的。这是真的吗?正如爱因斯坦含蓄表示的那样,这似乎与科学通常的假设相左,然而这个想法是有它的渊源的。二十世纪三十年代初期,匈牙利物理学家约翰·冯·诺伊曼第一个认真地考虑了这个诠释,二十世纪五十年代,他的同胞尤金·维格纳通过一个思想实验迈出了更深入的一步,这一实验现在被称为“维格纳的友人”。

“如果没有借助于我们的主动参与,现实就不能被描述,那该怎么办呢?”

假设维格纳站在无窗子的房间外面,他的朋友正在房间里对一个粒子进行观测。一旦完成观测,她就能知道该粒子所测量到的属性是什么样,但是维格纳不知道。在他朋友告诉他结果之前,他不能说粒子的波函数已经坍缩,那是没有意义的。更糟糕的是,在他朋友告诉他结果之前,量子理论没有提供任何途径,让维格纳将实验室内所有他看不见的事件都看作具有固定的结果。他的朋友,她的测量仪器和粒子仍然处在一个巨大的叠加态之中。

这就好像我们生活在一个唯我论的世界里,只有当有关结果的知识冲击到一个具有意识的头脑时,坍缩才会发生。“由此可见,对物体的量子描述,受到参与的我的意识的感觉所影响,”维格纳写道。“唯我论可能在逻辑上与现有的量子力学一致。”

我们看到的现实,可能并不是真实存在的现实

彼得·马洛 /马格兰摄影通讯社

普林斯顿大学的约翰·惠勒对此持有不同的观点,他认为:并非是唯我论,而是一种交互式协作,使事物成为现实。惠勒说,我们生活在一个“参与式的世界”——这个世界没有我们的主动参与,不可能被有意义地描述。 他写道:“关于量子力学,没有什么比这一点更令人吃惊了,即,它让人们严肃地对待这一观点……在没有对其进行观察的情况下,宇宙可能什么也不是。”

但惠勒无法摆脱参与式宇宙引发的重重乱麻般无法解决的问题。例如,维格纳和他的朋友似乎陷入了一个无限序列的“回归”之中。在维格纳将结果传递给下一座建筑中他的其他朋友之前,他自己是否也处于一种叠加状态?波函数的坍缩在什么时候发生,是由哪位观察者来“决定”?到底什么可以被视为有意识的观察?

尽管这些问题持续存在,但一些理论家最近又返回到了某种形式的惠勒看法之中,波士顿马萨诸塞大学的克里斯·福克斯称之为“参与式现实”。这种转变,部分是因为想要有一个更好的选择,但主要是因为:如果你严肃地对待量子力学,那么想要避免其所含的某种依赖观察者的主观性元素,似乎是不可能的。

几年前,维也纳大学的理论家卡斯拉夫·布鲁克纳重新审视了牛津大学大卫·多伊奇提出的,稍微修改过的“维格纳的友人”实验情景。在这个情景下,维格纳的朋友进行了测量,她已经使粒子的波函数坍缩,产生了结果A或结果B,但她只是告诉维格纳说,她看到了一个确定的结果,而没有说这个结果是什么。在多伊奇设定的情景下,维格纳被迫得出的结论:他的朋友,朋友的测量仪器和粒子处于一种联合叠加状态,尽管他知道测量行为已经发生过了。

对维格纳的朋友来说,她绝对处于,比如说“我看见了A”的状态,但对维格纳来说,她处于“我看见A”和“我看到B”的叠加状态。那么,两者中谁是正确的?布鲁克纳说,这取决于你采纳谁的观点。他的观点是:如果量子力学是正确的,那么就没有一个特权视角,使得第三位观察者可以基于这一视角去调和维格纳和他朋友的陈述。“没有理由认为其中一个‘事实’比另一个‘事实’更为根本,”布鲁克纳说,所以我们不得不得出的结论是:“世界本身不存在的事实”。相反,存在的只有每个观察者的事实。

对量子力学的一种解释方式,从容地接受了以上这一结论。在二十一世纪由福克斯和其他人提出的量子贝叶斯主义(也称为QBism)基于这样一种观点:量子力学仅仅提供了如下建议:一个理性观察者在他或她进行测量时,对于会看到什么应该具有的信念,且在观察者将新的经验考虑在内后,这些信念可以进行更新。“贝叶斯主义”是出自于经典概率论,在18世纪被首次提出,它根据观察者已经知道的事实赋予概率。

QBism直接了当地否定了对于量子态的任何客观看法。这并不意味着除了个人的信念之外,不可能有什么“真实的”的东西,只是量子力学对于这个问题并没有直接言及。

布鲁克纳“另类事实”的存在并不会给这种图景带来伤害,因为这一直是它的一种假设。波函数也没有坍缩,这只是讲述测量如何更新我们知识的一种方式。然而,几乎没有物理学家愿意在他们对现实进行描述的努力中接受如此严格的限制,这就是为什么QBism仍然是一种少数派的“游戏”。

现在怎么样了呢?搜索一下“马库斯·穆勒”,这个自称为“疯子”的维也纳大学的理论学家。他的回答则是更上了一个“档次”。“QBism不够极端,”他说,“它假定这里有一个外部世界,最终对我们的经验负责,而我的方法是从假设没有这样一个世界开始。”这意味着,在基本的自然定律不存在的设想下,没有广义相对论,也没有麦克斯韦方程组或海森堡的不确定性原理,我们去问一问世界是什么样子,答案可能会让你大吃一惊。

“极其奇特!你最终得到的,是一个直接由我们的经验所构建的宇宙”。

因为,即使你抛开物理学,数学的逻辑依然存在,这正是穆勒构建他的假想世界的起点。假设你具备某一体验X:你观察世界,然后得到了结果X,在这种条件下,你随后将会体验到另一个结果Y的机会有多大?数学的一个领域恰好可以准确处理这些问题,这就是算法信息理论,该理论展示了如何基于具有明显贝叶斯风格的归纳推理去进行预测:有一个方程式可以计算出,在发生了X的条件下,随后发生Y的概率。

是你经验的每一个片段构造出了现实的模样

苏海米·阿卜杜拉/格蒂图片社

穆勒希望看到,在没有任何其他因素影响其发展的情况下,这个推理会将世界引向何处?他将每个人在每个时刻的经验表示为一条信息位串(或称比特串)——由1和0构成,如同二进制计算机代码。然后,每个观察者的历史都是由穿行于各种可能的比特串的步骤所构成,从一个串到下一个串的概率是随机但有条件的:它必须将之前经历的历史考虑在内。香港大学理论家朱利奥·奇里贝拉(Giulio Chiribella)说:“这个想法,是将我们的经历视为由多幅相续的画面组成的电影,并追问,在我迄今为止已经看到的画面的条件下,我将会看到下一幅画面是什么? ”

你可能会认为,这种描画很难与我们对现实的感受:一个受规律支配的宇宙取得一致。而且,我们认为,这个宇宙中所显现的状态对你和对我来说都是一样的。但是,当穆勒使用算法信息理论计算出比特串的序列是什么样子时,他发现了一些引人注目的东西。

随着这些随机体验的累积,对下一次的可能体验,由简单的比特串序列所描述的那些体验的条件概率,要比由复杂的比特串序列所描述的那些更高。这使得它看起来像是一个相当简单的生成比特串的算法。所以,观察者推导出了一个有关现实的简单“模型”,这一模型由通常可理解的定律所表征,这些定律平稳流畅地将一个体验与下一个体验联接起来。

这似乎非常奇怪:随机性如何能导致这种看上去像是由定律所规范的行为?这其实与我们理解气体的方式有点相似,尽管从原则上讲,气体分子速度和位置的所有组合方式(即构形)都是允许出现的,但我们看到的分子速度的分布概率,却呈现为一种简单的钟形曲线,并且,分子在空间中的位置呈现为一种稳定的均匀分布。由此,我们可以得到一些物理量:压力、温度和体积,并且可以轻松地对其进行测量,得到描述它们之间的联系的一些简单定律。这些定律不是对气体分子颗粒本身的描述,它们是气体分子不同构形概率的一种涌现属性。

“令人惊奇的是,一种‘客观的外部世界’的观念会在这种算法长时间的运行中自动涌现,”穆勒说,更重要的是,“不同的观察者对这个外部世界属性的认识将趋于一致。”这是因为,根据算法信息理论,对于不同的观察者,比特串概率将收敛于同一种分布,所以他们将会在“世界的规律”是什么这一点上达成共识。 “总的来说,‘电影’大概很简单,因而,其情节的某些方面能够得到不同的观察者的普遍认同,”奇里贝拉说。

意想不到的事并未到此终止,这种涌现的现实将具有的特性,恰恰是我们在量子物理中所看到的:物体可以显示出波的特性,并且其行为具有“非局域”性的特征,即,对一个粒子的测量,似乎可以在同一瞬间影响到与其在空间中相互分离的另一个粒子的状态。

其结果是,对于我们个人经历中将发生的事件的概率,你只需要作出少到不能再少的几个假设,就可以恢复出一个与我们所了知的相同的世界。 “世界看起来在某种程度上仍然会像我们体验到的那样,尽管事实上与其有着令人难以置信的差别,”穆勒说。

穆勒的想法如何能够经受住测试的考验,这一点并不是显而易见的,但间接的证据是,在解决波尔兹曼大脑问题的道路上,他可能已进入正确轨道,波尔兹曼大脑几乎是一个形而上学的难解之谜,它表明我们并不是我们认为的那种存在(见“自发性大脑”)。

同样,从观察者经验中直接建立起来的这个宇宙景像是如此的“另类”,以至于其他研究人员几乎不知道该如何看待它。这是“一个非常有趣的起点,它会引发新的问题”,奇里贝拉说。同时,布鲁克纳(Brukner)对其持开放的态度,“马库斯(即穆勒)对概念掌握和数学背景都很强,并且使他能够突破舒适区(译注:指,不必费力气思索而得到的),并对理论提出真正的概念变化和修改,”他说。

穆勒本人深知,他选择的绝不是一条易行之路,但仍认为值得去试探着走一下。 “它并不像最初看起来那么疯狂,”他说,“但如何说服人们是一个重大的挑战,因为它隐含的世界观是极不寻常的,与我们习以为常的观念大相径庭。”

意识导致的坍缩?

波函数的坍缩,即不可胜数的可能测量结果成为了单一确定结果的这一过程,是由意识诱发的,这种观点在本质上并不具有荒谬之处。然而物理学家一直认为这是一个相当离经叛道的建议,因为它似乎是用一个谜团取代另一个谜团:我们不知道如何描述意识,那么我们怎么能期望知道它是如何导致坍缩的呢?

加利福尼亚州查普曼大学哲学家凯尔文·麦昆,以及堪培拉澳大利亚国立大学的戴维·查尔莫斯最近开始做的事情,使得我们现在可以更精确地处理这个问题。

二人从信息整合理论中得到了启发,这一理论假定,意识来源于大脑中的互联性。其发明者,威斯康星大学麦迪逊分校的神经科学家朱利奥·托诺尼,基于系统组成部分如何共享和组合信息,甚至提出了一种量度意识的数学量,称为Φ(或Phi)。

信息整合理论对意识是“全有或全无”的观点提出了挑战,对于非人类的生物,甚至更简单的(如,人造的)系统,也可能具有某种程度的意识这一观点,它持开放的态度。这个想法尚有待测试,还没有人能够给出如何计算人脑Φ的公式。但是,这种期望使得麦昆和查尔莫斯提出了一种大胆的方式,来测试意识是否确实会导致波函数的坍缩。

麦昆说,原则上,你可以做一个带点“花样”的普通量子实验:粒子本身就具有某种计算能力,但仍然足够小,以至于可以显示出可观察到的量子行为。如果这样的粒子具有足够大的Φ值,那么它们可能会自动地导致坍缩,并且无法如同尺寸相同但 Φ值较低的粒子那样,显示出像波的干涉效应这样的量子现象。

麦昆对于进行这样一个实验将会面临的困难不抱幻想。他说:“我并不执著这个想法,但是我确实希望看到,一旦清楚了如何构建合适的测试系统,它能得到证实或证伪。”

宇宙大脑

在19世纪后期,奥地利物理学家路德维希·波尔兹曼将世界描述为充满随机运动粒子的空间,这些粒子可以具有各种不同的构形。

实验早已证实,我们的现实与这一图景相一致,但这里存在一个问题。如果你考查一下每种构形的概率,得出的结论是,我们几乎不可能成为在一个星球上经历了数十亿年进化的众生,反倒是更像一颗短暂而孤独的“大脑”,他纯粹由于某种机会从混沌中脱颖而出,自由地流转着,完全被想象的回忆和感受所充斥。我们怎么能知道,我们不是这种随时都会轻易地被融化,回归到(粒子的速度和空间分布)起伏着的宇宙中的“波尔兹曼大脑”?

几十年来,物理学家和哲学家都为此所困扰,但是一个全新的观点可以让这个问题得以化解。如果客观现实是以数学上可预测的方式显现的,即,我们过去的经历决定未来的观察结果,那么,波尔兹曼大脑的经历中所遇到的突然不连贯将会消失得无影无踪。经历应该是平稳的,相互联接的,并且在我们的尺度上是完全可预测的。

与此类似的观点也认为,未必像一些研究人员所说的那样,我们只不过是某些超智能宇宙计算机模拟中的“智能代理”而已。那种东西在“死机”之类的突发事件面前同样不堪一击,而我们对现实却有着一种持久稳固的感知。

此文印刷版的标题为“什么是现实?它正是你所创造的”

文章来源:新科学家,2017年11月

https://www.newscientist.com/article/mg23631510-200-consciously-quantum-how-you-make-everything-real/?intcmp=PAC|NSNS|2017-inlinelink_human-universe&utm_medium=PAC&utm_source=NSNS&utm_campaign=inlinelink_human-universe

 

智悲翻译中心 译竟于2018-9-30

翻译:Wendy Zhang

一校:李晶

二校:Denni圆美

终审:圆恩

 

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