全文3800字，閱讀用時9分鐘。 （天體物理學(xué)愛好者必看） 1.常識中的“不確定性”現(xiàn)代人經(jīng)常會談?wù)摗安淮_定性”、“概率”這些東西，但是你是否想過，這個世界真的是不確定的嗎？ 你往空中拋一個蘋果，如果我精確知道蘋果的初始速度、空氣的阻力、引力的強度，我就可以精確計算蘋果的軌道，告訴你它會在什么時候、在哪里落地。完全都是確定的。 可是如果你拋的是一個硬幣，問我硬幣落地的時候哪一面朝上，我就只能說一個概率了。這并不是因為硬幣和蘋果有什么本質(zhì)的不同，而是因為影響硬幣落地的因素實在太多了 —— 初始速度、角度、旋轉(zhuǎn)度、地面的平整情況、空氣中氣流的變化等等。我對這些因素的了解和我的計算能力都是有限的，我就沒有辦法精確預(yù)測。 但是你考察那些左右硬幣運動的物理方程，它們都是確定性的。也就是說，如果有人能夠精確了解所有的因素，他在原則上就能精確預(yù)測硬幣的運動軌跡！硬幣事件，本質(zhì)上仍然是確定性的事件。 在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，物理學(xué)就是這樣的局面。所有物理方程都是確定的，那么如果你精確知道宇宙中每一個粒子的初始條件，你在原則上就完全可以預(yù)測整個宇宙后續(xù)的演化，一切都是確定的 —— 這就是所謂“機械宇宙”。 今天我們說的天氣、股市、地震這些所謂“不確定事件”，在機械宇宙里也都有，我們說不確定只不過是因為我們的計算能力有限。機械宇宙里沒有真正的不確定事件，一切都已經(jīng)注定了。 這個世界觀有點令人沮喪 —— 我們的大腦也受物理定律支配，所以你未來想什么，也是注定了的 —— 但這是一個和諧自洽的世界觀。 這就是為什么量子力學(xué)一出來，物理學(xué)家就懵了。
2.既在這里，又在那里下面這個實驗叫“雙縫實驗”。把一束光從兩個縫隙中傳過去，兩個縫隙的光束就會形成干涉，在后面的屏幕上形成干涉條紋。 
即使你每次只發(fā)射一個光子，后面屏幕上也會出現(xiàn)干涉條紋圖案！這非常奇怪，因為干涉條紋，是兩個縫隙之中同時發(fā)出的光互相干涉的產(chǎn)物?，F(xiàn)在你每次只打一個光子，它跟誰干涉呢？ 答案是這個光子自己和自己干涉 —— 也就是說，這一個光子，同時通過了兩個縫隙！用電子或者別的粒子做這個實驗，結(jié)果也是如此。 這就是量子力學(xué)。一個粒子，可以“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫” —— “既在這里，又在那里”！ 再舉個例子。物理學(xué)有個概念叫“自旋”，你大概可以理解成一個粒子的自轉(zhuǎn)。任意選定一個方向，比如說北方，那么對一個電子來說，它有兩種自旋 —— 對著北方，如果這個旋轉(zhuǎn)是順時針的話，我們就說它自旋是正，如果是逆時針的話，我們就說他的自旋是負。 你不用關(guān)心自旋的精確定義是什么，只要知道電子在任意方向都有正、負兩種可能的自旋。 好了?，F(xiàn)在假設(shè)這里有一個電子，在我觀測它之前，你問我一個問題：這個電子的自旋是正的還是負的？ 如果咱們說的是一個臺球，我的答案就應(yīng)該是它“或者是正的，或者是負的”?？墒菍﹄娮觼碚f，我的答案就必須是它“既是正的，又是負的”。 這就和前面雙縫實驗中，“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫”，是一樣的道理。 一個沒有被觀測的電子，其實是兩種自旋狀態(tài)的“疊加”，這就是“量子疊加態(tài)”。物理學(xué)家用“波函數(shù)”描寫這個疊加態(tài)。 這個“既是……又是……”的概念可能已經(jīng)讓你震驚了。這其實是個觀念問題。日常生活中一個人不可能同時從左右兩個門中穿過，還自己撞到了自己，但那只是我們的日常經(jīng)驗。微觀世界的情況跟宏觀世界非常不同，只要你能接受這個觀念，就不至于睡不好覺。 基本粒子不是臺球。只要你不觀測它，它就可以“即是這樣，又是那樣”。 讓物理學(xué)家至今都睡不好覺的，是“觀測”。
3.真正的“不確定性”
一觀測，光子就從“既走了左邊的縫，又走了右邊的縫”變成了“或者走了左邊的縫，或者走了右邊的縫”！ 也就是說觀測會破壞量子疊加態(tài)。用物理學(xué)家的話說，這叫“波函數(shù)塌縮”。 同樣道理，如果你“觀測”一個電子在某個方向上的自旋，你得到的結(jié)果就“或者是正的，或者是負的”。 而你具體會得到“正”還是“負”的哪個結(jié)果，這就是一個真正的“不確定性”事件！ 沒有任何辦法能事先預(yù)測你的觀測結(jié)果。電子的波函數(shù)到底往正、負哪個結(jié)果塌縮，不受任何外界因素影響 —— 你可以說那是電子的“自由意志”。 物理學(xué)家可以用電子的波函數(shù)精確預(yù)測你獲得每個結(jié)果的概率大小是多少，但是面對一次單獨的觀測，從理論上講就沒有任何辦法可以預(yù)測結(jié)果。 正因為量子力學(xué)有這個性質(zhì)，我們才真正生活在一個不確定的世界。機械宇宙觀過時了，萬事萬物不是注定的，天神來了也無法預(yù)測未來。 好了，現(xiàn)在溫伯格的問題就是，描寫波函數(shù)演化的方程是“薛定諤方程”，而薛定諤方程其實是一個確定性的方程，里面根本沒有概率 —— 那么觀測結(jié)果的這個“本質(zhì)的不確定性”，是從哪里來的呢？
4.人的意識和多重宇宙只有到觀測的時候，才出現(xiàn)不確定性。物理學(xué)家對此細思恐極 —— 只有當有人參與的時候，才出現(xiàn)不確定性！ 溫伯格總結(jié)了目前的兩種看法，一種叫 工具主義者，一種叫 真實主義者。 工具主義者認為，量子力學(xué)方程只是一個工具，它能幫你計算觀測結(jié)果的概率是多少，這就足夠了。我們根本不應(yīng)該把量子力學(xué)當成對真實世界的解釋，量子力學(xué)只管到波函數(shù)塌縮之前，波函數(shù)到底怎么塌縮，不受量子力學(xué)控制。 這就等于說，人，不受量子力學(xué)控制。想要解釋實驗結(jié)果，光有薛定諤方程還不夠，必須把人的意識也加進來才行。有個量子物理學(xué)的先驅(qū)人物叫尤金·維格納，他就說，如果你不考慮人的意識的話，你就沒有辦法得到一套自洽的量子力學(xué)理論。 但我們同時知道，量子力學(xué)能夠非常精準地描述微觀世界的一切自然現(xiàn)象。那么這就等于說，人，成了一個在自然界物理定律之外的東西。 這個解釋你能接受嗎？達爾文以來人類最大的教訓(xùn)就是人只不過就是一堆基本粒子的排列組合，難道現(xiàn)在人又變特殊了嗎？ 但是真實主義者的觀點更聳人聽聞。真實主義者認為量子力學(xué)描寫的就是真實世界，既包括電子，也包括人。那么不確定性從哪里來呢？其實根本就沒有什么不確定性 —— 每次觀測的時候，正自旋和負自旋，實際上都發(fā)生了！只不過是在平行宇宙里發(fā)生。 在這個宇宙里的你，觀測到了一個正自旋。而在另外一個平行宇宙里，還有另外一個你，觀測到的是一個負自旋。你以為是概率，其實你是不知道另一個你的存在。宇宙每時每刻都在發(fā)生分叉，每條岔道上都有一個你，誰也不比誰特殊。 這個平行宇宙解釋是1957年普林斯頓大學(xué)的一個博士生的博士論文，后來成了一系列科幻小說的素材。一般物理學(xué)家、包括溫伯格在內(nèi)都不太贊成這個理論。每時每刻都分裂出去一個新宇宙？至于嗎？而且真實主義者的解釋還有別的技術(shù)問題，這里就不多說了。 這兩派觀點，溫伯格都不滿意。其實你不較真的話，量子力學(xué)是個特別好的理論，跟實驗結(jié)果高度吻合，可以說是最成功的物理理論。那何必還較這個真呢？溫伯格說，既然量子力學(xué)有這個困境，也許我們可以探索一個比量子力學(xué)更好的新理論。 實驗不太可能給新理論提供什么靈感，畢竟量子力學(xué)太準了。溫伯格暢想，我們大概只能先從邏輯上推測這個新理論。溫伯格講了他的思路，技術(shù)性比較強，我們就不說了。 溫伯格希望將來有了這個新理論之后，也許新理論和現(xiàn)有的量子力學(xué)理論之間存在一個微小的差異，也許我們在特別精確的實驗中能測出來這個微小的差異，這樣的話，新理論就有它的價值。
說破一句物理學(xué)家都喜歡新理論，而且還希望能獲得一些實質(zhì)性的不一樣的結(jié)果。但實際上，量子力學(xué)已經(jīng)足夠精確，根本沒有什么解釋不了的實驗結(jié)果等著新理論。 我現(xiàn)在已經(jīng)不是物理學(xué)家了，所以我就把話說穿了吧 —— 現(xiàn)有量子理論的困境，暗示了一個特別大的哲學(xué)問題。新理論的根本任務(wù)是解釋這個哲學(xué)問題。 物理學(xué)家都不愿意談?wù)軐W(xué)，但哲學(xué)最需要的思維工具就是物理學(xué)。 咱們把“平行宇宙”那一套的說法都暫時放在一邊，單論“工具主義者”這派的思想，也就是現(xiàn)有量子理論管不了人的意識。如果這是真的，那事情可就太大了。 量子力學(xué)完全可以解釋計算機。如果只有人的觀測能帶來真正的不確定性，如果量子力學(xué)解釋不了意識，那我們就可以說 —— 從物理學(xué)的角度講，人可能 —— 再次強調(diào)，僅僅是可能 —— 不是計算機。 意識就可能是有用的。自由意志就可能是存在的。那就算到了人工智能時代，機器再怎么厲害，人永遠都有價值。 這就是為什么現(xiàn)在有很多人，包括一些物理學(xué)家在內(nèi)，試圖借助量子力學(xué)研究人的意識。
最后強調(diào)一句，這套說法很容易被濫用，也許某些玄學(xué)家會借此去胡亂解釋一些他喜歡的東西。而他們的解釋很可能都是胡說八道。 撰稿：摘自《精英日課》 
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