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客座文章:Terry Rudolph 论先天与后天

探讨量子力学波函数是真实存在还是仅仅一个计算工具,其中包含泰瑞·鲁道夫在学术出版生涯中的见解。

作者:Sean Carroll
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人们总是想知道量子力学的波函数是“真实存在的事物”还是我们用来计算测量某种结果概率的工具。在CV(Cosmic Variance)上,我们甚至就此问题举办过一场辩论,辩论双方是工具主义者汤姆·班克斯实在论者大卫·华莱士。在后一篇博文中,我链接到了一篇关于此问题的最近的预印本,其中证明了一个非常有趣的定理,似乎支持了“波函数是真实的”一方的观点。该预印本被提交给了《自然》杂志,但最终未能发表(尽管它最终发表在了《自然物理学》上)。为什么这样一个重要的结果被从最初提交的期刊中剔除(就像彼得·希格斯首次提及希格斯玻色子的论文一样!),这个故事本身就很有趣。以下是原始论文的作者之一泰瑞·鲁道夫讲述的故事。泰瑞是伦敦帝国理工学院的理论物理学家,他“对任何前面带有‘量子’字样的东西都感兴趣”。------------------------ 学术出版过程很慢,但仍然是我们证明研究质量的方法,而预印本服务器(如arxiv)则可以即时发布研究成果,后者几乎没有任何认证。这是一个有趣的(尽管纯粹是经验性的)观察,即理论性和抽象性越强的领域,研究成果优先权——即研究成果被视为何时被时间戳记——越可能取决于论文首次出现在互联网上的时间,而不是首次提交或被期刊接受的时间。对此没有规则,这仅仅是社区接受的问题。在学术出版的顶端,期刊接收来自极其多样化的科学界的研究论文,顶尖期刊需要通过的技术质量之外的东西进行筛选——它们还想要高影响力的论文,这些论文具有广泛而普遍的兴趣,能够吸引跨越不同科学领域乃至广大公众的注意力。因此,它们有必要在所发表的内容上行使相当大的编辑自由裁量权。因此,诸如如何克服编辑的阻碍以及将论文发布在预印本上是否会对其在高水平期刊上的发表机会产生负面影响等话题,是大多数会议晚宴上的谈资。事实上,《自然》杂志关于预印本的政策在过去十年中已发生了相当大的变化,官方现在表示发布预印本是可以的。但真是这样吗?而编辑的自由裁量权是否不仅仅是明显的第一个障碍——即让编辑将论文发送给审稿人?如果你是一名没有在高水平期刊发表经验的年轻科学家(很不幸,我只有两种经历中的一种!),那么接下来的案例研究可能会让你有所思考。去年11月,在同事的压力下,我和我的合著者将我们当时题为《量子态不能被统计解释》的论文发布到了arXiv上。我们最近已经将其提交给了《自然》杂志,因为量子理论基础中的新定理非常罕见,而且量子态是横跨物理学、化学和生物学的对象——因此似乎适合广泛的读者。由于我曾多次听说过发布预印本的危险,我写信给编辑,以确认这是否真的可以。我们被告知可以继续,但不要主动参与或征求预发布宣传或媒体报道;然而,与同行讨论、在会议上展示等是可以的。基于预印本,《自然》杂志随后发布了一篇有些过度炒作的科普文章;我曾多次请求该记者在论文状态确定后再发布,但徒劳无功。我们试图避免随之而来的争论——在博客上讨论你的论文是与同行讨论还是公开宣传你的作品?12月,三份审稿意见回来了。两份非常积极且全面(其中一份比论文还长!),负面意见则显得很愚蠢。编辑选择忽略了负面意见,我们很高兴地收到通知:

您的题为“量子态不能被统计解释”的手稿已由我们的审稿人审阅,根据他们的建议(附后),我很高兴地说,原则上我们可以为您提供发表。

然后,我们开始根据审稿人的建议对论文进行了大量修改,鉴于我们遇到的结果的多重误读,这显然是必要的。现在,有趣的事情开始了。在修改过程中,我们中的两人与另一名学生一起在arXiv上发布了一篇预印本,这篇论文的标题有点开玩笑地与前者相反:《量子态可以被统计解释》。稍后我将更仔细地解释这两篇论文之间的物理学联系。目前,我将概述出版过程中意想不到的联系。几周后,我们重新提交了第一篇论文——修改后的版本沿着马特·莱弗的讨论的思路解释了该结果。它被送回给之前积极评价的两名审稿人,他们的意见是:

作者已经按照我推荐的修改。信件现在读起来很好。因此,我很高兴支持在《自然》杂志上发表这封有趣的信。

我认为这篇论文得到了实质性的改进,对普通读者和量子力学隐藏变量模型的专家来说都更加易于理解。特别是,关键假设——即量子力学之下存在一种与状态相关的本体论和制备独立性——得到了更清晰的阐述,这是一个重大改进。

因此,我们对编辑的决定感到相当困惑:

虽然我们承认这篇新论文并未否定您在《自然》杂志上提交的论文结果,但我们认为它仍然大大降低了其影响力。从某种意义上说,《自然》杂志上的论文只讲述了一方面。如果其中一个关键假设被放弃,其核心主张就不再成立。这些论文在社区中引发的讨论毫无疑问证明了它们对专业人士的价值;然而,在我们看来,没有了引人注目的理由在《自然》杂志上发表这篇初步研究。

让我简要解释一下编辑提到的“关键假设”背后的有趣科学。我将这个假设称为制备独立性。假设一个实验室的实验重现了另一个实验室早期实验的结果。这理应被称为对第一个实验室结果的“独立”验证。没有科学家会试图通过诉诸于两个实验室之间的随机事件的相关性来反驳这一点,因为没有实际的机制能够建立这种相关性。即使在单个实验室中,为了根据结果估算概率,也必须假定重复实验的运行是独立的。制备独立性仅仅是这样一种假设:我们能够构建独立、不相关的实验装置,作为微观系统的制备设备,并且任何比量子理论更深的自然理论都不会因为“隐藏的超相关性”而推翻这一原则,而迄今为止科学家们一直成功地假设不存在这种超相关性。我们证明的定理——即量子态不能仅仅被理解为对由尚未发现的更深层理论所描述的潜在更深层现实的知识缺乏——就假定了制备独立性。重要的是要认识到这个假设对于该定理是必不可少的,而我们第二篇论文的重点是明确地展示这一点。然而,这篇后续论文仅仅是提出了一个数学/逻辑上的观点——它并不是一个关于物理世界如何运作的严肃提议。我们与贝尔定理处于类似的位置,我认为这是上个世纪对物理实在性质最重要的洞见,一个有几个严肃竞争者的荣誉!该定理依赖于在分离位置做出独立测量选择的假定能力。否认这一点是“超决定论”漏洞,而且虽然聪明人可以也确实会考虑其可能性,并且虽然认识到该假设对于贝尔定理的必要性是一个重要的洞见,但(尽管有't Hooft的努力)关于一个同意迄今为止所有实验的超决定论理论是否能够被构建,更不用说它是一个合理的自然理论,这一点仍然悬而未决。否认制备独立性或援引超决定论,就质疑了迄今为止所有科学研究的基本方法。我相信,大多数物理学家会认为“疗法”(看似无关事件之间极其复杂的关联导致了对现实性质的阴谋论解释)比“疾病”(贝尔定理中的非局域性,以及我们的量子态的实在性)更糟糕。如果我们的定理因为制备独立性假设失败而失效,那么这将是对自然的一个比定理本身所提供的更令人惊叹的洞见。所以,我们当然回应了编辑,提出了这些观点。但在又经过两周的考虑后(我推测这涉及到与专家的对话,但我们从未被告知),编辑确认他们仍然认为第二篇论文削弱了第一篇论文的影响力,而且这篇论文只适合更专业的期刊。然而,他们也表示:

此外,从编辑的角度来看,我们很难看出此时在《自然》杂志上发表这篇论文能取得什么成就(我们不禁觉得它的及时性和影响力现在已大大降低,因为它已经在社区中得到了广泛的讨论)。

简单地说,嗡嗡声很重要——如果不是因为我们将其发布到了arXiv上,编辑就不会提出这个反对意见。虽然我自己的参与到这场“广泛讨论”中受到了他们自己模糊政策的限制,这让我感到有些恼火,但我并不特别对这次事件感到沮丧——这可能表明了我自己众所周知的对出版的放任态度,但也可能因为我知道最终的结果比它发表在哪本期刊更重要。但有一点是肯定的——今年发表在《自然》杂志上的每一篇论文都将隐含地做出独立的制备和独立的实验验证是可能的这一假设。那些论文的作者将足够聪明,不会明确说出来!(顺便说一句,这篇论文现在发表在了《自然物理学》上,并且是《自然》杂志第二篇新闻报道的主题!)

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