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量子物理学与过马路一样毫不神秘:与克里斯·福克斯的对话

根据一种名为QBism的量子解释,不需要平行宇宙或物理学神秘主义。

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“行动”可以是过马路,也可以是进行复杂的量子实验。没有明显的理由说明一种行动与另一种行动有什么不同。图片来源:马克·斯塔夫·布兰德尔

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最近,物理学家肖恩·卡罗尔对量子力学多世界解释的解释让我大开眼界。在这种观点中,我们周围的世界只是众多可能现实中的一个版本。每次发生有多种可能结果的事件时,现实就会分裂成不同的版本。结果是,存在着无数其他现实,其中包含着无数其他版本的你。

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多世界解释背后的思想起源于20世纪50年代物理学家休·埃弗里特三世。尽管当时它几乎没有引起认真的讨论,但多世界解释最近作为一种理解量子系统测量过程中发生的事情的方式,在理论物理学家中获得了越来越多的支持。在许多可能的结果中,我们只能观察到一个实际发生。在埃弗里特主义的观点中,所有其他可能的结果也都会发生——它们只是分支到其他现实中。

然而,并非所有人都觉得多世界解释有用或令人信服。在我研究这个话题时,我联系了马萨诸塞大学波士顿分校的物理学家克里斯·福克斯。他对量子力学有很多直言不讳的看法,所以我决定完整地分享他的评论。特别是,他提供了一种截然不同的量子力学视角,称为量子贝叶斯主义或QBism。

福克斯编写了一本解释其思想的“图画书”(本文中的图片来源)。您可以在此处此处详细了解它们。或者您也可以直接阅读,因为福克斯是一位能干的向导,他将带领您了解他对世界的看法——在这个世界中,每个人——而不仅仅是物理学家——都在持续参与单一现实的创造。

问:您曾撰文批评量子力学的多世界(或埃弗里特主义)解释。它的主要缺点是什么?

答:它的主要缺点很简单:这种解释完全没有内容。我不是在夸大其词或玩弄修辞。这不是说这种解释太难相信,或太不直观,或太离奇,以至于物理学家无法接受真相(还记得电影《好人寥寥》吗?)。只是这种解释实际上根本没有说明任何关于现实的事情。我这样说,尽管所有的科学写作媒体和一些原本声誉良好的物理学家,比如肖恩·卡罗尔,似乎都虔诚地相信这种世界观。

对我来说,最重要的一点是,这种解释不依赖于量子理论数学的任何特定或实际细节。唯一的例外可能是对约翰·冯·诺伊曼在20世纪30年代引入的“量子测量”含义的错误分析,该分析基于将量子态解读为现实态。

问:所以您的立场是,多世界解释没有用,因为它没有约束我们的物理理论?

答:让我稍微技术化一点,以便把话说清楚:如果量子力学是基于实向量空间而不是复向量空间,多世界理论还会成立吗?我会说会。如果量子力学使用不同于张量积的乘积结构,它还会成立吗?会。如果量子力学是非幺正的,即不服从薛定谔方程,它还会成立吗?会。以此类推。甚至可以对经典物理学进行多世界解释——正如多世界解释最严谨的哲学家之一大卫·华莱士,在我参加的一次会议上曾经不情愿地承认的那样。

多世界解释归结为:每当抛掷硬币(或任何过程发生)时,世界就会分裂。但如果不是这样,谁会知道有什么不同呢?这种愿景与物理学的任何细节有什么关系?

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问:那么,您会把多世界解释称作什么呢?您认为它更像是一个关于生命的叙事,而不是对物理学如何运作的有用解释吗?

答:是的,差不多。见鬼,豪尔赫·路易斯·博尔赫斯的短篇小说《交叉小径的花园》早在1941年就写成了,而多世界解释的创始人休·埃弗里特直到1957年才出现。看看这个故事吧。或者思考一下奥拉夫·斯特普尔顿1937年的小说《造星者》中的这段话:

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“每当一个生物面临几种可能的行动方案时,它会全部采纳,从而创造出许多不同的时间维度和不同的宇宙历史。由于宇宙的每个演化序列中都有许多生物,每个生物都不断面临许多可能的方案,而所有可能的方案都是无数的,因此无数个不同的宇宙从这个宇宙中每个时间序列的每个瞬间中爆发出来。”

听起来熟悉吗?这些科幻幻想与物理学无关,这应该给那些认为多世界是量子理论的必要甚至有用的解释的人一个教训。

抛一枚硬币会创造一个全新的宇宙吗?物理学家克里斯·福克斯认为这个想法荒谬至极,就像问一枚硬币它对你的行为有什么期待一样。(图片来源:克里斯·福克斯)

克里斯·福克斯

问:您在哲学层面上也反对多重平行世界的想法,对吗?

答:多世界解释丝毫不依赖于量子理论的细节,在我看来,它更像是一种慰藉性的宗教,而不是其他。它以一种完全宿命论、决定论的宇宙的方式,消除了人类对世界上发生任何事情的责任,尽管它声称通过分支中的不确定性概率来挽救量子物理学的表象。

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我在我的论文《量子贝叶斯主义访谈》中表达了我认为最重要的考量,如果可以的话,我想引用其中的大段内容。

什么才是理解量子力学的最佳解释方案?……这个问题完全是颠倒的。它好像存在着一种叫做量子力学的东西,显露在每个人面前,就像人行道上的一块东西一样。而解释的任务就是找到合适的喷雾来掩盖任何令人不快的味道。通常的解释游戏是,解释总是你添加到预先存在的、普遍公认的量子理论中的东西。

我们忽视的是,物理学作为一门思想学科,是讲故事和写方程之间动态的相互作用。两者都不能独立存在,即使到最后也是如此。但哪一个扮演着更重要的角色呢?如果你问我,是讲故事……一个解释如果能提供指导,那么它就很有力量,我会说最好的解释是它的故事如此强大,以至于它本身就产生了数学形式(非思考部分可以接管)。“解释”应该放在首位;数学(即预先存在的、普遍公认的、每个人在解释之前都以为他们在谈论的东西)应该是次要的。

以多世界解释中几乎空洞的意象为例。如果一个人不知道形式主义,谁能从中推导出复希尔伯特空间的具体结构呢?大多数当今的科学哲学家似乎都没有明白这一点:如果一个解释要成为物理学的一部分,而不是一种自我放纵的仪式……它最好对物理实践本身具有一些实际价值。

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问:这需要理解很多!

答:我在另一篇论文《QBism,量子贝叶斯主义的边界》中更形象地表达了我的观点:“谁能从多世界思想中推导出量子理论的任何结构呢?这有点像试图从蜥蜴被切断的尾巴尖端重新长出蜥蜴:埃弗里特主义的观念最初从未声称自己不仅仅是对形式主义的一种反应。”

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问:这些论文建立在您的另类观点——您称之为量子贝叶斯主义(QBism)——之上。它如何解释量子层面世界中发生的事情?

答:从QBism的角度来看,量子理论的一个很好的比喻是《童子军手册》,而不是《兰德麦克纳利世界地图集》。地图集中的地图试图描绘世界上所有的地点和地形。当然,地图集需要不时更新,但它们在任何给定版本中旨在捕捉的要旨是一种静态的、永恒的实体。(实际上,埃弗里特主义的普遍波函数声称就是这样:世界中“存在什么”的目录。)

《童子军手册》则大不相同。它也反映了世界的一些特征(否则它就不会有任何效力),但只是某些特征。它主要是为了成为我们这些在世界中遨游的人们,无论遇到何种特定的潮流,都能过上更好生活和提高生产力的灵活指南。同样,在QBism中,量子态是数学实体,我们这些在世界中遨游的代理人可以利用它们更好地驾驭其潮流和漩涡。

从这个角度看,量子态不过是概率分配的纲要:如果一个主体对她的外部世界采取这种或那种行动,她可能会体验到什么结果的概率分配。或者用一种不太受欢迎的说法,就是“测量结果”的概率。事实上,对于QBism来说,量子态不像多世界解释中那样是世界上的某个东西。相反,它是使用它的主体头脑中的一个想法。不同的主体甚至可能对同一个量子系统有不同的量子态。

问:量子力学的一个核心谜团通常被这样描述:物体以模糊的“薛定谔波”形式存在,直到被观察,此时它们会塌缩到一个特定的状态。您如何解释这种塌缩?

答:那是QBism绝不会使用的语言的一个例子。“物体以模糊的波的形式存在?”和“塌缩到一个特定的状态?”相反,在QBism中,一个主体——一个观察者——对她对物理系统采取行动的后果(或者,再次用不太受欢迎的语言来说,“测量结果”)抱有一些信念。她对系统采取了一些行动,并注意到后果。这很可能导致她重新评估她对未来可能采取的任何行动的后果的信念。这些重新评估的信念正是新的量子态分配。这就是“塌缩”的全部内容:它是根据一个人的生活经验来改变一个人的预期。如果这就是全部;塌缩就没什么大不了的。

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问:观察者是测量不可或缺的一部分,这似乎仍然很奇怪。

答:QBism的其中一个概念创新是认识到“测量”这个词一直都是对所讨论内容的误称。在量子力学之前,“测量”这个词被潜意识地理解为关于“看”和“寻找”——两者都是被动过程。在20世纪30年代,当量子力学中各种无隐藏变量定理[认为量子测量中没有隐藏的、确定性过程在起作用]开始出现时,许多人开始认为“看和寻找”是行不通的。

这种想法促使他们认为测量就是“观察和创造”。测量既是被动的又是主动的。事物在被观察之前并不存在,但观察却以某种方式使事物产生。如此奇怪!确实,神秘。相比之下,QBism将“测量”理解为代理人对其外部世界采取的行动,关注点在于该行动对代理人产生的后果。

问:这种区别在实际操作中,对于我们理解与周围世界的互动方式意味着什么?

答:这样看,在一个非决定论的宇宙中,测量当然包含创造性成分。因此,测量从某种神秘事物降级为过马路这样世俗的事情:它是我可以采取的、会对我产生影响的行动。这种日常事件与量子光学实验室中发生的事情之间唯一的区别在于,运用量子理论的计算是否有利于做出更好的决策。

行动与经验齐头并进。对福克斯来说,这种联系对于理解我们与量子现实的关系至关重要。(图片来源:马克·斯塔夫·布兰德尔)

马克·斯塔夫·布兰德尔

问:这是我见过的对量子现实最不吓人的描述。但是,您如何想象将量子力学应用于整个宇宙,就像量子宇宙学家试图做的那样?

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答:您在问,一个QBist能做量子宇宙学吗?我假设您之所以这样问,是因为我声称QBism认为量子力学就像《童子军手册》:它是关于更好地预测对我(任何使用它的人)重要的体验,而这,根据定义,涉及我(使用它的同一个人)。因此,量子宇宙学要想存在,我必须像一个可以从宇宙之外对其采取行动的上帝。对吗?

不,当然不是,就像一个11岁的孩子打开《童子军手册》也不是上帝一样。他只是一个孩子,根据现实的特点尽力而为。对于QBism来说,测量仅仅是从世界内部采取行动。测量可以涉及任何事物,从我面前的小东西,到大的东西,比如房间大小的量子计算机,再到完全围绕我的所有事物。最后一种情况就是量子宇宙学,但这种情况没有什么特别之处。

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问:这些讨论总是让我不禁想,这到底是不是真的?什么样的测试可以让你区分多世界解释和QBism,或者证伪其中之一?

答:只要这两种解释都与量子理论的理解保持一致,就无法通过实验测试来区分它们。事后看来,任何一种观点都可以解释任何可以用量子力学语言提出的实验。

但这都是事后诸葛亮。那么事前呢?这就是解释之间可能出现测试的地方,但它纯粹是实用主义的测试:哪种解释在物理学中促进或提出了最多的新问题,包括概念性和数学性的?哪种解释在解决独立于任何解释关注的各种现有物理问题方面提供了更多指导?

这些才是真正在现实世界中,而不是在教堂长凳上,产生影响的区分标志。我很自豪地说,通往QBism的道路以这种方式在量子信息理论中取得了相当多的成果,而我真的不相信多世界解释也是如此。我曾问量子计算的创始人之一丹尼尔·西蒙,埃弗里特的量子力学解释是否帮助他找到了他现在著名的量子算法。他的回答至今仍让我发笑:“埃弗里特?埃弗里特是谁?他的解释又是什么?”

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