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我们欠缺的是对大自然更深刻的了解好

时间:2022-02-18 百科知识 版权反馈
【摘要】:牛顿运动方程式适用于硬币、撞球乃至行星等日常物体,在量子世界中却毫无用武之地。一旦尺度回到我们认知中的牛顿世界,量子世界的诡异现象会在平均之后互相抵销,消失不见,回复到正常的决定论。爱因斯坦不太能接受量子世界的随机性。根据玻姆的理论,量子世界的不可预测性并非出于真正的随机性,而是由于某些我们无法获取的信息,少了这些信息我们就无法做出准确的预测。
量子世界_是否最终有了随机性_悖论破解科学史

量子力学作为次原子世界理论,描述了大自然在最小尺度下所遵循的法则。该尺度下的物理与我们日常生活中的一切有着根本上的不同。我们是在20世纪早期开始发现,一个微观粒子(如电子)的运动不能用牛顿力学来描述。

如果对一颗电子施加某种力,例如启动一个电场,那么理当可以在某种精确度的要求下,找出它一秒钟后的确切位置。但事实是,我们无法做出如此明确的预测,而原因似乎远远不止是因为我们无法获知够精确的初始条件。牛顿运动方程式适用于硬币、撞球乃至行星等日常物体,在量子世界中却毫无用武之地。取而代之的是一套新的自然法则与数学关系式,它们描述一个看似全然随机的微观真实世界。看来我们总算为牛顿与爱因斯坦的宇宙中,听天由命、无从改变的决定论找到解药,因为我们在此看到的是真正的“非决定论”。

正如第二章所述,一个原子可能会进行放射性衰变,释放出一个阿尔发粒子,但我们无法预测它何时发生。根据量子力学的标准诠释,这并非因为我们无法得知所有的必要信息,像稍早所探讨的状况那样。事实证明,我们甚至无法预测原子何时会发生衰变,无论我们将初始条件掌握到多么精确的程度。某种意义上,这是因为原子本身也不知道衰变何时发生。这种不确定性似乎是大自然本身的一种基本特性,在此尺度下,物质表现出非常“难以掌握”的性质。

当然,放射性原子的行为并非全然随机,我们发现当全同原子(identical atoms)为数众多时,它们就会展现出统计平均的性质。某特定元素样品的半数原子完成放射性衰变的时间,称为该元素的半衰期,这个值是一个能够精确测量的物理量,前提是样品够大。

就好像抛掷一枚硬币多次之后,出现正面与反面的概率都会趋近于50%。丢掷硬币的结果之所以会出现概率性质,是由于影响这个命定过程的初始条件造成不可预测性;然而,对于原子而言,量子概率似乎根植于大自然本身,我们永远无法更贴切地描述这些现象,即便在原则上亦然。

于是,问题就变成:这种量子非决定性,是否能把我们从巨观世界中严苛无情的决定论拯救出来,将真正的自由意志还给我们?有些哲学家认为可以。依我的卑微之见,他们错了。有两个原因让我做出这样的宣告:首先,近年来发现,在建立数以兆计原子复杂系统的过程中,量子模糊性与随机性丧失得相当快。一旦尺度回到我们认知中的牛顿世界,量子世界的诡异现象会在平均之后互相抵销,消失不见,回复到正常的决定论。

第二个理由除了是我的个人偏好,也无法排除其可能性。量子力学很可能不是整个理论的全貌,而且诸如放射性衰变这类过程之所以不可预测,的确是由于我们掌握的信息不足。可能我们欠缺的是对大自然更深刻的了解,好让我们预测特定原子何时衰变——即便实际上做不到,至少原则上要可行,正如更了解抛掷硬币的知识让我们可以预测其结果。如此一来,我们可能得在量子力学的范畴之外才找得到解答,或者至少得发展出量子法则的其他诠释才行。

爱因斯坦本人也抱持这种观点,他有句名言,“上帝不会玩骰子。”爱因斯坦不太能接受量子世界的随机性。虽然爱因斯坦版本的论点已经被证明是错的,但还有另外一种量子论的诠释方法与标准版本不相冲突,而且根据这种诠释,次原子世界的行为完全是命定的。它由戴维·玻姆这位物理学家所提出,超过半世纪以来已广为人知。问题在于没有人找得到方法来验证此版本的量子论是否正确,无法确认或否定宇宙即使在次原子尺度依然是命定的。

根据玻姆的理论,量子世界的不可预测性并非出于真正的随机性,而是由于某些我们无法获取的信息,少了这些信息我们就无法做出准确的预测。量子世界之所以不可预测,并非因为我们无法深入测量,也不是因为量子蝴蝶效应以及对于测量精度的敏感性,而是因为我们根本无法在不干扰次原子世界的情况下进行探测。光是“看”电子正在做什么,我们就已经无可避免地改变它的行为,使预测失准。这有点像是要你用手从一杯水底部取出一枚硬币,却不让手指沾湿一样。在玻姆版的量子论里,宇宙中每一个粒子都带有一个支配其运动的量子力场;一旦我们对这个粒子进行量测,就等于破坏了它的力场,因而改变了该粒子的行为。我们仍然不知道这种量子世界的叙述是否正确,而且或许永远都不会知道。


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