蝴蝶效应与延迟实验

蝴蝶效应与延迟实验

1986年，刚刚将剑桥大学卢卡斯数学教授（牛顿昔日头衔）席位传递给史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）的著名现代流体力学专家麦克尔·詹姆斯·莱希尔爵士（Sir Michael James Lighthill）应英国皇家科学院之邀出席纪念《自然哲学的数学原理》发表300周年的皇家科学院集会。这位老者在这次集会上留下了轰动一时的“科学家道歉演讲”：

现代著名物理学家史蒂芬·霍金

现在我们都深深意识到，我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样崇拜，以至于他们将其总结为一种可预言自然变化的系统。而且，说实话，我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法。但现在我们已经知道这个说法是错误的。我们在1960年以前误导过公众，向他们宣传说：满足牛顿运动定律的系统就是决定性的。但是在1960年以后，这样的说法已被证明为不真实。我们科学界愿意在此向公众们道歉。(www.guayunfan.com)科学家们意识到他们自己不可能全然掌握这个世界的规律肇始于沃尔纳·海森堡那套“测不准原理”；而后又受到了库尔特·哥德尔“不完备性定理”的“内部打击”；当然，最后一次足以致命的“混沌轰炸”来自于爱德华·诺顿·洛仑兹（Edward Norton Lorenz）教授在20世纪六七十年代提出的“蝴蝶效应”（The Butterfly Effect）。

爱德华·洛仑兹原本是美国麻省理工学院的一名气象学家。他的工作就是用计算机和一系列需要不断修正的数学工具尝试尽可能准确地预报天气。这项研究在当时的科学家看来虽然还没有太过成功的历史先例，但至少也不会成为人类在征服自然途中的绊脚石。然而就在1961年冬季的一天，这名气象学家发现了“诡异的事”。

在完成了一次模拟计算之后，洛仑兹决定享受一杯下午茶。离开实验室之前，他认为应该让计算机在他本人休息之时继续保持工作，进行几轮验算。于是他便将第一轮运算的某个中间结果的输出值0.506127按照打印输出值0.506（机器仅能打印出小数点后第三位）输入了计算机，然后直奔咖啡馆而去。

大约一个多小时后，洛仑兹回到了办公室。他惊讶地发现：验算的结果竟然和第一轮运算千差万别！输出值在计算机屏幕上显现出的模拟曲线酷似一只正在扇动翅膀的蝴蝶，与第一轮计算中所呈现的标准而呆板的天气预报模拟曲线形成了极其鲜明的对比！洛仑兹一时不知道该如何是好。他怀疑自己是否做错了些什么。当他回想起自己的两次操作过程仅有的区别就是第二次操作中选择了相差不足千分之一的打印输出值而非精确值的时候，洛仑兹认为自己有必要再做几次验算：难道说微乎其微的原始差别真的能导致如此巨大的结论性差异吗？或者仅是自己的疏忽和计算程序的故障？……

“蝴蝶效应”示意图

数轮验算的结果都和之前的异象完全一致。于是洛仑兹意识到自己发现了某些伟大的事情。他将具体情况进行了严肃总结，并于两年后发表了一篇专门探讨此类现象的论文。洛仑兹在其论文中指出：若该理论被证明成立，那么一只海鸥扇动翅膀足以永远改变气候（事实上“蝴蝶效应”最开始被洛仑兹称为“海鸥效应”）！

和大多数伟大发现所遭受的待遇一模一样，“海鸥效应”并没有受到知识分子的欣赏。好几家著名的科学杂志社甚至拒绝洛仑兹发表其后续性论文的请求。自信满满的科学家们不愿意接受这种“暗示着人类永远不可能准确地认识世界的荒谬理论”。所幸这场智慧的悲剧并未持续太久。在此后十年中，越来越多所谓的科学家终于意识到了洛仑兹这项伟大发现所隐含的深意。洛仑兹亦成为了学术界的明星。1979年12月29日，洛仑兹应邀在华盛顿为美国科学促进协会做一次有关于“海鸥效应”的科普性演讲。在这次演讲当中，洛仑兹将“海鸥效应”赋予了更富有诗意的新名字：蝴蝶效应。他向在场观众做出了一个已经载入人类文明史册的著名学术比喻：

一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以在一个月之后导致美国得克萨斯州的一场龙卷风。

（The flap of a butterfly’s wings in Brazil set off a tornado in Texas one month later.）

“蝴蝶效应”的发现使得人类第一次意识到我们所生活的世界竟然如此复杂。哪怕只是最简单的起始误差，也足以让理性推导的过程和结果彻底偏离解读真理的航向。这个宇宙之所以显得有活力，就在于其不可预测。期待通过数学逻辑和造物主平起平坐的科学家们不过是在梦想当中的规律世界凝视着蝴蝶煽动的翅膀。而这只惑人的蝴蝶绝不会仅停留在气象预报学的领域：世间所有复杂系统，小到一个单核细胞，大到无垠的宇宙，事实上都在蝴蝶振翅的影响之下。以“蝴蝶效应”为基础的混沌学如今已然发展成为一种广义原理；人类和宇宙演化过程中的一切都遵循这条美妙的定律：

对于一切复杂系统，在一定阈值条件下，其长时期、大范围的未来行为对初始条件的微小变动或是偏差将会表现得极为敏感。即初始条件稍有变动，就将导致未来前景的巨大差异，而这些差异往往难以预测，或者说是带有一定的偶然性。

就在洛仑兹赋予“海鸥效应”以全新名字的这一年，1979年，普林斯顿大学召开了一次纪念爱因斯坦诞生一百周年的学术大会。在此次物理学盛会上，爱因斯坦和玻尔昔日的亲密合作者约翰·惠勒（John Wheeler）抛出了一个震惊学界的量子物理学实验构想——大名鼎鼎的“延迟实验”（Delayed Choice Experiment）。该实验的大体意思是：在微观粒子进行双缝干涉实验之时，实验观察者可以通过某些技术手段使得人们在实验结束之后再行“决定”粒子在实验当中究竟通过了哪条干涉缝！借助更加通俗的语言来表达：即在某事件发生以后，人类的观察还可以“延迟决定”此事的具体发生方式！曹天元在他那本获得国家图书馆文津图书奖的科普作品《量子物理史话》中如此评价道：

虽然听上去古怪，但这却是哥本哈根学派的一个正统推论！惠勒后来引玻尔的话说：“任何一种基本量子现象只有在其被记录之后才是一种现象！”我们是在光子上路之前还是途中来做出决定，这在量子实验中是没有区别的。历史不是确定和实在的——除非它已经被记录下来。我们不能改变过去发生的事实，但我们可以延迟决定过去“应当”怎样发生。因为直到我们决定怎样观测之前，“历史”实际上还没有在现实中发生过！……

这样一来，宇宙本身由一个有意识的观测者创造出来也不是什么不可能的事情。虽然宇宙的行为在道理上讲已经演化了几百亿年，但某种“延迟”使得它直到被一个高级生物所观察才成为确定。我们的观察行为本身参与了宇宙的创造过程！……

就算从哥本哈根解释本身而言，“意识”似乎也走得太远了。大多数“主流”的物理学家仍然小心谨慎地对待这一问题，持有一种更为“正统”的哥本哈根观点。然而所谓的“正统观念”其实是一种鸵鸟政策，它实际上就是把这个问题抛在一边，简单地假设波函数一观测就坍缩，而对它如何坍缩，何时坍缩，为什么会坍缩不闻不问。量子论只要在实际中管用就行了，我们更为关心的是一些实际问题，而不是这种玄之又玄的阐述！

曹天元大概是带着讽刺口吻吧！科学家宁可错失背后的真相也不愿意和意识“有染”！从某种意义而言，这主要是因为科学家习惯性地以为宗教所讲述的一切都是理性的敌人。然而坚守着所谓的科学理性真的有那么重要吗？理性究竟是什么？理性又究竟可不可靠？科学家似乎很少会提出类似的疑问。其实理性仅是一场幻觉而已。