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為什么自由意志和量子理論不可調和?一個深刻的數學哲學問題

更新時間:2023-09-09 文章作者:佚名 信息來源:網絡整理 閱讀次數:

我給你留了條信息。你曉得這條信息的到來。你不會理解它,除非你問我。信息是頓時從我這兒傳給你的。它不是通過無線電或光纖線纜以光速傳遞的(它是即時的)。直至1935年,阿爾伯特·愛因斯坦發表了一篇驚艷量子化學學家的論文。nki物理好資源網(原物理ok網)

這個問題就是糾纏。這篇論文的題目是"量子熱學對化學現實的描述能被覺得是完整的嗎?"nki物理好資源網(原物理ok網)

糾纏是一個很難理解的話題,雖然對化學學家來說也是這么。它是這么困難,以至于花了幾六年的時間來確定它究竟是哪些以及它的原理是哪些。雖然這么,沒有人曉得它意味著哪些。nki物理好資源網(原物理ok網)

糾纏來自于數學學中的守恒定理。這種定理告訴我們,個別數目必須相乘。能量、動量、角動量和電荷不能遺失或找到。這種守恒定理是絕對的,但量子化學學給了粒子回旋的余地,當有一個以上的粒子參與時,它們怎樣遵循這種定理。這就是粒子是怎樣被糾纏的。nki物理好資源網(原物理ok網)

守恒量是成對的互補屬性。你可以在單個粒子的單一實驗中檢測一個,但不能檢測另一個。比如,你不能同時檢測一個粒子的位置和動量。假如你據說過海森堡的不確定性原理,那就是這個看法,但不確定性是理解它的一個壞方式。它讓人感覺問題出在你的檢測儀器上。但真正的問題是現實。nki物理好資源網(原物理ok網)

粒子有一個稱作載流子的屬性,也就是它們的角動量。對于像電子這樣的大質量粒子來說,載流子有三個組成部份,我們稱之為x、y和z,光子只有兩個,x和z。載流子是互補的屬性。但事實證明,假如有糾纏在一起的粒子,你可以同時曉得這兩個載流子。nki物理好資源網(原物理ok網)

假定你打算一個實驗,形成兩個光子,使它們必須具有相反的載流子,即A和B,你可能從一個質子的衰變中得到。因為你不曉得每位光子有哪些載流子,你須要檢測它,但你只能檢測每位光子的x或z份量。辛運的是,假如你檢測A的x和B的z,你可以推測出A的z和B的x是相反的。這是由于這兩個光子是糾纏在一起的。諸如,假如A的x是"上",B的z是"右",這么B的x是"下",A的z是"左"。nki物理好資源網(原物理ok網)

1935年,一些化學學家覺得這好像違背了海森堡原理,但它沒有,愛因斯坦也曉得。按照量子化學學,當這兩個光子移開時,它們依然是糾纏的,如同它們是兩個不同位置的單一粒子。更糟的是,在檢測載流子之前,這種粒子并沒有一個明晰的載流子值。nki物理好資源網(原物理ok網)

關于宇宙的本質,愛因斯坦有兩種根深蒂固的信念:位置性和現實主義(and),而量子理論雖然違反了這兩種信念。nki物理好資源網(原物理ok網)

位置性意味著每件發生的事情都發生在一個特定的時間和一個特定的地點。一件事不可能發生在兩個地方。而兩件事情只能以光速或比光速慢的速率傳播訊號,而不是即時的。nki物理好資源網(原物理ok網)

現實主義意味著,宇宙中所有可以檢測的東西在被檢測之前都有一個確定的狀態。換句話說量子物理定義,假如我檢測一個粒子有一個特定的載流子,這么在我檢測它之前,它一定有這個載流子。nki物理好資源網(原物理ok網)

愛因斯坦堅持覺得,量子化學學只有滿足這兩個標準才算完整。但偉大的量子化學學家玻爾和海森堡并不同意。海森堡是顯著的反現實主義者,而玻爾不一定是反現實主義者,但他認現實既取決于觀察者,也取決于被觀察者,所以他對從同一粒子的不同種類的實驗中得到不同的結果不倍感欣慰。nki物理好資源網(原物理ok網)

以下是糾纏是怎樣違背愛因斯坦的信念的。nki物理好資源網(原物理ok網)

違背現實主義nki物理好資源網(原物理ok網)

依照量子理論,光子A和光子B在被檢測之前并沒有明晰的載流子。相反,它們有一系列可能的載流子被編碼在一個稱作波函數的實體中,并且,因為它們的載流子是相反的,一個載流子必須決定另一個。但是,當你檢測載流子時,它就弄成了確定的、不可改變的。因而,在檢測之前,它并不成為"真實"。nki物理好資源網(原物理ok網)

違背位置性nki物理好資源網(原物理ok網)

當我們檢測光子A的載流子時,它手動決定了你將在光子B處檢測的東西。在光子A處檢測的東西好像被頓時傳送到光子B處,因而它既"曉得"它應當是哪些載流子,又曉得進行了何種檢測。這些知識并沒有給進行檢測的人帶來任何新的信息,但若果不引述某種信息傳遞,就不可能在標準量子理論中解釋實驗。nki物理好資源網(原物理ok網)

你可以通過觀察你的載流子偵測器之間的角度怎么影響你在每位光子上的檢測結果來量化它。假如你檢測兩個光子的x和x,你的角度是0或180度。假如你檢測x和z,它是90或270。但若果你在x和z之間檢測,它可能是30或45或其他一些數字。nki物理好資源網(原物理ok網)

假如沒有信息傳遞,你會期望在不同角度的檢測服從下邊的紅線,即角度之間的完全線性相關。當你的偵測器平行或垂直時,你可以佯裝信息沒有轉移,由于藍線和紅線在這種角度交叉。但在其他情況下,相關關系是非線性的,這意味著信息必須被轉移,除了是關于被檢測的東西,并且是怎樣被檢測的。nki物理好資源網(原物理ok網)

在量子場理論中,這些信息轉移發生在所有的時間和空間,從大爆燃到時間的盡頭,從月球到空間的盡頭,假如有這些東西的話。nki物理好資源網(原物理ok網)

多世界解釋nki物理好資源網(原物理ok網)

你可以通過多世界解釋來解決這種問題:比如,你可以通過說粒子載流子的每位值作為一個明晰的值存在于多元宇宙中該粒子的一個副本中,來恢復現實主義和位置性。從一個光子到另一個光子的表面信息傳輸是一種幻覺。相反,你——意思是你的一個副本,早已被分割到一個特定的宇宙中,在那兒它看上去是這樣的。這很容易理解,但很難相信。nki物理好資源網(原物理ok網)

對量子理論的更改nki物理好資源網(原物理ok網)

你也可以通過更改量子理論來恢復現實主義和位置性,但并不容易。nki物理好資源網(原物理ok網)

比如,大衛-博姆(DavidBohm)引入了導引波來引導粒子并為它們進行交流,這恢復了現實主義,但沒有恢復位置性。還有許多其他的變種和新解釋。大多數早已不這么流行了。nki物理好資源網(原物理ok網)

更改量子理論如同玩火,你常常會被凍傷。量子理論其實是一個有100年歷史的大樓量子物理定義,是有史以來最成功的數學理論。幾乎所有的更改都給宇宙引入了一些隨機性的誘因。也都無法恢復位置性。nki物理好資源網(原物理ok網)

從直覺容縣審視子理論是很難的。愛因斯坦的相對論沒有發揮作用,也會形成問題。一旦你過渡到量子場論,這些修飾所依賴的許多假定都會消失。像博姆的理論就開始崩潰了。nki物理好資源網(原物理ok網)

怎么直觀地思索糾纏問題nki物理好資源網(原物理ok網)

想像一下,有一個上帝視角?;氐郊m纏的光子上,想像一下,它的載流子是一個小箭頭,垂直于它的運動。箭頭隨機地、不連續地聯通著。nki物理好資源網(原物理ok網)

如今你看光子B以光速向相反方向聯通。它也有一個箭頭在隨機地聯通。奇怪的是,每每光子A的箭頭聯通到別的地方時,光子B的箭頭都會頓時聯通到相反的方向上。無論它們之間的距離有多少光年,箭頭就會彼此同步聯通。這就好象它們是一個粒子在兩個地方。nki物理好資源網(原物理ok網)

你能想像這些情況發生的惟一方式是它們以某種形式聯接在一起,要么是通過一個容許瞬時通訊的指導性波函數,要么是宇宙的本質所包含的東西。nki物理好資源網(原物理ok網)

擴充的位置性nki物理好資源網(原物理ok網)

假定我們再看一下位置性,并企圖擴大我們對它的定義。從四維角度看光子。想像一下每位光子的路徑。二者共同產生一個單一的結構。這個結構不是一個點結構,而是一組線(稱為世界線)。有兩條線在光子成為糾纏的空間和時間上的一個點上相連。nki物理好資源網(原物理ok網)

假定這種世界線是真正的粒子,不是時間和空間的點,而是穿過時間和空間的線。而這種粒子還能順著這種世界線交流,回到它們的原點,回到時間中。假如是這樣的話,這么這種糾纏的粒子還能"頓時"分享信息也就說得通了,由于它們是通過時間進行交流,順著世界線調和它們的狀態。nki物理好資源網(原物理ok網)

假如我們把位置性定義為聯接的世界線,而不是發生在點上的風波,這么糾纏就不再違背它了。并且,因為信息不能從光子A傳遞到光子B,它也不違背因果性。(你不能把信息送回過去或比光速快,由于兩個光子共享的所有"信息"都是隨機的)。)另一方面,兩條不相連的線不能被糾纏,除非它們被第三條線聯接。nki物理好資源網(原物理ok網)

坍縮的位置性nki物理好資源網(原物理ok網)

但是,量子場理論將這種粒子表示為簡單地輸入到一個跨越所有時間和空間的巨大的場集。這個場聯接了宇宙中所有還能互相作用的粒子。這意味著我們必須擴大我們的世界線的概念,以包括場,但辛運的是世界線是四維場的一維版本。因而,我們對位置性的定義一直創立,但如今囊括了所有的時間和空間!這意味著我們必須擴大我們的世界線概念,以包括場。nki物理好資源網(原物理ok網)

有了這個補充,作為一個概念,位置性就崩潰了,但所有東西都是位置性的。倘若不進一步更改量子場理論,它就顯得毫無意義。nki物理好資源網(原物理ok網)

自由意志與位置性nki物理好資源網(原物理ok網)

在這個位置性的問題上有一個漏洞。量子理論表明,實驗之間存在著相關性,這表明關于正在進行的實驗的信息正在被即時傳送。并且,假如宇宙在一開始就早已曉得這種實驗和它們的結果呢?nki物理好資源網(原物理ok網)

超決定論覺得,這些奇怪的相關曲線是在大爆燃時所有物質之間發生的相關關系的結果。物質從來沒有不相關的,包括構成你和我的物質。信息的傳播速率不比光快。它一開始就在哪里,由于我們選擇做的任何事情都是不確定的。nki物理好資源網(原物理ok網)

雖然量子場理論看上去在每位時刻都聯接著所有的時間和空間,那也是一種幻覺。時間和空間中的所有事物都是聯系在一起的,由于它們都是在時間的開始就被預先確定的。nki物理好資源網(原物理ok網)

擴充的現實主義nki物理好資源網(原物理ok網)

愛因斯坦不喜歡隨機性,但不幸的是,隨機性是量子化學學的核心所在。假如你把現實主義擴充到包括隨機的波動值,這么就不再有問題了。nki物理好資源網(原物理ok網)

量子物理告訴我們,粒子有一個描述其狀態的波函數,但沒人見過波函數。我們不妨假定粒子的狀態在傳播過程中是隨機波動的。當我們檢測粒寅時,這如同擲色子。我們偶然落在其中一個可能的數值上。nki物理好資源網(原物理ok網)

但是,為了使隨機性發揮作用,粒子的世界線又必須被調用。世界線作為一個整體是隨機的,而不是粒子從一個時間到另一個時間的狀態。這就是量子和精典隨機性之間的區別。你可以想像拋出一組色子,不是在光子傳播的每一刻,而是只拋一次,以確定光子從發射到偵測的整個歷史。一旦這種色子被拋出,光子在其整個歷史中可以有一個確定的狀態。nki物理好資源網(原物理ok網)

然而色子是哪些時侯擲出的呢?是在你偵測到光子的時侯還是在宇宙的開始?在這三者之間嗎?我們所檢測的東西何時成為現實?nki物理好資源網(原物理ok網)

現實主義與自由意志nki物理好資源網(原物理ok網)

只要色子是在發射時或發射前拋出的,我們就可以說現實主義肯定是恢復了。要做到這一點,粒子必須"曉得"它將會發生哪些。nki物理好資源網(原物理ok網)

假如色子是在偵測時而不是在發射時擲出,這么自由意志是可能的,但現實主義的基礎是不穩固的。我們能說過去的東西基于未來的風波而成為現實嗎?這是一個比我們希望的更弱的現實主義定義,由于它意味著在光子被偵測到之前,沒有現實。nki物理好資源網(原物理ok網)

到了量子場理論,我們把一維世界線擴充到四維場。因為場互相作用的形式,我們最終發覺整個宇宙的過去和未來都是隨機的、相互聯系的,包括我們。nki物理好資源網(原物理ok網)

如今,我們沒有辦法甩掉它了。每一個觀察和檢測都是在大爆燃時預先確定的,但真實的或只有在時間的盡頭才確定。生活可能對你來說是真實的,而且,假如你想要自由意志,你必須把現實交易掉,讓你的生活成為一場夢,直至每位粒子的每一次互動都得到解決。nki物理好資源網(原物理ok網)

推論nki物理好資源網(原物理ok網)

還有其他防止自由意志問題的解釋,但它們涉及額外的維度或宇宙。倘若我們能找到這種證據,這可能會回答一些深刻的哲學以及科學問題。nki物理好資源網(原物理ok網)

另一個驚人的推論是,我們可能早已理解了量子理論。我們只是不樂意接受這些暗示。假如我們有自由意志,量子理論就沒有意義了。假如現實是超決定的,這么量子理論確實有意義,愛因斯坦的位置性和現實主義得到恢復,但我們沒有自由意志。nki物理好資源網(原物理ok網)

相信哪些是你的選擇。但話說回去,恐怕不是這樣的。nki物理好資源網(原物理ok網)

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