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量子力学揭示的世界本质
似是故人来。“即使在理论上，我们也无法获得一个电子的不在场证明！”——赫尔曼·韦尔，《群理论和量子力学》（1950）不知道大家有没有听过下面这个故事？法国西南部比利牛斯山山麓有一个名叫阿尔蒂加的小村庄，村里生活着一个名叫马丁·盖尔的人，他有一位新婚妻子，还有刚出生的幼子。1548年，马丁·盖尔被他的亲生父母指控偷窃，随后便离家出走。八年后，他的双亲过世，盖尔回到村中，与家人团聚。又过了三年，盖尔和妻子贝特兰黛有了另两个孩子。一切都很顺利，直到有一天，一名外籍士兵出现在小镇上，他指控这名回家的男子并不是真正的马丁·盖尔，而是一名冒名顶替者，他的真名是阿雷诺·杜·汀。指控者声称他曾与盖尔在西班牙军中并肩作战，盖尔在一次战役中失去了一条腿。贝特兰黛对这个指控无动于衷，相信与她生活在一起的这个男人就是她丈夫。但是不久后，盖尔的叔叔和贝特兰黛的继父站到了这名外籍士兵一边，指控这个男人假冒盖尔的身份，并把他送上了审判台。假如电子能够加以区分，一切都会陷入混沌。这是一个耳熟能详的故事——它拍过电影，写过音乐，编入过历史小说和电视系列片——因为它击中了我们的神经：假如我们的身份识别出现问题会怎样。我们如何才能认出谁是谁，即使他是我们身边的人？我们怎样才能确信我们是谁？在一个变化着的世界里，身份识别又意味着什么？早期的哲学家有他们的答案：每个人都有独立的灵魂，我们的身体不过是被看不见的自我操控的提线木偶。但科学不这么认为，科学要在我们体内找到可供识别的东西：显微镜下，科学家追逐着还原论者的梦想。肯定有什么能够让我们加以区别。那应该是一种不折不扣的，由分子和原子构建的基础性标志。而这条路，其实并不怎么可靠。假如站在被告席上的不是盖尔：他的脸，他的皮肤，他的毛孔，直至他最基本的构成，比如：电子？这是盖尔的基本结构之一。假如我们审判的是一堆电子，情况又当怎样？真爱？：杰拉德·德帕迪约和娜塔莉·贝在1982年的电影中，演绎了马丁·盖尔和他妻子贝特兰黛的故事。德帕迪约扮演了假冒的盖尔。Jacky COOLEN / Gamma-Rapho（华盖创意）也许我们可以嘲笑审讯基本粒子的古怪行为。也许我们可以对此加以讽刺。但让我们先忘掉这一切。气氛紧张。被告背负着严重的欺诈指控。让我们看看接下去会怎样。法官挥舞着木槌试图让法庭保持秩序。十二位陪审员正襟危坐。被告坐立不安，辩护律师和拙劣的素描像让他倍感失望。电子，所有电子，作为基本粒子的一种，是没有子结构的。盖尔由分子构成，分子由原子构成，原子由基本粒子构成。而到了基本粒子这里，就无法继续细分了，它们由“无”构成。它们是物质世界的基本材料。电子就是一个点，不占任何空间。每个电子只有三个属性，质量、自旋和电荷。在空间上它容不下更多的属性。什么意思？每个电子都是其它电子的精确影像，它们没有丝毫的区别。和复合的宏观物体，比如盖尔，或我们在生活中体验到的其它物体不同，电子不仅仅是彼此相像，它们在本质上是完全相同的。它们可以互相替换，除了“电子”这个标签，没有别的属性。这就会导致一种奇特的结果。比如我们有两个基本粒子A和B，以及两个盒子。假如我们知道这些粒子在特定时间内必然存在于一个或两个盒子里。如果A和B虽然相似但有区别，就存在以下几种可能：A在盒子
1、B在盒子2，A和B都在盒子1，A和B都在盒子2，B在盒子
1、A在盒子2。规则告诉我们，总共存在四种不同的可能性。但是如果粒子A和粒子B是完全相同的，我们的思考方式就会非常奇特，A在盒子
1、B在盒子2，与B在盒子
1、A在盒子2是没有区别的。原本不同的两个场景实际上是同一个。因此所有可能性加起来只有三种。实验也确认，我们的微观世界遵循这种三分之一的统计结果。在微观世界，用同伙交换被告，对于这个宇宙来说没有什么不同，对于我们来说当然也一样。辩方得一分。为了进一步阐明观点，辩方律师请求专家证人出庭。这位证人名为弗兰克·维尔切克，是麻省理工学院的理论物理学家。为了确认他的专家身份，法庭陈述了维尔切克的资质：出版过不计其数的书籍和科学论文，有一张冗长的获奖清单。“哦，”律师微笑道，“还有诺贝尔奖。”检察官流露出一点点吝啬的敬意。“维尔切克博士，”辩方律师开始询问。“你曾经说过量子场理论中有一个意义最为深远的成果。你能当庭复述吗？”物理学家靠近话筒。“电子是无法加以区分的，”他说。不可区分，证据确凿。三选一的直接结果是干涉。干涉泄露了电子的秘密，维尔切克解释说。通过观察，我们发现电子是一个粒子；但是如果我们没有观察，电子只是一道波。一旦两道波叠加在一起，它们就会发生干涉，它们互相对齐，波峰对波峰，波谷对波谷，一切不和谐、不同步都会被消除。这些干涉波并不是物理波，不需要介质，它们在数学上被称为波函数。物理波带有能量，而波函数带有可能。因此尽管我们从未直接看到过这些波，也可以通过它们对可能性的影响和实验的统计看到它们干涉的结果。我们只需数数即可。我们不由得怀疑，这些狡猾的电子究竟是不是空间本身。关键的一点是，只有完全相同、不可区分的东西才能发生干涉。我们一旦想要对它们加以区分——区分它们的粒子个体、路径和过程——干涉就会消失，隐藏的波突然间就会以粒子的面貌示人。如果两个粒子表现出干涉特点，我们就能明确地知道，它们是相同的！相当明确，一次又一次的实验已经证明了这一点：电子会发生干涉。相同的它们，不是因为我们太愚蠢，也不是因为我们的眼睛不够敏锐，而是因为它们在深层次上根本就是无法区分的。这不是技术差错。这是古怪的量子世界和我们体验到的寻常世界间的核心区别。而正是电子的无差别性，“使得化学成为可能，”维尔切克说。“它使得物质行为的再现成为可能。”如果电子是可区别的，那么微小的差异就会持续存在，世界就会陷入混沌。独立、明确的数字本性使得它们能够在这个充满错误的世界展露出容错的本领。它们的恒等性，意味着当我们谈到电子时，避免了指称它们的特定个体。“当我们拥有两个电子，随后又观测到两个电子时，我们不会看到有过渡阶段，我们不能说谁是原来的那两个，谁又是后来的，”维尔切克说。“这不是你犯了迷糊——而是在理论上，无法说出谁是谁。”彼得·佩希奇，新墨西哥圣塔非圣·约翰学院的物理学家、历史学家、音乐家，他这样说：“我们可以说‘那里有五个电子。’我们可以给它们一个数量。但我们不能数出这五个电子。”数量意味着那里有五个电子。但我们却不能——第一、第二、第三、第四、第五——这样数它们。说我们可以给它们一个数量但不能数它们，就是说我们可以给它们这一组贴上一个标签，却不能给它们分别贴上标签——也就是说每个成员都不是不同的个体。“这让人感到非常惊奇，”佩希奇继续道，“因为我们通常认为数量和计数都是同时起作用的。但在微观世界，并不是这样。我们只能拥有其中一种属性。”检察官在证人面前来回踱步，思考着他的证词。也许，他说，我们可以通过电子在空间上的位置来区别它们，而不是它们固有的特征。即便两个电子完全相同，我们是否可以说一个在这里，另一个在别处，来区分出彼此？是否可以？维尔切克的回答是简短的，“不行。”虽然个体粒子在空间中占有特定的一点，但是以波的本性来看，并不是这样。当电子未被观察时，它们是模糊而飘忽不定的。它们的波函数，虽然集中在某一空间区域内，却是无限伸展的，因此永远存在渺小但非零的机会使它们出现在任何地方，只要有人想看一看它。但当没有人看它时，电子并不存在于某个特定的位置，而是有出现在多个地方的可能性——通过这个奇怪的事实，我们不由得怀疑，这些狡猾的电子究竟是不是空间本身。当没有我们对空间进行观察时，空间又会怎样？它会消失吗？维尔切克这样说：“量子力学中另一个与不可区分特性相关联的方面，及其最深的层面上的一种可能性是，如果我们想要描述两个电子的状态，并不是说一个电子有一个波函数，另一个电子有另一个波函数，且它们都存在于三维空间内。而是在这两个电子的位置上拥有六个维度的波函数。”六个维度的波函数意味着在特定位置上找到电子的可能性不是独立的——也就是说，它们是纠缠的。电子的恒等性不仅削弱了物体的概念，也削弱了空间的概念。我们看待事物的传统方式，是先有空间，然后把物体放入其中。而以量子力学的观点，空间是描述物体——比如电子——之间的复杂关系和相互依赖性的一种方式，“这里”和“那里”这样的指称只是现实的冰山一角。一旦两个粒子发生纠缠，它们的特点——它们的身份——不存在于粒子个体内部，而是在它们之间的关系上，这是一种藐视空间限制的关系，这是一种跳过空间的关系，这种关系也就是爱因斯坦所谓的“幽灵般的超距作用”。“我们发现物质粒子经常会发生纠缠，”布里斯托大学的哲学家詹姆斯·莱德曼说。“世界的状态不是由所有粒子单独写就的。它们是紧密联系在一起的。”电子的恒等性不仅削弱了物体的概念，也削弱了空间的概念。它们是同一个硬币的两个面。它表明我们细分这个世界的方法存在着错误。它是某种整体论、某种隐藏在深处的一体性的蛛丝马迹。一„„一什么？维尔切克认为这种一体性的表现是一种场。电子之所以都一样并没有什么神秘之处，他说，因为它们都只是表现形式，是散布到所有空间、所有时间中的同一个基本电子场的暂时激发态。而物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒认为，电子是一体性的粒子。他认为电子之所以不可区分是因为它们是一体的，仅当我们在时间和空间中追踪轨迹时，它们才会在某一时刻表现出多个个体。17世纪哲学家戈特弗里德·莱布尼茨“不可区分的同一性定律”指出，如果我们无法区分两个对象，那它们就不是两个对象。一方面，电子违反了这一定律。而另一方面，粒子的多样性——或世界的多样性——可能只是某种幻象。时间，是让一切事件得以即刻发生的原因。同样的，空间，是让一切事件能够成为其本身的原因——或者用惠勒的话来说，“是让一切得以不在我身上发生的原因。”但是在量子的世界里，空间没有立足之地。所有的身份和客观实在性，丰富多彩的存在形式，都没有意义。电子无处不在，电子也不存在于任何地方。它是无形的逃亡者，也是个没有不在场证明的不法之徒。所以我们已经有点明白了，从定义上来说，这是一种无罪的身份欺诈。但是在由它们构建而成的人类身上，情况又当如何呢？§让我们退远看看。贝特兰黛，盖尔的妻子，一直拒绝相信她丈夫是个骗子。但在审讯中，她却改变了主意，她开始相信，虽然这个自称马丁·盖尔的男人知道他们早年的许多秘密，却并不是当初和她结婚的那个人。身份受到质疑的盖尔说，如果她坚信他不是她丈夫，他也乐意接受惩罚。贝特兰黛保持了沉默。于是马丁·盖尔被认定是阿雷诺·杜·汀，罪名成立，要被砍头。这个被判了死刑的男人上诉到了图卢兹，坚称他是真正的马丁·盖尔。他陈述了很多令人信服的理由，上诉庭的法官正准备撤销判决，令人惊讶的事发生了，另一个男人出现在了法庭上，声称他才是真正的马丁·盖尔。这个男人和被告十分相像，除了有一条木头假腿。但这个马丁·盖尔回忆不起他早年婚姻中的许多细节。盖尔的亲友即刻断定：这才是真正的马丁·盖尔。最后，假冒者被免于死刑，因为在贝特兰黛的乞求下，她真正的丈夫宽恕了他。法庭裁决阿雷诺·杜·汀不是马丁·盖尔。但是作为马丁·盖尔，这又意味着什么？它表明了一种连续性。它与马丁·盖尔所有时空中的轨迹无缝相连，它与被爱因斯坦称为“世界线”的一种确定的概念有关。世界线：物理学家认为，定义明确的物体在空间和时空中穿行，可以用这样的线条和平面来描述。但是电子并不产生定义明确的世界线。维基百科让我们再凑近观察。盖尔是由基本粒子构成的，但是它们的世界线不是线形的，而是一系列被古怪的空白间隔开的点。电子的世界线，用惠勒的话来说，是一条龙，这条龙拥有明确的头部，清晰的尾部，但它的身体却是一团烟雾。“我们所说的现实，”惠勒说，“是由少量我们坚信不疑的观察结果构成的，而这些观察结果之间，填满了我们精心制作的，空想和理论的纸塑。”我们总是愿意相信事物的整体大于局部之和。如果我们去掉电子的电荷、质量和自旋，总应该还留下点什么，留下一个光秃秃的电子，留下一种个体。按照哲学家所言，留下一种原始的现实性。我们总是愿意相信，应该存在某种使这个电子有别于那个电子的东西，即便观测结果、实验结果和统计结果都从未证明这一点。我们愿意相信原始的现实性，因为我们愿意相信原始的自我性。假如有一天，我们遇到了一个完美的克隆人，他的每一个细节，他做的每一个梦，都和我们一模一样，即便是最挑剔的观察者也无法区分，我们内部仍然存在着某种能够被证明是我们的东西，一种看不见、难以形容的真实差异。即便两个马丁·盖尔一模一样，其中一个也可以微笑着证明他是那个真的。我们愿意相信这一切，但是量子力学不允许。“我们愚蠢地认为我们的可辨识性深藏在我们的物质构造中，但这不过是一个巨大的误解，”佩希奇说。当电子间发生干涉时，是什么模糊了它们的个体性？认识论支配着本体论，因此非常有可能，个体性只是哲学家的一种演绎，一种对灵魂、安慰和幻象的演绎。在神话和宗教里，我们追寻一体性，但这并非自我的完全消失。所以如果构成我们的基本粒子并非如寻常物体那样真实，我们又以怎样的方式存在？“我想到了最后，”莱德曼说，“我们会发现，构成这个世界的一切其实都不存在。”“一旦电子越来越多，它们结合在一起的形式就会展现出越来越清晰的可辨识性，”佩希奇说。“我们之所以有各自的身份，是因为我们是由数量巨大的不可辨识的组件结合而成的。可辨识的是我们的状态，而不是我们的实体。”“这是个古怪但美丽的想法，”佩希奇继续道。“不是我们的组件——不是电子，也不是质子——拥有某种印记。而是它们共同存在的状态，通过足够的复杂性，把我们这些由相同的、不可辨别的电子和质子构成的人区别开来。”“自我的组织方式产生了自我的实在性，而不是自我的成份，”莱德曼说。“我们其实都明白这一点，我们体内的细胞每时每刻都在被替换。重要的是结构的功能组织，而不是物质的成份。”是的我们都知道，我们是物理河流中的实体，我们的身体是提修斯之船，像谜一样在黑夜中穿行。但我们仍然相信，从某一特定时刻的快照中，我们能够发现我们是由什么构成的——虽然这些东西终将逝去，终将改变，却总是存在的。但是陪审团断言：不，这并不存在。我们的身份只是状态，如果不是物质的状态——不是单一物理实体，如夸克和电子的状态——那是什么的状态？也许，是信息的状态。莱德曼认为，我们可以用“现实模式”这个词来替代“物体”——这个概念由哲学家丹尼尔·丹尼特首先提出，后又被莱德曼和哲学家唐·罗斯进一步发展。“用实体来表达自我的意义，也就是对信息的简化，”莱德曼说。“因此我们说某个事物是真实的，其实就是把与这个世界有关的、复杂的信息-理论简化后所作的描述。”比如一只猫。在计算机中，我们可以用位图，精确地还原一只猫。我们也可以粗略地描述一只猫，忽略它的微观细节，而只用“猫”来指代它。在第一种情况下，我们用了许多点和强大的计算资源来描绘每一个点随时间发生的变化。在第二种情况下，用一个句子，就能轻而易举地实现相同目的，“猫穿越了房间。”一只猫，就是一个现实模式——是一个真实的本体论物件，它存在于一个独立于心灵的宇宙中——而这个宇宙拥有我们无法想像的计算效率。不真实的物体情况又如何？“唐·罗斯举了一个例子，他的左耳垂、纳米比亚最大的大象和迈尔士·戴维斯最后的独奏，”莱德曼说。“想像由这三个物件组合而成的一个对象。在这三个物件身上，我们无法对它们进行信息简化，因为它们不能构成一个现实模式。这三个物件的组合不包括任何可供转译的推论。但我们是。我们是现实模式，我们超越了单独的身体部件，我们可以被谈论，我们也可以影响周围。”这些例子应该可以给你一个现实模式就是粒子模式的印象。注意：粒子，如我们体内的电子，它们本身就是现实模式。“我们用粒子之类的描述来追踪现实模式，”莱德曼说。“始终都是这样。”我们是转瞬即逝的模式，是噪音中的信号。深入的探究向我们展示了物质之路；而在它下方，是虚无。“我想到了最后，”莱德曼说，“我们会发现，构成这个世界的一切其实都不存在。”但即便如此，我们也可以指出某一模式，并加以命名。模式越复杂，我们通过对其微观描述的简化，可以得到的就越多，这个模式的独特性也越大。比如一个大脑——那里面拥有和星系中的恒星一样多的神经元，它们之间有数万亿的连接，它是宇宙间最复杂的物体。请简化它，我们可以称其为马丁·盖尔。再进一步，用一个词，一个字，那就是：我。阿曼达·格芙特 文 / 老孙 译
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