讨厌的观察者

热力学第二定律说:在孤立系统中,熵总是增加的。许多人打心里面讨厌这个客观真理,因为它预示着总有一天,我们的世界会变成一片寂静。

为了否定第二定律,麦克斯韦设想有一个精灵,可以知道每个分子的运动速度。假定一个容器分为两部分,A 和 B,在分界上有一个小孔,这个精灵打开或关闭那个小孔,使得只有快分子从 A 跑向 B,而慢分子从 B 跑向 A。这样,它就在不消耗功的情况下,B 的温度提高,A 的温度降低,于是系统的熵减少了。麦克斯韦妖是不存在的,错误有两个:1. 开关小孔本身就需要能量 2. 探测分子的速度也是需要能量。 第一点很容易理解,而第二点,则在量子力学成熟之后,不停的拷问每个物理学家的哲学观。

在宏观的世界中,纯粹的观察者不会对被观察的事物产生影响。所以做实验追求数据的真实,记录历史讲求客观。但是在微观的世界中,一切都变了。要想探测一个粒子的状态,就必须对其施加影响,而这个影响本身,就改变了粒子本身。于是,测不准原理又成了一个无数人讨厌的真理。

量子力学的讨厌是天生的,越了解它的人,就越讨厌它。爱因斯坦很聪明,他深刻的理解量子力学的意义,所以虽然光量子概念成为量子力学的重要突破,但他本人却非常讨厌它,并致力于亲手消灭这个靠掷色子决定世界的学说。于是爱因斯坦与波尔之间爆发了一场论战,其争论的焦点涉及到我们对这个世界的最基本认识。所以与其说是物理学争论,不如说是一场哲学和世界观的争论。

1935 年,在《量子力学对物理真实的描述可以认为是完备的吗?》一文中,详细描述了由于量子纠缠而引发的矛盾。文章由 Albert Einstein,Nathan Rosen 及 Boris Podolsky 共同完成,因此纠缠量子的奇异特性又被称为 ERP 佯谬。量子纠缠是一种量子力学现象,具有量子纠缠现象的成员系统们,不管距离多元,总是保持关联性,当其中一个被操作而状态发生变化,另一个也会即刻发生相应的状态变化。量子纠缠的结果就是虽然两个粒子相隔一万光年,只要对一个粒子施加操作,另外一个粒子就会立即感受这一操作。也就是说,这个世界是存在非定域性。

这个非定域性与侠义相对论是相矛盾的,因为按照相对论的观点,世界上不存在比光还要快的速度。一个事物的影响,最快只能以光速向外传播。这样在四维世界中,就形成了一个以光速为扩展速度的光锥,在这个光锥之外的事物,无法感受到光锥起点物体的任何信息。根据这一矛盾,爱因斯坦得出结论:如果世界上不存在真正的物理非定域性,并且量子力学对实验结果的预测正确无误,那么量子力学必定漏掉了真实世界的某些方面没有考虑。也就是说,量子力学对世界的描述是不完备的。

面对犀利的进攻,波尔并没有讨论量子纠缠,而是从哲学方面进行反驳。一方面波尔也认为世界上不存在真正的非定域性,另一反面,对什么是完备的给出了自己的看法: 只有观察者看到的世界,才是真实的世界;不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限,而这个极限也就是具有物理意义的一切。这些观点经过发展,成为哥本哈根解释。包括:

首先,不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限,而这个极限也就是具有物理意义的一切。其次,因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动,现在主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”(being),事实上一个纯粹的客观世界是没有的,任何事物都只有结合一个特定的观测手段,才谈得上具体意义。对象所表现出的形态,很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说,这些表现形态可能是互相排斥的,但必须被同时用于这个对象的描述中,也就是互补原理。最后,因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动,量子世界的本质是“随机性”。

爱因斯坦并不相信这点,他认为如果量子力学是一个完备的理论,我们就能够从量子力学方程中解读出这个世界的“真实图景”,即每时每刻真正存在于我们面前的所有一切。爱因斯坦一直追求把宏观和微观统一起来。而现实的情况却是量子力学与相对论之间不可调和的矛盾。薛定谔的猫把这一矛盾清晰的表达出来。

薛定谔在 1935 年发表了一篇论文,题为《量子力学的现状》,在论文的第5节,薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验:哥本哈根派说,没有测量之前,一个粒子的状态模糊不清,处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,只有确实地测量了,它才会随机的选择一种状态而出现。那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置,每当原子衰变而放出一个中子,它就激发一连串连锁反应,最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶,而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显:如果原子衰变了,那么毒气瓶就被打破,猫就被毒死。要是原子没有衰变,那么猫就好好地活着。

自然的推论:当它们都被锁在箱子里时,因为我们没有观察,所以那个原子处在衰变/不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们打开箱子察看,事情才最终定论:要么猫躺在箱子里死掉了,要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是,当我们没有打开箱子之前,这只猫处在什么状态?似乎唯一的可能就是,它和我们的原子一样处在叠加态,这只猫当时陷于一种死/活的混合。

没有人喜欢这种又死又活的状态,所以新的解释出现了,这就是平行世界解释。根据这个解释,在观察者开箱观察的瞬间,我们的宇宙分裂了,在一个宇宙中,猫是活的,在另外一个宇宙中,猫是死的。不光如此,这个解释还表明:世界的分裂无时不在,无处不再。任何观察者做出一个观察的时候,世界都分裂了一次。这一解释奇特而且不可证明,但是在许多人眼中,却是唯一合理的解释。所以是哥本哈根还是平行宇宙,依然是一个热门的议题。

综上,观察者实际上一点都不客观,随着物理学的进展,它的作用越来越大,不但影响被观察事物,导致了测不准;而且从某种意义上说,观察者界定了什么才是真实的世界;或许,观察者真的是宇宙的分裂者,每进行一次观察,做出一个选择,世界就分裂了一次。真是一个令人讨厌的东西。