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为什么自由意志和量子理论不可调和?一个深刻的数学哲学问题

更新时间:2023-09-09 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

我给你留了条信息。你晓得这条信息的到来。你不会理解它,除非你问我。信息是顿时从我这儿传给你的。它不是通过无线电或光纤线缆以光速传递的(它是即时的)。直至1935年,阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇惊艳量子化学学家的论文。oDA物理好资源网(原物理ok网)

这个问题就是纠缠。这篇论文的题目是"量子热学对化学现实的描述能被觉得是完整的吗?"oDA物理好资源网(原物理ok网)

纠缠是一个很难理解的话题,虽然对化学学家来说也是这么。它是这么困难,以至于花了几六年的时间来确定它究竟是哪些以及它的原理是哪些。虽然这么,没有人晓得它意味着哪些。oDA物理好资源网(原物理ok网)

纠缠来自于数学学中的守恒定理。这种定理告诉我们,个别数目必须相乘。能量、动量、角动量和电荷不能遗失或找到。这种守恒定理是绝对的,但量子化学学给了粒子回旋的余地,当有一个以上的粒子参与时,它们怎样遵循这种定理。这就是粒子是怎样被纠缠的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

守恒量是成对的互补属性。你可以在单个粒子的单一实验中检测一个,但不能检测另一个。比如,你不能同时检测一个粒子的位置和动量。假如你据说过海森堡的不确定性原理,那就是这个看法,但不确定性是理解它的一个坏方式。它让人感觉问题出在你的检测仪器上。但真正的问题是现实。oDA物理好资源网(原物理ok网)

粒子有一个称作载流子的属性,也就是它们的角动量。对于像电子这样的大质量粒子来说,载流子有三个组成部份,我们称之为x、y和z,光子只有两个,x和z。载流子是互补的属性。但事实证明,假如有纠缠在一起的粒子,你可以同时晓得这两个载流子。oDA物理好资源网(原物理ok网)

假定你打算一个实验,形成两个光子,使它们必须具有相反的载流子,即A和B,你可能从一个质子的衰变中得到。因为你不晓得每位光子有哪些载流子,你须要检测它,但你只能检测每位光子的x或z份量。辛运的是,假如你检测A的x和B的z,你可以推测出A的z和B的x是相反的。这是由于这两个光子是纠缠在一起的。诸如,假如A的x是"上",B的z是"右",这么B的x是"下",A的z是"左"。oDA物理好资源网(原物理ok网)

1935年,一些化学学家觉得这好像违背了海森堡原理,但它没有,爱因斯坦也晓得。按照量子化学学,当这两个光子移开时,它们依然是纠缠的,如同它们是两个不同位置的单一粒子。更糟的是,在检测载流子之前,这种粒子并没有一个明晰的载流子值。oDA物理好资源网(原物理ok网)

关于宇宙的本质,爱因斯坦有两种根深蒂固的信念:位置性和现实主义(and),而量子理论虽然违反了这两种信念。oDA物理好资源网(原物理ok网)

位置性意味着每件发生的事情都发生在一个特定的时间和一个特定的地点。一件事不可能发生在两个地方。而两件事情只能以光速或比光速慢的速率传播讯号,而不是即时的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

现实主义意味着,宇宙中所有可以检测的东西在被检测之前都有一个确定的状态。换句话说量子物理定义,假如我检测一个粒子有一个特定的载流子,这么在我检测它之前,它一定有这个载流子。oDA物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦坚持觉得,量子化学学只有满足这两个标准才算完整。但伟大的量子化学学家玻尔和海森堡并不同意。海森堡是显著的反现实主义者,而玻尔不一定是反现实主义者,但他认现实既取决于观察者,也取决于被观察者,所以他对从同一粒子的不同种类的实验中得到不同的结果不倍感欣慰。oDA物理好资源网(原物理ok网)

以下是纠缠是怎样违背爱因斯坦的信念的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

违背现实主义oDA物理好资源网(原物理ok网)

依照量子理论,光子A和光子B在被检测之前并没有明晰的载流子。相反,它们有一系列可能的载流子被编码在一个称作波函数的实体中,并且,因为它们的载流子是相反的,一个载流子必须决定另一个。但是,当你检测载流子时,它就弄成了确定的、不可改变的。因而,在检测之前,它并不成为"真实"。oDA物理好资源网(原物理ok网)

违背位置性oDA物理好资源网(原物理ok网)

当我们检测光子A的载流子时,它手动决定了你将在光子B处检测的东西。在光子A处检测的东西好像被顿时传送到光子B处,因而它既"晓得"它应当是哪些载流子,又晓得进行了何种检测。这些知识并没有给进行检测的人带来任何新的信息,但若果不引述某种信息传递,就不可能在标准量子理论中解释实验。oDA物理好资源网(原物理ok网)

你可以通过观察你的载流子侦测器之间的角度怎么影响你在每位光子上的检测结果来量化它。假如你检测两个光子的x和x,你的角度是0或180度。假如你检测x和z,它是90或270。但若果你在x和z之间检测,它可能是30或45或其他一些数字。oDA物理好资源网(原物理ok网)

假如没有信息传递,你会期望在不同角度的检测服从下边的红线,即角度之间的完全线性相关。当你的侦测器平行或垂直时,你可以佯装信息没有转移,由于蓝线和红线在这种角度交叉。但在其他情况下,相关关系是非线性的,这意味着信息必须被转移,除了是关于被检测的东西,并且是怎样被检测的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

在量子场理论中,这些信息转移发生在所有的时间和空间,从大爆燃到时间的尽头,从月球到空间的尽头,假如有这些东西的话。oDA物理好资源网(原物理ok网)

多世界解释oDA物理好资源网(原物理ok网)

你可以通过多世界解释来解决这种问题:比如,你可以通过说粒子载流子的每位值作为一个明晰的值存在于多元宇宙中该粒子的一个副本中,来恢复现实主义和位置性。从一个光子到另一个光子的表面信息传输是一种幻觉。相反,你——意思是你的一个副本,早已被分割到一个特定的宇宙中,在那儿它看上去是这样的。这很容易理解,但很难相信。oDA物理好资源网(原物理ok网)

对量子理论的更改oDA物理好资源网(原物理ok网)

你也可以通过更改量子理论来恢复现实主义和位置性,但并不容易。oDA物理好资源网(原物理ok网)

比如,大卫-博姆(DavidBohm)引入了导引波来引导粒子并为它们进行交流,这恢复了现实主义,但没有恢复位置性。还有许多其他的变种和新解释。大多数早已不这么流行了。oDA物理好资源网(原物理ok网)

更改量子理论如同玩火,你常常会被冻伤。量子理论其实是一个有100年历史的大楼量子物理定义,是有史以来最成功的数学理论。几乎所有的更改都给宇宙引入了一些随机性的诱因。也都无法恢复位置性。oDA物理好资源网(原物理ok网)

从直觉容县审视子理论是很难的。爱因斯坦的相对论没有发挥作用,也会形成问题。一旦你过渡到量子场论,这些修饰所依赖的许多假定都会消失。像博姆的理论就开始崩溃了。oDA物理好资源网(原物理ok网)

怎么直观地思索纠缠问题oDA物理好资源网(原物理ok网)

想像一下,有一个上帝视角。回到纠缠的光子上,想像一下,它的载流子是一个小箭头,垂直于它的运动。箭头随机地、不连续地联通着。oDA物理好资源网(原物理ok网)

如今你看光子B以光速向相反方向联通。它也有一个箭头在随机地联通。奇怪的是,每每光子A的箭头联通到别的地方时,光子B的箭头都会顿时联通到相反的方向上。无论它们之间的距离有多少光年,箭头就会彼此同步联通。这就好象它们是一个粒子在两个地方。oDA物理好资源网(原物理ok网)

你能想像这些情况发生的惟一方式是它们以某种形式联接在一起,要么是通过一个容许瞬时通讯的指导性波函数,要么是宇宙的本质所包含的东西。oDA物理好资源网(原物理ok网)

扩充的位置性oDA物理好资源网(原物理ok网)

假定我们再看一下位置性,并企图扩大我们对它的定义。从四维角度看光子。想像一下每位光子的路径。二者共同产生一个单一的结构。这个结构不是一个点结构,而是一组线(称为世界线)。有两条线在光子成为纠缠的空间和时间上的一个点上相连。oDA物理好资源网(原物理ok网)

假定这种世界线是真正的粒子,不是时间和空间的点,而是穿过时间和空间的线。而这种粒子还能顺着这种世界线交流,回到它们的原点,回到时间中。假如是这样的话,这么这种纠缠的粒子还能"顿时"分享信息也就说得通了,由于它们是通过时间进行交流,顺着世界线调和它们的状态。oDA物理好资源网(原物理ok网)

假如我们把位置性定义为联接的世界线,而不是发生在点上的风波,这么纠缠就不再违背它了。并且,因为信息不能从光子A传递到光子B,它也不违背因果性。(你不能把信息送回过去或比光速快,由于两个光子共享的所有"信息"都是随机的)。)另一方面,两条不相连的线不能被纠缠,除非它们被第三条线联接。oDA物理好资源网(原物理ok网)

坍缩的位置性oDA物理好资源网(原物理ok网)

但是,量子场理论将这种粒子表示为简单地输入到一个跨越所有时间和空间的巨大的场集。这个场联接了宇宙中所有还能互相作用的粒子。这意味着我们必须扩大我们的世界线的概念,以包括场,但辛运的是世界线是四维场的一维版本。因而,我们对位置性的定义一直创立,但如今囊括了所有的时间和空间!这意味着我们必须扩大我们的世界线概念,以包括场。oDA物理好资源网(原物理ok网)

有了这个补充,作为一个概念,位置性就崩溃了,但所有东西都是位置性的。倘若不进一步更改量子场理论,它就显得毫无意义。oDA物理好资源网(原物理ok网)

自由意志与位置性oDA物理好资源网(原物理ok网)

在这个位置性的问题上有一个漏洞。量子理论表明,实验之间存在着相关性,这表明关于正在进行的实验的信息正在被即时传送。并且,假如宇宙在一开始就早已晓得这种实验和它们的结果呢?oDA物理好资源网(原物理ok网)

超决定论觉得,这些奇怪的相关曲线是在大爆燃时所有物质之间发生的相关关系的结果。物质从来没有不相关的,包括构成你和我的物质。信息的传播速率不比光快。它一开始就在哪里,由于我们选择做的任何事情都是不确定的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

虽然量子场理论看上去在每位时刻都联接着所有的时间和空间,那也是一种幻觉。时间和空间中的所有事物都是联系在一起的,由于它们都是在时间的开始就被预先确定的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

扩充的现实主义oDA物理好资源网(原物理ok网)

爱因斯坦不喜欢随机性,但不幸的是,随机性是量子化学学的核心所在。假如你把现实主义扩充到包括随机的波动值,这么就不再有问题了。oDA物理好资源网(原物理ok网)

量子物理告诉我们,粒子有一个描述其状态的波函数,但没人见过波函数。我们不妨假定粒子的状态在传播过程中是随机波动的。当我们检测粒寅时,这如同掷色子。我们偶然落在其中一个可能的数值上。oDA物理好资源网(原物理ok网)

但是,为了使随机性发挥作用,粒子的世界线又必须被调用。世界线作为一个整体是随机的,而不是粒子从一个时间到另一个时间的状态。这就是量子和精典随机性之间的区别。你可以想像抛出一组色子,不是在光子传播的每一刻,而是只抛一次,以确定光子从发射到侦测的整个历史。一旦这种色子被抛出,光子在其整个历史中可以有一个确定的状态。oDA物理好资源网(原物理ok网)

然而色子是哪些时侯掷出的呢?是在你侦测到光子的时侯还是在宇宙的开始?在这三者之间吗?我们所检测的东西何时成为现实?oDA物理好资源网(原物理ok网)

现实主义与自由意志oDA物理好资源网(原物理ok网)

只要色子是在发射时或发射前抛出的,我们就可以说现实主义肯定是恢复了。要做到这一点,粒子必须"晓得"它将会发生哪些。oDA物理好资源网(原物理ok网)

假如色子是在侦测时而不是在发射时掷出,这么自由意志是可能的,但现实主义的基础是不稳固的。我们能说过去的东西基于未来的风波而成为现实吗?这是一个比我们希望的更弱的现实主义定义,由于它意味着在光子被侦测到之前,没有现实。oDA物理好资源网(原物理ok网)

到了量子场理论,我们把一维世界线扩充到四维场。因为场互相作用的形式,我们最终发觉整个宇宙的过去和未来都是随机的、相互联系的,包括我们。oDA物理好资源网(原物理ok网)

如今,我们没有办法甩掉它了。每一个观察和检测都是在大爆燃时预先确定的,但真实的或只有在时间的尽头才确定。生活可能对你来说是真实的,而且,假如你想要自由意志,你必须把现实交易掉,让你的生活成为一场梦,直至每位粒子的每一次互动都得到解决。oDA物理好资源网(原物理ok网)

推论oDA物理好资源网(原物理ok网)

还有其他防止自由意志问题的解释,但它们涉及额外的维度或宇宙。倘若我们能找到这种证据,这可能会回答一些深刻的哲学以及科学问题。oDA物理好资源网(原物理ok网)

另一个惊人的推论是,我们可能早已理解了量子理论。我们只是不乐意接受这些暗示。假如我们有自由意志,量子理论就没有意义了。假如现实是超决定的,这么量子理论确实有意义,爱因斯坦的位置性和现实主义得到恢复,但我们没有自由意志。oDA物理好资源网(原物理ok网)

相信哪些是你的选择。但话说回去,恐怕不是这样的。oDA物理好资源网(原物理ok网)

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