Wilczek：爱因斯坦的寓言

爱因斯坦的寓言

转载自公众号  中科院物理所

作者：Frank Wilczek【2004年诺贝尔物理奖获得者】

翻译：Nothing

审校：山寺小沙弥

爱因斯坦一直不相信世界有内在的不可预测性。那么亚原子尺度的世界是混乱的还是精细的？

“疯狂就是一遍又一遍重复做完全同样的事情，但是却得到不同的结果。”

上面这段警句-我称之为“爱因斯坦疯狂（Einstein Insanity）”-经常被归于爱因斯坦。尽管马太效应可能会在这里起作用，但爱因斯坦经常提出一些非常聪明的俏皮话是不可否认的。我很乐意给他这种荣誉，因为这将把我们带到一些非常有趣的方向上去。

首先，我们应该弄清楚爱因斯坦所描绘的量子力学中表现出的疯狂是什么。量子力学是描述世界真实运作方式的方法，在量子力学中，你可以重复做一件事很多次但却得到不同的测量结果。实际上，这是高能粒子对撞机隐含的前提。在这些对撞机中，物理学家让相同的粒子以相同的方式剧烈相撞，这种实验可以重复亿万次。他们一直重复做同一件事情是因为他们疯掉了吗？事实上是他们并没有疯掉，因为实验产生了非常多的不同的测量结果。

当然，众所周知，爱因斯坦不相信世界内在的不可预测性，他说“上帝不会投骰子。”然而，在投骰子时，我们正是在演示“爱因斯坦疯狂”：我们一次又一次做相同的事-投骰子-然后我们确实得到了很多不同的结果。投骰子真的蕴含着某种不确定性吗？如果真实这样的话，那么事物的不确定性将是一件非常常见的事。

我们可以通过认定一个人不可能两次用完全相同的方式投一个骰子来规避掉投骰子自身包含内在的不确定性。因为初始状态的微小差异将会影响到最后的结果。一个潜在的想法是，我们根据初始状态无法预测最终状态，因为当前状态的某些方面我们并没有考虑进去。相似的，如果我们诉诸于对真实状态把握的不完整，我们就可在“爱因斯坦疯狂”的控诉中为概率论的使用进行辩护。如果我们可以获取现实的所有信息，我们对未来的预测将是准确无误的。

有一个被称为决定论的学说，得到了哲学家巴鲁赫·斯宾诺莎的强烈拥护，斯宾诺莎是爱因斯坦心目中的英雄。但是为了看的更清楚，我们需要回顾更早期的历史。

芝诺   来自维基百科

巴门尼德是一名很有影响力的古希腊哲学家，柏拉图就很钦佩他。巴门尼德主张所有的实体都是不变的不可分割的，所有的运动只是一种幻觉。芝诺，巴门尼德的一个学生，设计了四个悖论来阐明运动的概念所面临的逻辑困难。翻译成现代的表述，芝诺的飞矢悖论表述如下：

1.如果你知道了飞矢的位置那么你就能知道关于他的物理状态的所有方面。

2.因此一个运动的飞矢和在同样位置静止的飞矢具有相同的物理状态。

3.飞矢当前的状态决定了它未来的物理状态。这是“爱因斯坦理性（Einstein Sanity）”-它否定了“爱因斯坦疯狂”。

4.因此静止的飞矢和运动的飞矢在未来也具有相同的状态。

5.因此飞矢根本没有运动。

巴门尼德的追随者因为第五条和现实生活的割裂而感到逻辑上的纠结和神秘的兴奋。经典力学的基本内容指出第一点是不对的。在经典力学框架内，如果引入内涵更丰富的关于物理实体的概念将会带来丰硕的成果。要知道一个粒子的物理状态，一个人不光要知道它的位置还要知道它的速度以及质量。如果获取了这些信息，经典力学可以完全精确地预测体系未来的状态。经典力学引入的更加广泛的概念，正是“爱因斯坦理性”的例子。

在我们看到了经典力学的胜利后，让我们重新思考量子力学中的“爱因斯坦混乱”。也许困难依然来自于我们描述世界状态的概念自身的不完备性。

爱因斯坦自己是这样想的，他坚信在现有的量子理论框架内一定还存在描述实体的隐含参数，这些参数会将“爱因斯坦混乱”修复为“爱因斯坦理性”。从这个角度来看，上帝并不是不投骰子，而是在投一个经典的骰子。事物虽然表现出随机性，但是那仅仅是因为我们没有找到所有的隐变量。简单的说：“上帝在投骰子，但是他依然可以操控整个游戏。”

尼尔斯·玻尔（左）和阿尔伯特·爱因斯坦在1925年

但是按照传统量子理论的预测，在不引入隐变量的情况下，取得了一次又一次的胜利，给隐变量留下的空间变得越来越小。1964年，物理学家约翰·贝尔提出一个所有物理学理论都应遵守的约束

，只要这个理论是定域性和真实性的——定域性意味着物理影响的传播速度不能大于光速，真实性意味着体系的物理性质可以被测量。但是经过几十年的实验检验，包括发表在网站arxiv.org上的“无漏洞实验”都表明我们生活的世界不完全遵守这个约束。

约翰·贝尔 来自维基百科

讽刺的是，传统的量子力学自身就包含大量扩充的物理实体，这些实体可能足以消除“爱因斯坦混乱”。量子动力学方程使得物理学家可以预测波函数未来的值，只要给出它现在的值。根据薛定谔方程，波函数按照完全可预测的方式演化。但是在实际中我们从来没有得到过完整的波函数，不管是在现在还是在将来我们都得不到，因此薛定谔方程完备的预测性是永远也达不到的。如果波函数是对真实存在最终极的描述——这是一个存在争议的表述！——我们必须要说：“上帝在玩一个并没有被完整描述的游戏，就像骰子对于我们一样。

爱因斯坦伟大的朋友和对手尼尔斯·玻尔有一个对真理的微妙的看法。根据玻尔的说法，一个简单事实的反面是谬误，但一个个深刻的事实的反面是另一个深刻的事实。基于同样的心情，让我们介绍一个深刻的谬误，它的反面看起来像里一个深刻的谬误。用一个警句来总结这篇文章似乎是合适的，它我们开头的警句组成一对：

“Naïveté一遍又一遍做着相同的事，她一直在期待着相同的结果。”

原文链接：

https://www.quantamagazine.org/einsteins-parable-of-quantum-insanity-20150910/