qmh - 存在于无知中的概率:爱因斯坦为何固执于世界的秩序?
当一枚硬币飞向空中时,它落地之前的正面或反面的概率各为50%。但是,这背后还有一个未被深究的问题:这枚硬币在被抛出的那一刻真的还未决出结果吗?还是说它的落点早已被抛出时的速度、角度,甚至空气的流动和桌面的弹性所决定,只是我们无法计算出答案?这个看似平常的问题曾让爱因斯坦与量子力学争执了数十年。如今,我们已经习惯将概率视为生活的常态:天气预报中的降雨概率、医生面前的风险评估、投资者心中的胜率,甚至智能手机中的推荐算法,都在利用概率。然而,对于爱因斯坦而言,概率也许只是我们无知的代名词。他著名的口头禅“上帝不掷骰子”,不仅是一种抨击偶然性的宗教观点,它更是他对物理世界所持的一种坚定信念:自然界的运行不应该依赖随机抽签。
我们首先从硬币谈起。如果我们能够了解它在离手瞬间的所有条件,并具备足够的计算能力,根据经典物理的原理,我们应该可以准确预测它的结果。所谓的50%概率,实际上是因为我们对所有变量的了解不够全面。扔骰子、旋轮赌盘乃至彩票的随机性,主要源于信息的缺失,而并非自然界在最后一刻做出的即兴决定。回顾19世纪末,众多物理学家相信宇宙就像一台巨型时钟,只要掌握每一个粒子在某一时刻的位置和速度,就能推算出过去和未来。一位法国数学家拉普拉斯甚至构思了一位全知的“精灵”:若它能洞悉一切力和位置,未来将如同过去般一览无遗。
然而,微观世界的问题接踵而至。电子并不如小钢球那样乖乖停留在某个固定位置,光也在波和粒子之间时而转换。量子力学提供的并不是“电子下一刻必定在此”的确定性,而是一张显示不同可能性机会的概率分布图:它可能在这里,也可能在那边,而在进行实验之前,我们只能计算出各种结果出现的几率。更具颠覆性的是,这并不是简单的仪器不够精确。在量子力学的标准解释下,测量发生之前,粒子的某些属性甚至没有一个确定的数值,测量的过程并不是揭开某个答案的盖子,而是参与到了答案的形成中,这让人不禁思考:世界的基本层面是否真的在掷骰子。 qmh
尽管爱因斯坦并不否认量子力学的准确性——事实上,他本人就是量子理论的奠基人之一,因解释光电效应而赢得诺贝尔奖——他反对的是“概率就是终点”的观念。他认为,尽管量子理论取得了显著成功,但它仍然不够完整,犹如只见表面波澜的海面,却没能洞悉促使其移动的深层机制。1927年,索尔维会议上,他一再设计思想实验,试图揭示量子理论的纰漏;而玻尔则几乎经夜不眠地回应他的质疑。这两位科学巨人争论的不是一套公式,而是现实的本质:当无人观测时,月亮是否依旧存在?粒子的性质是自始至终就有的,还是只有在测量时才会显现?
1935年,爱因斯坦与波多尔斯基、罗森提出了著名的EPR佯谬。他们设想两个粒子曾相互作用后,远离至不同的角落。一旦测量其中一个粒子,就能够直接推断另一个粒子的状态。爱因斯坦嘲讽这种联系为“幽灵般的超距作用”,认为这一切背后应该存在尚未发现的隐藏变量。如果隐藏变量真的存在,那么量子概率就如同硬币的概率:真正的答案早已存在于某处,只是我们无法洞察。而1964年物理学家约翰·贝尔则提出了一种检验方法,他不再与哲学展开争论,而是写出了一个不等式:任何符合“局域隐藏变量”理论的假设,无法突破某个统计上限,但量子力学则预测会超出这一限制。
随后的实验不断将纠缠粒子发送至不同的方向,同时排除越来越多的实验漏洞,结果始终支持量子力学的理论。2022年,诺贝尔物理学奖也因此表彰了相关的实验成果,这表明那种简化的论调——认为“每个粒子早已带着固定答案而无法彼此干扰”——已趋于不成立。然而,这并不意味着科学已证明“世界绝对没有任何安排”。贝尔实验排除的是一类局域隐藏变量理论,而并非所有可能的决定论。比如说,玻姆力学是决定论的,但它需要承认非局域的关联;或是多世界理论,让所有可能的结果在不同的分支中发生,最终使得概率演变为观察者会落在哪个分支的问题。 qmh
量子理论之所以令人感到不安,正是因为不同解释往往取得相同的实验结果。哥本哈根解释认为测量生成确定结果;多世界理论认为波函数从不塌缩;玻姆理论则认为粒子具有确定的轨迹,只是受非局域“导引波”的影响。这些不同的世界观当下尚难以通过实验获得最终的胜利。至于概率是否真实存在,还是只反映了人类的无知,这还需进一步探讨。宏观世界中的许多概率确实源自于复杂性和信息的不足。预测明天是否会降雨、硬币会落在哪一面,或是某支球队是否会获胜,只要掌握更多的数据,预测的有效性就会随之提高。然而在量子测量的领域,现有最成功的理论提供的仅是概率,而实验至今未找到更为深刻的本地答案。
还有一个常见的误解:随机不等同于是“任何事情都可以发生”。量子概率受到极其严格的数学规律限制。尽管单个放射性原子的衰变时机无法准确预测,但一大群原子的衰变曲线却展现出惊人的稳定性。每个事件中的不可预测性,与整体统计紧密相关,原子钟、芯片和激光等技术的稳妥性都建立在这种可靠的基础上。尽管到了晚年,爱因斯坦并未明确说出“万事皆已安排”的说法,他真正想强调的是:物理现实应有独立于观察者的客观描述,而量子理论的概率或许只是因为理论尚未完善。他的名句常被误解为宿命论,似乎连你今天选择的咖啡口味都是早已注定,但这远远超出了他的科学信仰。即使微观规律是决定性的,人类依然未必能预见未来。混沌系统会使微小的误差不断放大,一只蝴蝶扇动翅膀的细微差异,经过时间的流逝,便可能引发截然不同的气候。而“已决定”并不意味着能够预测到;“有因”亦不意味着任何人都能预见未来。即使 quantum 现象存在真正的随机性,也并不能轻易地为人类的“自由意志”提供依据。