“所谓疯狂,就是一遍又一遍地做同样的事情,却期待不同的结果。”
这句妙语——我称之为“爱因斯坦式疯狂”——通常被认为是阿尔伯特·爱因斯坦的名言。尽管马太效应可能在这里发挥作用,但这无疑是爱因斯坦经常脱口而出的那种聪明、令人难忘的俏皮话。我很乐意把功劳归功于他,因为这样做会把我们带向有趣的方向。
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首先,请注意,根据量子理论,爱因斯坦所描述的疯狂正是世界实际运作的方式。在量子力学中,您可以多次做同样的事情,但得到不同的结果。事实上,这是大型高能粒子对撞机的基本前提。在这些对撞机中,物理学家以完全相同的方式,一次又一次、万亿次地将相同的粒子碰撞在一起。他们这样做都是疯了吗?似乎他们并没有疯,因为他们已经获得了种类繁多的结果。
当然,众所周知,爱因斯坦不相信世界固有的不可预测性,他说“上帝不掷骰子”。然而,在掷骰子时,我们表现出爱因斯坦式疯狂:我们一遍又一遍地做同样的事情——即掷骰子——并且我们正确地预测到不同的结果。玩骰子真的疯狂吗?如果是这样,那这是一种非常常见的疯狂形式!
我们可以通过辩称,实际上没有人以完全相同的方式掷骰子来逃避这种诊断。初始条件的微小变化可能会改变结果。这里的基本思想是,在那些我们无法精确预测接下来会发生什么情况的情况下,是因为我们没有考虑到当前情况的某些方面。类似的无知借口可以为许多其他概率应用辩护,使其免受爱因斯坦式疯狂的指责,而它们都暴露在这种指责之下。根据这种论点,如果我们能够完全掌握现实,那么我们行为的结果将永远不会有疑问。
这种被称为决定论的学说,受到了哲学家巴鲁赫·斯宾诺莎的热情拥护,爱因斯坦认为斯宾诺莎是一位伟大的英雄。但为了获得更好的视角,我们需要追溯到更久远的历史。
巴门尼德斯是一位有影响力的古希腊哲学家,受到柏拉图的钦佩(柏拉图在他的对话《智者》中称他为“巴门尼德斯之父”)。巴门尼德斯主张一个令人费解的观点,即现实是不变的、不可分割的,并且所有运动都是幻觉。芝诺是巴门尼德斯的学生,他设计了四个著名的悖论来阐明运动概念本身中的逻辑困难。用现代术语翻译,芝诺的飞矢不动悖论如下:
如果你知道箭的位置,你就知道关于其物理状态的一切。
因此,(假设)运动的箭与同一位置的静止的箭具有相同的物理状态。
箭的当前物理状态决定了其未来的物理状态。这就是爱因斯坦式理智——对爱因斯坦式疯狂的否定。
因此,(假设)运动的箭和静止的箭具有相同的未来物理状态。
箭不会移动。
巴门尼德斯的追随者们在第五点与日常经验之间相当明显的矛盾中,陷入了逻辑困境和神秘的狂喜。
经典力学的奠基性成就是确立了第一点是错误的。在这个框架中,允许更广泛的物理现实概念是有益的。要了解粒子系统的状态,不仅必须知道它们的位置,还必须知道它们的速度和质量。掌握这些信息,经典力学可以完全预测系统未来的演化。经典力学,鉴于其更广泛的物理现实概念,是爱因斯坦式理智的典范。
考虑到这一胜利,让我们回到量子物理学表面上的爱因斯坦式疯狂。这种困难是否同样暗示了对世界状态概念的不足?
爱因斯坦本人也这么认为。他认为一定存在现实的隐藏方面,这些方面尚未在量子理论的传统表述中得到承认,这将恢复爱因斯坦式理智。在这种观点看来,与其说是上帝不掷骰子,不如说是他玩的游戏与经典骰子没有根本区别。它看起来是随机的,但这仅仅是因为我们对某些“隐变量”一无所知。大致来说:“上帝掷骰子,但他操纵了游戏。”
但随着没有隐变量的传统量子理论的预测从一个胜利走向另一个胜利,人们可以容纳这些变量的回旋余地变得越来越小,越来越令人不安。1964年,物理学家约翰·贝尔确定了某些约束,这些约束必须适用于任何既是局域性的(意味着物理影响的传播速度不会超过光速)又是实在论的(意味着系统的物理性质在测量之前就存在)物理理论。但数十年的实验测试,包括上个月在科学预印本网站arxiv.org上发表的“无漏洞”测试,表明我们生活的世界规避了这些约束。
具有讽刺意味的是,传统的量子力学本身就涉及物理现实的巨大扩展,这可能足以避免爱因斯坦式疯狂。量子动力学方程允许物理学家在给定波函数当前值的情况下预测其未来值。根据薛定谔方程,波函数以完全可预测的方式演化。但在实践中,我们永远无法获得完整的波函数,无论是现在还是将来,因此这种“可预测性”是无法实现的。如果波函数提供了对现实的终极描述——一个有争议的问题!——我们必须得出结论,“上帝玩的是一个深刻但严格遵守规则的游戏,在我们看来就像骰子。”
爱因斯坦的挚友和智力辩论伙伴尼尔斯·玻尔对真理有着细致入微的看法。根据玻尔的说法,简单真理的反面是谬误,而深刻真理的反面是另一个深刻真理。本着这种精神,让我们介绍一个深刻谬误的概念,其反面同样是一个深刻谬误。似乎可以用一句警句来结束这篇文章,这句话与我们开头的那句警句搭配起来,给出了一个很好的例子:
“所谓天真,就是一遍又一遍地做同样的事情,却总是期待相同的结果。”
弗兰克·维尔切克 因其在强力理论方面的工作而被授予 2004年诺贝尔物理学奖 。他最近出版的书是 《美丽的问题:发现自然的深刻设计》。维尔切克是麻省理工学院的赫尔曼·费什巴赫物理学教授。
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