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随机是世界的本质吗?有序是不是人类对这个世界一厢情愿的认知?

时间:2016-04-24 09:05 文章来源:柠檬铺 点击次数:

自然科学并不负责回答“本质”相关的问题,但可以排除一些与观测不符合的设想。在相对论和量子力学的世界里,如同牛顿力学世界观的决定论并不存在。EPR的实验表明,在我们实验所观测到的这个世界里,定域性,实在性,决定论三者不能都成立。狭义相对论将定域性与因果律相联接,定域性的破坏将导致因果律的失效。因果律和实在性都是自然科学的基本信念,于是物理学家们倾向于认为真正的随机现象是存在的。

定域性和因果律
定域性是指物理过程在一定的时间内只能传播有限范围,并不存在所谓“超距作用”。因果律的一个要求是因在前果在后,这在牛顿力学的世界观里并没有任何问题,这里只有一个普适的时间,但在狭义相对论的世界观里却是一个需要思考的问题,因为不同的参考系有自己的时间,因果律在一个参考系下成立并不一定在另一个参考系下成立。

一个非常经典的例子是:两个人(A和B)在月台上决斗,同时开枪射向对方。月台上有一名围观群众(C),这时有两辆方向相反的列车驶过,上面各有一名围观群众(D和E)。事后三名围观群众对这次事件进行证言,C表示两人是同时射击,D表示A先开的枪,E表示B先开的枪。这在相对论的世界里并不奇怪,一个参考系下的同时在另一个参考系下不一定是同时。但如果A和B两人都通过对自己有利的证词主张是对方是对方先开的枪,自己只是还击,那么事件的责任如何认定。
相对论给出的回答是,通过计算,无论在什么参考系下观察,两人射击的时间差都不足以让任何信号(最快是光速)在两人之间传播。也就是说两人射击的时候都不可能知道对方是否已经射击,还击的说法无法成立。

这样在相对论的世界中因果律是和光速是信息传播的上限相关联的。如果信息传播突破了光速,就会有参考系观测到果在因前的现象。假使B在A开枪的瞬间通过某种“超距作用”立即知道了A的行为并做出反击,那么E会观测到果在因前的现象。把开枪换成写信,E就会观测到B先写了回信,之后再收到A的来信。

【真随机和伪随机】
日常生活中我们见到的随机现象其实并不是真正的随机。电脑产生随机数其实是依靠随机数表,如果另一台电脑使用同样的随机数表并且从开封后进行同样的操作,那么产生出的数字也应是一模一样的。掷骰子也是一样,如果我们对自己的发力有极其精细的控制并且对周围的环境有足够的了解,也是能投掷出想要的点数。甚至连混沌现象也是一样,只要初始条件严格相同,必然会导出相同的结果。这些貌似随机的现象都是因为我们所掌握的信息不够,所以出现了我们无法预知的现象。也就是说这些现象是有因的,只不过我们无法掌握因。

但是在量子力学里的随机现象却是无因的。准备一堆完全一致的放射性元素的原子,过了一会一些衰变了一些没有。我们无法回答为什么是这几个原子衰变而不是那几个原子衰变。如果我们相同的实验再做一遍,会发现这次是不是这几个而是另外几个。量子力学给出的解释是微观过程自有的随机性。也就是说即是我们把实验的方方面面全部都掌握,也无法预测实验的结果。

【爱因斯坦表示不服】
大物理学家爱因斯坦对这种内禀的随机性极其厌恶,一生都致力于找量子力学的茬。在他看来,量子力学不能预测的随机性是因为这个理论本身是不完备的。也许上帝给了每个微观粒子一份随机数表,只不过量子力学没有发现。等到我们通过实验发现了这些随机数表,就会明白,所谓的随机性都是假的。

爱因斯坦为此创造了EPR悖论。假设一个没有自旋的的粒子分裂成两个粒子向两个方向飞去,在量子力学看来,两个粒子都处于自旋向上和自选向下的叠加态。等到他们都飞了很远以后,他们同时被两个探测器探测,他们都要坍缩到一个态。因为角动量守恒,当一个坍缩到自旋向上的态,另一个必须坍缩自旋向下的态。那么问题来了,这两个粒子怎么能得知对方会坍缩到哪一个态上,并作出相反的坍缩。假设真有这个过程,那就是一种超距作用。而爱因斯坦的解释很简单,根本没有什么叠加态,一个粒子分裂成两个粒子,分别被探测器探测。过程很清楚,没有什么超距作用。

量子力学的支持者们挨了这一招后,不得不承认确实有这样一种超距作用(量子纠缠),但是表示这种作用不能传递信息,所以不违反狭义相对论。以一种比较难看的方式保住了因果律。因为在实验上没有做出不同的预测,所以两种理论的争论基本上属于美学范畴。在爱因斯坦看来,量子纠缠确实丑陋。而量子力学的支持者则认为爱因斯坦的随机数表(隐变量)是该被奥卡姆剃刀剃掉的东西。直到贝尔不等式的出现,才把这场争论转化成实验室的实验。

【实验定胜负】
爱因斯坦的EPR实验中两个探测器是一样的,给出的实验结果和量子力学无异。但是,角动量是有方向的。如果两个探测器探测的方向没有关系,难么两种理论就会给出不同的预测。形象的说法是量子力学的两个粒子在都到达探测器的时候同时核对随机数表(通过量子纠缠),这时他们已经知道了探测器的信息。而爱因斯坦的两个粒子在分离的时候就核对了随机数表并作出了选择,这时他们并不知道探测器的信息。所以他们的协作程度就会比量子力学的协作程度低。这种协作程度从数学上可以推出必须小于某个值,而量子力学的粒子则没有任何约束。这就是贝尔不等式。

和其他抨击量子力学的思想实验(比如薛定谔的猫)不同,这次是一个真真正正有可操作性的实验。从1972年一直到2015年,大约有12次实验,都与量子力学的预测相符。实验的结果反而让爱因斯坦的支持者们尝到了苦果:超距作用是存在的,为了不违反狭义相对论,这种作用必须是随机性的,决定论的超距作用将会传递信息。

【所以呢】

实验证明定域实在决定论的破灭,我们三者最多选二。抛弃定域性正如之前所讲,就是抛弃因果律。想保住因果律的唯一方法是找到一套能代替狭义相对论的理论,即包含超距作用又保证因果律。不过你得让着理论解释相对论的一切现象,并与电动力学,广义相对论相兼容,这是有点困难。抛弃实在性就是否认不依赖于观测者的客观世界的存在,我的观测不一定要与你的观测相符,一般自然科学家都不干这种事。抛弃决定论就是现在被广泛接受的量子力学,20世纪的许多技术(半导体技术,激光,纳米材料)都是源自于它。如果你对量子力学的解释感到满意,那么你可以认为随机现象是世界的基石。也许上帝手里真的藏有一份决定一切的随机数表,但人类必然无法偷到它。对我们而言,量子力学的随机是真正意义上的随机。

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题主问的有序并不与随机矛盾。对于大量的随机现象我们依然可以用概率与统计去预测它。赌场并不能预测哪位客人会赢会输,但他却能保证自己是赚钱的,这就是有序的体现。

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