意識(shí)量子論：
你如何令萬物成為真實(shí)
Consciously quantum:
How you make everything real
作者：菲利普·鮑爾 By Philip Ball
作者簡介：
菲利普·鮑爾是一位科學(xué)作家，他的下一本書《超越怪異》，是有關(guān)量子力學(xué)含義的著作。
插圖作者：娜塔利·尼克林
現(xiàn)實(shí)是由我們創(chuàng)造的，這個(gè)想法似乎很荒謬，但是量子理論的一個(gè)大膽的新觀點(diǎn)認(rèn)為：自然界的基本規(guī)律是源于我們自身的感受。
沒有我們，現(xiàn)實(shí)是否還存在？阿爾伯特.愛因斯坦曾帶著懷疑思索過這個(gè)問題，他給出的回答似乎十分確定：我們不看月亮的時(shí)候，月亮肯定不會(huì)消失。量子理論的以下命題給他帶來很大的沖擊：只有當(dāng)我們觀察它們時(shí)，事物才會(huì)變得真實(shí)。這一命題并非那么離譜，甚至愛因斯坦都對其保持開放的態(tài)度。他在1955年的一封信中寫道：“物理學(xué)的基礎(chǔ)，就是假設(shè)現(xiàn)實(shí)世界獨(dú)立于任何感知行為而存在。但是否真正如此，我們并不知道。”
在此后的幾十年里，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，試圖在量子理論中將觀察者安放于一個(gè)“外在”的位置上，是一件極其頭疼的任務(wù)?，F(xiàn)在有些人正在苦思冥想著一種令人難以置信的替代方案：僅僅基于對隨機(jī)性的主觀體驗(yàn)，而不必牽涉任何其他東西，就可以對現(xiàn)實(shí)，連同其中所有量子奇異現(xiàn)象，給出連貫一致的描述。這個(gè)大膽的新理論的提出者說：“這看起來像‘瘋子的觀點(diǎn)’，因?yàn)樗仁刮覀兎艞壦谢疚锢矶傻母拍?。但是，如果這個(gè)理論能夠成立，不僅可以解決量子力學(xué)的一些深層次的難題，還會(huì)徹底改變我們對現(xiàn)實(shí)本身最深層的先入之見。
在對于世界如何運(yùn)轉(zhuǎn)做出預(yù)測這件事上，量子理論是無與倫比的：它的每一個(gè)預(yù)測，無論多么有悖于直覺，都可以被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。例如，電子有時(shí)可以顯示出波的行為特征，盡管它們在其他情況下的表現(xiàn)像是粒子。
在觀察之前，這些量子對象被認(rèn)為是處于一種所有可能觀察結(jié)果的疊加之中。當(dāng)然，這并不意味著它們同時(shí)存在于多種狀態(tài)之中，而我們只能說，所有允許的測量結(jié)果都是可能的。這種潛在的可能性被表述在量子波函數(shù)中，這是一種數(shù)學(xué)表達(dá)式，它將所有結(jié)果及其相對概率表達(dá)成某種“代碼”的形式。
但是，在進(jìn)行測量之前，對于量子系統(tǒng)的性質(zhì)，我們并不清楚波函數(shù)會(huì)告訴我們些什么，如果它確實(shí)能夠告訴我們什么的話,測量行為將所有可能的結(jié)果縮減為一種，這被稱為“波函數(shù)的坍縮”，但沒人真正知道它的含義。一些研究人員認(rèn)為這可能是一個(gè)真實(shí)的物理過程，就像放射性衰變；那些贊同多重世界解釋的人認(rèn)為這是一種幻覺，是想象將宇宙分成每一種可能的結(jié)果而造成的；其他人則仍然認(rèn)為，試圖對其做出解釋沒有任何意義，而且，誰在乎這些解釋呢？數(shù)學(xué)最奏效，所以只需閉上嘴計(jì)算好了。
無論在什么情況下，波函數(shù)的坍縮似乎都是取決于干預(yù)或觀察，這引發(fā)了一些非常難以解答的問題，尤其是意識(shí)在整個(gè)過程中的作用。這是個(gè)測量問題，可以說，在量子理論中是最令人頭痛的一點(diǎn)。“這非常難以說清楚，”加利福尼亞州查普曼大學(xué)哲學(xué)家凱爾文·麥昆說， “每天都會(huì)出現(xiàn)更多的解釋，但所有解釋都有問題?！?/p> 最為流行的就是“哥本哈根詮釋”，它是以量子理論的先驅(qū)者之一尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的家鄉(xiāng)命名的。玻爾認(rèn)為，量子力學(xué)告訴我們的，僅僅是我們進(jìn)行測量時(shí)應(yīng)該期待什么結(jié)果，而不是何種原因?qū)е铝巳绱说慕Y(jié)果。這個(gè)理論不能告訴我們，在我們觀測之前量子系統(tǒng)是什么樣子，我們唯一能夠期待它告訴我們的，就是各種不同的可能觀測結(jié)果出現(xiàn)的概率。 這樣的觀點(diǎn)似乎逼迫你去接受一個(gè)不怎么舒服的結(jié)論：觀測結(jié)果正是我們的觀察行為帶來的。這是真的嗎？正如愛因斯坦含蓄表示的那樣，這似乎與科學(xué)通常的假設(shè)相左，然而這個(gè)想法是有它的淵源的。二十世紀(jì)三十年代初期，匈牙利物理學(xué)家約翰·馮·諾伊曼第一個(gè)認(rèn)真地考慮了這個(gè)詮釋，二十世紀(jì)五十年代，他的同胞尤金·維格納通過一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)邁出了更深入的一步，這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)在被稱為“維格納的友人”。
“如果沒有借助于我們的主動(dòng)參與，現(xiàn)實(shí)就不能被描述，那該怎么辦呢？”
假設(shè)維格納站在無窗子的房間外面，他的朋友正在房間里對一個(gè)粒子進(jìn)行觀測。一旦完成觀測，她就能知道該粒子所測量到的屬性是什么樣，但是維格納不知道。在他朋友告訴他結(jié)果之前，他不能說粒子的波函數(shù)已經(jīng)坍縮，那是沒有意義的。更糟糕的是，在他朋友告訴他結(jié)果之前，量子理論沒有提供任何途徑，讓維格納將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有他看不見的事件都看作具有固定的結(jié)果。他的朋友，她的測量儀器和粒子仍然處在一個(gè)巨大的疊加態(tài)之中。
這就好像我們生活在一個(gè)唯我論的世界里，只有當(dāng)有關(guān)結(jié)果的知識(shí)沖擊到一個(gè)具有意識(shí)的頭腦時(shí)，坍縮才會(huì)發(fā)生。“由此可見，對物體的量子描述，受到參與的我的意識(shí)的感覺所影響，”維格納寫道。“唯我論可能在邏輯上與現(xiàn)有的量子力學(xué)一致。”
我們看到的現(xiàn)實(shí)，可能并不是真實(shí)存在的現(xiàn)實(shí)
彼得·馬洛 /馬格蘭攝影通訊社
普林斯頓大學(xué)的約翰·惠勒對此持有不同的觀點(diǎn)，他認(rèn)為：并非是唯我論，而是一種交互式協(xié)作，使事物成為現(xiàn)實(shí)?；堇照f，我們生活在一個(gè)“參與式的世界”——這個(gè)世界沒有我們的主動(dòng)參與，不可能被有意義地描述。 他寫道：“關(guān)于量子力學(xué)，沒有什么比這一點(diǎn)更令人吃驚了，即，它讓人們嚴(yán)肅地對待這一觀點(diǎn)……在沒有對其進(jìn)行觀察的情況下，宇宙可能什么也不是?！?/span>
但惠勒無法擺脫參與式宇宙引發(fā)的重重亂麻般無法解決的問題。例如，維格納和他的朋友似乎陷入了一個(gè)無限序列的“回歸”之中。在維格納將結(jié)果傳遞給下一座建筑中他的其他朋友之前，他自己是否也處于一種疊加狀態(tài)？波函數(shù)的坍縮在什么時(shí)候發(fā)生，是由哪位觀察者來“決定”？到底什么可以被視為有意識(shí)的觀察？
盡管這些問題持續(xù)存在，但一些理論家最近又返回到了某種形式的惠勒看法之中，波士頓馬薩諸塞大學(xué)的克里斯·?？怂狗Q之為“參與式現(xiàn)實(shí)”。這種轉(zhuǎn)變，部分是因?yàn)橄胍幸粋€(gè)更好的選擇，但主要是因?yàn)?如果你嚴(yán)肅地對待量子力學(xué)，那么想要避免其所含的某種依賴觀察者的主觀性元素，似乎是不可能的。
幾年前，維也納大學(xué)的理論家卡斯拉夫·布魯克納重新審視了牛津大學(xué)大衛(wèi)·多伊奇提出的，稍微修改過的“維格納的友人”實(shí)驗(yàn)情景。在這個(gè)情景下，維格納的朋友進(jìn)行了測量，她已經(jīng)使粒子的波函數(shù)坍縮，產(chǎn)生了結(jié)果A或結(jié)果B，但她只是告訴維格納說，她看到了一個(gè)確定的結(jié)果，而沒有說這個(gè)結(jié)果是什么。在多伊奇設(shè)定的情景下，維格納被迫得出的結(jié)論：他的朋友，朋友的測量儀器和粒子處于一種聯(lián)合疊加狀態(tài)，盡管他知道測量行為已經(jīng)發(fā)生過了。
對維格納的朋友來說，她絕對處于，比如說“我看見了A”的狀態(tài)，但對維格納來說，她處于“我看見A”和“我看到B”的疊加狀態(tài)。那么，兩者中誰是正確的？布魯克納說，這取決于你采納誰的觀點(diǎn)。他的觀點(diǎn)是：如果量子力學(xué)是正確的，那么就沒有一個(gè)特權(quán)視角，使得第三位觀察者可以基于這一視角去調(diào)和維格納和他朋友的陳述?！皼]有理由認(rèn)為其中一個(gè)‘事實(shí)’比另一個(gè)‘事實(shí)’更為根本，”布魯克納說，所以我們不得不得出的結(jié)論是：“世界本身不存在的事實(shí)”。相反，存在的只有每個(gè)觀察者的事實(shí)。
對量子力學(xué)的一種解釋方式，從容地接受了以上這一結(jié)論。在二十一世紀(jì)由?？怂购推渌颂岢龅牧孔迂惾~斯主義（也稱為QBism）基于這樣一種觀點(diǎn)：量子力學(xué)僅僅提供了如下建議：一個(gè)理性觀察者在他或她進(jìn)行測量時(shí)，對于會(huì)看到什么應(yīng)該具有的信念，且在觀察者將新的經(jīng)驗(yàn)考慮在內(nèi)后，這些信念可以進(jìn)行更新?！柏惾~斯主義”是出自于經(jīng)典概率論，在18世紀(jì)被首次提出，它根據(jù)觀察者已經(jīng)知道的事實(shí)賦予概率。
QBism直接了當(dāng)?shù)胤穸藢τ诹孔討B(tài)的任何客觀看法。這并不意味著除了個(gè)人的信念之外，不可能有什么“真實(shí)的”的東西，只是量子力學(xué)對于這個(gè)問題并沒有直接言及。
布魯克納“另類事實(shí)”的存在并不會(huì)給這種圖景帶來傷害，因?yàn)檫@一直是它的一種假設(shè)。波函數(shù)也沒有坍縮，這只是講述測量如何更新我們知識(shí)的一種方式。然而，幾乎沒有物理學(xué)家愿意在他們對現(xiàn)實(shí)進(jìn)行描述的努力中接受如此嚴(yán)格的限制，這就是為什么QBism仍然是一種少數(shù)派的“游戲”。
現(xiàn)在怎么樣了呢？搜索一下“馬庫斯·穆勒”，這個(gè)自稱為“瘋子”的維也納大學(xué)的理論學(xué)家。他的回答則是更上了一個(gè)“檔次”?！癚Bism不夠極端，”他說，“它假定這里有一個(gè)外部世界，最終對我們的經(jīng)驗(yàn)負(fù)責(zé)，而我的方法是從假設(shè)沒有這樣一個(gè)世界開始?！边@意味著，在基本的自然定律不存在的設(shè)想下，沒有廣義相對論，也沒有麥克斯韋方程組或海森堡的不確定性原理，我們?nèi)栆粏柺澜缡鞘裁礃幼?，答案可能?huì)讓你大吃一驚。
“極其奇特！你最終得到的，是一個(gè)直接由我們的經(jīng)驗(yàn)所構(gòu)建的宇宙”。
因?yàn)?，即使你拋開物理學(xué)，數(shù)學(xué)的邏輯依然存在，這正是穆勒構(gòu)建他的假想世界的起點(diǎn)。假設(shè)你具備某一體驗(yàn)X：你觀察世界，然后得到了結(jié)果X，在這種條件下，你隨后將會(huì)體驗(yàn)到另一個(gè)結(jié)果Y的機(jī)會(huì)有多大？數(shù)學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域恰好可以準(zhǔn)確處理這些問題，這就是算法信息理論，該理論展示了如何基于具有明顯貝葉斯風(fēng)格的歸納推理去進(jìn)行預(yù)測：有一個(gè)方程式可以計(jì)算出，在發(fā)生了X的條件下，隨后發(fā)生Y的概率。
是你經(jīng)驗(yàn)的每一個(gè)片段構(gòu)造出了現(xiàn)實(shí)的模樣
蘇海米·阿卜杜拉/格蒂圖片社
穆勒希望看到，在沒有任何其他因素影響其發(fā)展的情況下，這個(gè)推理會(huì)將世界引向何處？他將每個(gè)人在每個(gè)時(shí)刻的經(jīng)驗(yàn)表示為一條信息位串（或稱比特串）——由1和0構(gòu)成，如同二進(jìn)制計(jì)算機(jī)代碼。然后，每個(gè)觀察者的歷史都是由穿行于各種可能的比特串的步驟所構(gòu)成，從一個(gè)串到下一個(gè)串的概率是隨機(jī)但有條件的：它必須將之前經(jīng)歷的歷史考慮在內(nèi)。香港大學(xué)理論家朱利奧·奇里貝拉（Giulio Chiribella）說：“這個(gè)想法，是將我們的經(jīng)歷視為由多幅相續(xù)的畫面組成的電影，并追問，在我迄今為止已經(jīng)看到的畫面的條件下，我將會(huì)看到下一幅畫面是什么？ ”
你可能會(huì)認(rèn)為，這種描畫很難與我們對現(xiàn)實(shí)的感受：一個(gè)受規(guī)律支配的宇宙取得一致。而且，我們認(rèn)為，這個(gè)宇宙中所顯現(xiàn)的狀態(tài)對你和對我來說都是一樣的。但是，當(dāng)穆勒使用算法信息理論計(jì)算出比特串的序列是什么樣子時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了一些引人注目的東西。
隨著這些隨機(jī)體驗(yàn)的累積，對下一次的可能體驗(yàn)，由簡單的比特串序列所描述的那些體驗(yàn)的條件概率，要比由復(fù)雜的比特串序列所描述的那些更高。這使得它看起來像是一個(gè)相當(dāng)簡單的生成比特串的算法。所以，觀察者推導(dǎo)出了一個(gè)有關(guān)現(xiàn)實(shí)的簡單“模型”，這一模型由通?？衫斫獾亩伤碚鳎@些定律平穩(wěn)流暢地將一個(gè)體驗(yàn)與下一個(gè)體驗(yàn)聯(lián)接起來。
這似乎非常奇怪：隨機(jī)性如何能導(dǎo)致這種看上去像是由定律所規(guī)范的行為？這其實(shí)與我們理解氣體的方式有點(diǎn)相似，盡管從原則上講，氣體分子速度和位置的所有組合方式（即構(gòu)形）都是允許出現(xiàn)的，但我們看到的分子速度的分布概率，卻呈現(xiàn)為一種簡單的鐘形曲線，并且，分子在空間中的位置呈現(xiàn)為一種穩(wěn)定的均勻分布。由此，我們可以得到一些物理量：壓力、溫度和體積，并且可以輕松地對其進(jìn)行測量，得到描述它們之間的聯(lián)系的一些簡單定律。這些定律不是對氣體分子顆粒本身的描述，它們是氣體分子不同構(gòu)形概率的一種涌現(xiàn)屬性。
“令人驚奇的是，一種‘客觀的外部世界’的觀念會(huì)在這種算法長時(shí)間的運(yùn)行中自動(dòng)涌現(xiàn)，”穆勒說，更重要的是，“不同的觀察者對這個(gè)外部世界屬性的認(rèn)識(shí)將趨于一致?！边@是因?yàn)椋鶕?jù)算法信息理論，對于不同的觀察者，比特串概率將收斂于同一種分布，所以他們將會(huì)在“世界的規(guī)律”是什么這一點(diǎn)上達(dá)成共識(shí)。 “總的來說，‘電影’大概很簡單，因而，其情節(jié)的某些方面能夠得到不同的觀察者的普遍認(rèn)同，”奇里貝拉說。
意想不到的事并未到此終止，這種涌現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)將具有的特性，恰恰是我們在量子物理中所看到的：物體可以顯示出波的特性，并且其行為具有“非局域”性的特征，即，對一個(gè)粒子的測量，似乎可以在同一瞬間影響到與其在空間中相互分離的另一個(gè)粒子的狀態(tài)。
其結(jié)果是，對于我們個(gè)人經(jīng)歷中將發(fā)生的事件的概率，你只需要作出少到不能再少的幾個(gè)假設(shè)，就可以恢復(fù)出一個(gè)與我們所了知的相同的世界。 “世界看起來在某種程度上仍然會(huì)像我們體驗(yàn)到的那樣，盡管事實(shí)上與其有著令人難以置信的差別，”穆勒說。
穆勒的想法如何能夠經(jīng)受住測試的考驗(yàn)，這一點(diǎn)并不是顯而易見的，但間接的證據(jù)是，在解決波爾茲曼大腦問題的道路上，他可能已進(jìn)入正確軌道，波爾茲曼大腦幾乎是一個(gè)形而上學(xué)的難解之謎，它表明我們并不是我們認(rèn)為的那種存在（見“自發(fā)性大腦”）。
同樣，從觀察者經(jīng)驗(yàn)中直接建立起來的這個(gè)宇宙景像是如此的“另類”，以至于其他研究人員幾乎不知道該如何看待它。這是“一個(gè)非常有趣的起點(diǎn)，它會(huì)引發(fā)新的問題”，奇里貝拉說。同時(shí)，布魯克納（Brukner）對其持開放的態(tài)度，“馬庫斯（即穆勒）對概念掌握和數(shù)學(xué)背景都很強(qiáng)，并且使他能夠突破舒適區(qū)（譯注：指，不必費(fèi)力氣思索而得到的），并對理論提出真正的概念變化和修改，”他說。
穆勒本人深知，他選擇的絕不是一條易行之路，但仍認(rèn)為值得去試探著走一下。 “它并不像最初看起來那么瘋狂，”他說，“但如何說服人們是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗[含的世界觀是極不尋常的，與我們習(xí)以為常的觀念大相徑庭?！?/p>
波函數(shù)的坍縮，即不可勝數(shù)的可能測量結(jié)果成為了單一確定結(jié)果的這一過程，是由意識(shí)誘發(fā)的，這種觀點(diǎn)在本質(zhì)上并不具有荒謬之處。然而物理學(xué)家一直認(rèn)為這是一個(gè)相當(dāng)離經(jīng)叛道的建議，因?yàn)樗坪跏怯靡粋€(gè)謎團(tuán)取代另一個(gè)謎團(tuán)：我們不知道如何描述意識(shí)，那么我們怎么能期望知道它是如何導(dǎo)致坍縮的呢？
加利福尼亞州查普曼大學(xué)哲學(xué)家凱爾文·麥昆，以及堪培拉澳大利亞國立大學(xué)的戴維·查爾莫斯最近開始做的事情，使得我們現(xiàn)在可以更精確地處理這個(gè)問題。
二人從信息整合理論中得到了啟發(fā)，這一理論假定，意識(shí)來源于大腦中的互聯(lián)性。其發(fā)明者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的神經(jīng)科學(xué)家朱利奧·托諾尼，基于系統(tǒng)組成部分如何共享和組合信息，甚至提出了一種量度意識(shí)的數(shù)學(xué)量，稱為Φ（或Phi）。
信息整合理論對意識(shí)是“全有或全無”的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)，對于非人類的生物，甚至更簡單的（如，人造的）系統(tǒng)，也可能具有某種程度的意識(shí)這一觀點(diǎn)，它持開放的態(tài)度。這個(gè)想法尚有待測試，還沒有人能夠給出如何計(jì)算人腦Φ的公式。但是，這種期望使得麥昆和查爾莫斯提出了一種大膽的方式，來測試意識(shí)是否確實(shí)會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)的坍縮。
麥昆說，原則上，你可以做一個(gè)帶點(diǎn)“花樣”的普通量子實(shí)驗(yàn)：粒子本身就具有某種計(jì)算能力，但仍然足夠小，以至于可以顯示出可觀察到的量子行為。如果這樣的粒子具有足夠大的Φ值，那么它們可能會(huì)自動(dòng)地導(dǎo)致坍縮，并且無法如同尺寸相同但 Φ值較低的粒子那樣，顯示出像波的干涉效應(yīng)這樣的量子現(xiàn)象。
麥昆對于進(jìn)行這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)將會(huì)面臨的困難不抱幻想。他說：“我并不執(zhí)著這個(gè)想法，但是我確實(shí)希望看到，一旦清楚了如何構(gòu)建合適的測試系統(tǒng)，它能得到證實(shí)或證偽?！?/p>
在19世紀(jì)后期，奧地利物理學(xué)家路德維?！げ柶澛鼘⑹澜缑枋鰹槌錆M隨機(jī)運(yùn)動(dòng)粒子的空間，這些粒子可以具有各種不同的構(gòu)形。
實(shí)驗(yàn)早已證實(shí)，我們的現(xiàn)實(shí)與這一圖景相一致，但這里存在一個(gè)問題。如果你考查一下每種構(gòu)形的概率，得出的結(jié)論是，我們幾乎不可能成為在一個(gè)星球上經(jīng)歷了數(shù)十億年進(jìn)化的眾生，反倒是更像一顆短暫而孤獨(dú)的“大腦”，他純粹由于某種機(jī)會(huì)從混沌中脫穎而出，自由地流轉(zhuǎn)著，完全被想象的回憶和感受所充斥。我們怎么能知道，我們不是這種隨時(shí)都會(huì)輕易地被融化，回歸到（粒子的速度和空間分布）起伏著的宇宙中的“波爾茲曼大腦”？
幾十年來，物理學(xué)家和哲學(xué)家都為此所困擾，但是一個(gè)全新的觀點(diǎn)可以讓這個(gè)問題得以化解。如果客觀現(xiàn)實(shí)是以數(shù)學(xué)上可預(yù)測的方式顯現(xiàn)的，即，我們過去的經(jīng)歷決定未來的觀察結(jié)果，那么，波爾茲曼大腦的經(jīng)歷中所遇到的突然不連貫將會(huì)消失得無影無蹤。經(jīng)歷應(yīng)該是平穩(wěn)的，相互聯(lián)接的，并且在我們的尺度上是完全可預(yù)測的。
與此類似的觀點(diǎn)也認(rèn)為，未必像一些研究人員所說的那樣，我們只不過是某些超智能宇宙計(jì)算機(jī)模擬中的“智能代理”而已。那種東西在“死機(jī)”之類的突發(fā)事件面前同樣不堪一擊，而我們對現(xiàn)實(shí)卻有著一種持久穩(wěn)固的感知。
此文印刷版的標(biāo)題為“什么是現(xiàn)實(shí)？它正是你所創(chuàng)造的”
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