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光子、类星体和自由意志存在的可能性

来源:环球科学

生命中充满了选择:是来块曲奇还是去健身馆?是窝在沙发上追我们最爱的剧还是按时上床?我们的选择带来相应结果,但我们真的是基于自由意志做出选择的吗?

长久以来,哲学家们对自由意志的本质争论不休,这也引出了关于宇宙本质的关键问题。从大爆炸到终结,严格的物理法则是一直左右着宇宙的命运,还是偶尔会允许随机事件发生?一个世纪以来的系列物理实验未能解决这个问题。但是,一项最新的、横跨数十亿光年的量子实验,使可能性的天平向后者倾斜。

经典物理法则是决定性的。牛顿的数理宇宙是顺时针运转的,每一原因都有其独特的影响,我们受制于严格的自然法则而非自己的选择。另一方面,量子物理具有模糊随机性,在一些科学家看来,这可以打开自由意志的大门。由于量子物理是现实的关键,随机性似乎更胜一筹。

但另一些科学家认为量子随机性并不是真的随机。丢骰子的结果看起来是随机的,实则不然。骰子所有复杂的翻飞旋转都是被重力和桌子共同决定的。一旦它脱离我的手,它的点数就早已被决定了,只不过我要等到最后才能知道。也许量子物体也是如此,它们看似随机行动,实际上却已被一些隐藏变量决定了。

从研究生阶段起,我就被这个问题吸引了。我的论文关注点是还未完全明了的量子引力,原因之一是我们不知道爱因斯坦的引力决定论该如何与量子力学的随机性相结合。这个问题也令爱因斯坦着迷,他比我聪明得多,想出了一个可以检验这个想法的实验。他与鲍里斯·波多尔斯基(Boris Podolsky)和内森·罗森(Nathan Rosen)一起提出了一个思想实验,现被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森实验,简称EPR实验。

为理解这个实验,现假设我们都有一个淘气的朋友,简。每当简穿破一双跑鞋,她都喜欢寄给我们每人一只鞋来恶作剧。所以,每当你收到一只简寄来的鞋,我也会收到一只,其中一只是右脚,一只是左脚。但是,除非我们之一打开盒子,否则不会知道各自有的是哪只鞋。当盒子送达你的门口,你打开时发现拿到的是左鞋,同一时刻,你就知道我必然拿到的是右鞋了。

这就是EPR实验的基本原理。这听起来像是日常生活中的恶作剧,但对于量子物体来说就变得奇怪了。你大概听说过薛定谔的猫,除非被观察确定,一只量子猫可以处于非生非死的状态下。就像经典世界的猫咪一样,量子猫也喜欢量子盒子。量子领域内的事物在未被观察到之前是处于不确定态中的。这就像是我们的盒子里放着成对的东西,比如手套、鞋子、盐和胡椒瓶,但除非我们之一打开盒子,否则无法确切地知道是什么。更奇怪的是,我们测量量子物体的方式决定了输出结果。这就像是从边上打开盒子会让里面的东西变成手套,而从顶上打开会变成鞋子一样。我打开盒子的方式会影响千里之外你的盒子。用量子理论来说,我们的盒子纠缠在了一起,对一个盒子内容物的观察可以告诉我们关于另一个的信息。

手套和鞋子不能用来做这个实验,但光可以。两个纠缠的光子可以被发送到相反方向,我随机测量其中一个光子的振动方向,你测量另一个,我们再进行比较。我们可以从众多可供选择的振动方向中挑一个各自喜欢的来测。当我们在实验室中完成这个实验时,就能证明该方法是可行的。如果我们的测量是随机的,就无法预先得知哪个振动方向会被测量到,也就不会有隐藏变量影响输出结果。不论我们得到的鞋子或手套是左是右,结果都是随机的。

这就是爱因斯坦将量子纠缠称为“幽灵般的超距作用”的原因。纠缠物体如此古怪的原因是即使它们相距光年之远,也存在量子关联。所以,对其中一物的测量由于这种幽灵般的纠缠,实际上变成了对二者的同时测量。但只有当我们的测量随机时才会出现这种古怪现象。如果测量不是随机的,那么纠缠作用就不能用来解释EPR实验结果。

这就是所谓的“自由选择”漏洞。EPR实验是在实验室里进行的,虽然如何测量光子的选择看起来是随机的,但如果没有自由意志,那么我们的观察实际上早已被预先确定。由于在实验室中设置实验需要时间,所以可能存在微弱的相互作用提前透露了量子系统的测量方式。也许实验本身、科学家和实验室都纠缠在了一起,以致输出结果也不是真正随机的。

想绕过这个漏洞就必须解决光速的问题。人们常说,没有什么东西能比光传播得更快,但实际上是信息不能比光传播得更快。我们可以互相发送电报或短信,但是永远不会比光在我们之间的传播速度要快。在一个小实验室里,设置实验的时间足够光在房间里走个来回,所以也许少量的信息在实验完成前就使其偏离了“随机”。这听上去不太可能,但一个新的实验已经解决了这个问题。研究者决定怎样测量光子时使用的不是实验室里的随机数发生器,而是类星体。

类星体就像茫茫宇宙中的明亮灯塔,它的光芒来自遥远星系中心的超大质量黑洞。研究小组利用类星体光的随机波动来决定测量光子的方式。由于来自类星体的光要经过数十亿年才能到达此处,所以亮度的波动在实验前,甚至人类出现前数十亿年就发生了,因此它绝对无法与实验发生纠缠。

实验结果正如量子理论所测,隐藏的决定性变量似乎真的不存在,宇宙中也存在着随机性。

当然,随机性并不是自由意志的必要条件,但这至少说明了你的命运并未被预先决定。所以当你拒绝第二块曲奇的诱惑,或是在傍晚关掉电视时,你应当为自己自豪,因为或许,仅仅是或许,你是自己做出的选择。

原文链接:

https://blogs.scientificamerican.com/observations/photons-quasars-and-the-possibility-of-free-will/

作者:Brian Koberlein

翻译:马一瑗

本文来自:环球科学
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