
量子理论学家克里斯托弗·福克斯解释了如何解决量子力学的悖论。他的代价是:物理学变得个人化。
克里斯托弗·福克斯是QBism的提出者和主要倡导者,这是一种替代性的量子力学诠释,将量子波函数视为无知的反映。
克里斯托弗·福克斯将物理学描述为“叙事与方程书写的动态互动。二者缺一不可,即使在最终阶段也是如此”。作为波士顿马萨诸塞大学的物理学家,福克斯确实有一个激进的故事要讲。这个故事被称为量子贝叶斯主义QBism,大致内容如下。
从前有一个波函数,据说它能完全描述客观世界中物理系统的状态。波函数的形状编码了观察者可能对其进行的任何测量的结果概率,但波函数属于自然本身,是对客观现实的客观描述。
后来福克斯出现了。他与卡尔顿·凯夫斯和吕迪格·沙克一起,将波函数的概率解释为贝叶斯概率——即关于系统主观信念程度的度量。贝叶斯概率可被视为对测量结果下注的赌博态度,这种态度会随着新数据的出现而更新。换句话说,福克斯认为,波函数并不描述世界——它描述的是观察者。“量子力学,”他说,“是一种思维定律。”
量子贝叶斯主义,或福克斯现在所称的QBism,解决了量子理论中许多深刻的谜题。例如,著名的“波函数坍缩”,即量子系统莫名其妙地从多个同时存在的状态转变为单一实际状态。根据QBism,波函数的“坍缩”只是观察者在测量后更新其信念的过程。超距作用,即此处观察者对粒子的测量导致彼处粒子波函数坍缩的现象,其实并不神秘——此处的测量只是为观察者提供了信息,以便在接触远处粒子时对其状态进行下注。但我们可能会问,此处的测量如何影响彼处另一观察者将进行的测量结果?事实上,它并不影响。由于波函数不属于系统本身,每位观察者都有自己的波函数。我的波函数不必与你的保持一致。
量子粒子可以处于多种可能状态。当观察者进行测量时,她瞬间将波函数“坍缩”为一种可能状态。QBism认为这种坍缩并不神秘,它只是反映了观察者知识的更新。测量前她不知道粒子在哪里,现在她知道了。
在众多量子力学诡异性的诠释中,QBism独树一帜。传统的“哥本哈根诠释”将观察者视为某种站在自然之外的存在,被赋予神秘的波函数坍缩能力,其遵循的物理定律与被观察对象不同。这原本没问题,直到第二个观察者来观察第一个观察者。“多世界诠释”则声称宇宙及其所有观察者由一个永不坍缩的巨型波函数描述。当然,为了使其成立,必须坚持在每一个分岔路口——每一次抛硬币、每一次决策、每一个瞬间——波函数都会分支,我们也会随之分裂成无数个版本,这些版本共同完成了我们将要做或不做的一切。对于那些认为无限平行现实代价过高而无法避免波函数坍缩的人来说,还有玻姆诠释,它试图通过假设存在一种渗透宇宙并确定性地支配一切的引导力,为世界恢复更具体的现实性。不幸的是,这种新现实永远无法被科学探测触及。
这些诠释有一个共同点:它们都将波函数视为对多位观察者共享的客观现实的描述。而QBism则将波函数视为对单一观察者主观知识的描述。它解决了所有量子悖论,但代价是牺牲了我们所谓的“现实”。不过,也许这正是量子力学一直试图告诉我们的——单一的客观现实是一种幻觉。
QBism也引发了一系列新的、同样神秘的问题。如果波函数描述的是观察者,那么观察者必须是人类吗?观察者必须有意识吗?可以是狗吗?(“狗不使用波函数,”福克斯说,“见鬼,我到34岁才坍缩波函数。”)如果我的波函数不必与你的保持一致,我们是否生活在同一个宇宙中?如果量子力学不描述外部现实,那它描述的是什么?
福克斯在这些问题中挣扎,常通过电子邮件的形式整理思路。他的长信已成为传奇。二十年来,福克斯将它们整理成册——他称之为“地下出版物”——在量子物理学家和哲学家之间作为某种地下手稿流传。2000年5月福克斯在洛斯阿拉莫斯的住所遭遇火灾后,他决定将这些信件备份到科学预印本网站arXiv.org上,形成一篇巨著,后来由剑桥大学出版社出版成一本500页的书。13年后,第二部地下出版物发布,新增了2300页。这些邮件既展现了福克斯敏锐的思维,也体现了他鲜明的个性。正如物理学家戴维·默明所说:“如果克里斯·福克斯不存在,上帝也定会创造他。”
那么QBism的故事将如何收场?最终,福克斯希望回答一个著名问题,这是他的导师、杰出物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒提出的:为何量子?也就是说,为何世界必须以量子力学的奇怪规则来描述?
与此同时,《量子杂志》在马萨诸塞州剑桥的一家咖啡馆与福克斯会面,提出了我们自己的问题。以下是经过编辑和浓缩的对话内容。
《量子杂志》:你曾说:“我知道我必须成为一名物理学家,不是出于对物理学的热爱,而是出于对物理学的不信任。”
克里斯托弗·福克斯:小时候我是个科幻迷。我在得克萨斯州的一个小镇长大,真的很享受太空飞行的概念。这似乎是必然的——我们要登月,这只是第一步,科学是无限的,最终我们会做《星际迷航》里的事:前往行星,发现新生物,展开冒险。于是我开始阅读关于物理和太空旅行的书籍,从中我第一次了解到,由于恒星间距离遥远,太空旅行会很困难。如何解决这个问题?我了解到约翰·惠勒、黑洞和虫洞,可能虫洞是解决速度限制问题的一种方式,或者我们可以通过称为快子的奇异粒子突破速度限制。我如饥似渴地吸收这些知识。但大多数后来被证明不太可能实现;虫洞被证明不稳定,没人真正相信快子。总体而言,这向我传递的信息是,物理学不允许我们到达恒星。我开玩笑似的告诉朋友们,如果物理定律不允许我们到达恒星,那物理定律一定是错的!
“概率并不存在!它将像燃素、女巫、精灵和仙子一样消失。”
《量子杂志》:你最终师从约翰·惠勒。
第一次去得克萨斯大学时,我意识到多年前读过的约翰·惠勒竟是那里的教授。于是我阅读了他的一些新论文,其中他谈到了“无法则之法则”。他会说:“最终,唯一的法则是没有法则。”没有终极的物理定律。所有物理定律都是可变的,而这种可变性本身就是物理学的原则。他曾说,没有不被超越的物理定律。我看到这些,想起自己关于物理定律一定是错的玩笑,立刻被这个想法吸引:也许最终根本没有物理定律。至于取代定律的是什么,我不知道。但如果定律不是100%可靠,也许通向恒星还有后门。这都是青年的浪漫主义;我甚至还没上过物理课。
在你的一篇论文中,你提到埃尔温·薛定谔写过希腊思想对我们现实概念的影响,以及我们将主体——说话者排除在外来谈论现实是一种历史偶然。你是否试图打破希腊思想的束缚?
薛定谔认为希腊人对我们有种控制——他们看到,要在思考世界方面取得进展,就必须排除其中的“认知主体”。QBism反对这种倾向,认为量子力学不是关于没有我们的世界如何运行;恰恰相反,它是关于我们在世界中的存在。该理论的主题不是世界或我们,而是我们在世界中的存在,即两者的接口。
我们习惯于在不考虑自身的情况下思考世界。这让我想起爱因斯坦对空间和时间的质疑——这些世界的特征曾显得如此绝对,以至于没人想到要质疑它们。
据说在早期文明中,人们不太知道如何区分客观与主观。但一旦区分两者的观念站稳脚跟,我们就被告知必须这么做,而科学是关于客观的。现在这已经完成,很难回头。我认为人们对QBism最大的恐惧正在于此:它是人类中心论的。感觉是,我们通过哥白尼超越了这一点,而这一定是倒退。但我认为,如果我们真的想要一个充满可能性、没有终极限制的宇宙,这正是必须走的路。
《量子杂志》:QBism如何带你突破这些限制?
一种看法是,物理定律并非关于“外部”的物质。相反,它们是我们最好的表达,是我们关于自身局限的最全面陈述。当说光速是终极速度极限时,我们是在说无法超越光速。但正如我们的大脑通过达尔文进化变得更大,可以想象我们最终会进化到能利用现在无法利用的事物。我们可以称这些事物为“物理定律的变化”。通常我们认为宇宙是僵化的,无法改变。但方法论上,我们应假设完全相反的情况:宇宙摆在我们面前,以便我们塑造它,它可以被改变,也会对我们产生反作用。我们将通过观察它对我们的反作用来理解自身的局限。
《量子杂志》:我们来谈谈概率。
概率并不存在!布鲁诺·德·菲尼蒂在其两卷本概率论著作的引言中用大写字母写道:“概率并不存在。”他说它将像燃素、女巫、精灵和仙子一样消失。
当量子力学的创始人意识到该理论用概率描述世界时,他们认为这意味着世界本身是概率性的。
在皮埃尔-西蒙·拉普拉斯的时代,概率被视为主观陈述——你并非全知,但可以通过量化知识来应对。但在19世纪末20世纪初的某个时候,概率开始以客观方式出现。人们用统计方法推导实验室可测量的量——比如热量。因此人们认为,如果这个量因概率考量而产生且是客观的,那么概率本身也必须是客观的。接着量子力学出现。哥本哈根学派认为量子力学是完备的、封闭的理论,这常被理解为所有特征都应是自然的客观特征。如果量子态给出概率,这些概率也应是自然的客观特征。另一派以阿尔伯特·爱因斯坦为代表,他认为量子力学不完备。当他描述量子力学中的概率时,似乎将其解释为不完全知识、主观状态的陈述。
《量子杂志》:所以当你说概率不存在时,你是指客观概率不存在。
是的,作为脱离赌博主体的存在,它并不存在。但假设你已确信理解概率的正确方式是将其视为对不确定性和无知的描述。现在你可以采取一系列立场。根据贝叶斯统计学家I.J.古德的说法,有46656种变体。当我们开始研究量子贝叶斯主义时,我们试图采取类似E.T.杰恩斯(点击打开新标签页)的立场:我们承认概率存在于头脑中——我的概率在我的头脑中,你的在你的头脑中——但如果我们基于相同的信息,我们的概率赋值应该相同。在信息条件下,它们应该是客观的。在46656种变体中,这种立场被称为“客观贝叶斯主义”。
在光谱的另一端是布鲁诺·德·菲尼蒂。他说,我的概率和你的概率没有必要匹配,因为我的基于我的经验,你的基于你的经验。在这种情况下,如果我们将概率视为赌博态度,我们所能做的就是让个人赌博态度内部保持一致。我应该对自己的态度保持一致,你也一样,但这是最好的情况。这就是德·菲尼蒂说概率不存在时的意思。他指的是采取极端立场。与其说概率主要存在于头脑中但仍有一些额外规则将其锚定于世界,不如说他抛弃了锚定。
最终,我和同事吕迪格·沙克觉得,为了保持一致,我们必须与杰恩斯决裂,更倾向于德·菲尼蒂的方向。杰恩斯曾取笑德·菲尼蒂,我们认为,实际上,那里才是真正的解决方案所在。
《量子杂志》:是否正是那时名称从量子贝叶斯主义变为QBism?
量子贝叶斯主义太拗口,所以我开始称它为QBism。我一开始用QBism称呼,人们就更加关注它了!但我的同事戴维·默明开始抱怨,QBism不应该是量子贝叶斯主义的缩写,因为许多贝叶斯主义者不会接受我们的结论。因此他想称之为量子布鲁诺主义,以纪念布鲁诺·德·菲尼蒂。问题在于,QBism的某些形而上学部分甚至德·菲尼蒂也不会接受!
但我找到了完美的B。问题是它太丑了,你不想在公共场合展示。这个术语来自最高法院大法官小奥利弗·温德尔·霍姆斯。他将自己的哲学描述为“赌局能力论”。正如路易斯·梅南德所说,这种哲学认为“世界是松散的”。你所能做的就是对行动的后果下注。[该词来自“赌注”(bet)和“能力”(ability)的合成词。]我认为这非常契合,但我不想说QBism代表量子赌局能力论,所以我认为最好效仿肯德基的做法。它过去叫肯德基因炸鸡,现在只是KFC。
《量子杂志》:如果量子力学是你所说的用户手册,那么用户是谁?爱因斯坦谈到了观察者,但量子力学中的观察者与相对论中的观察者不同。
前几天我和哲学家罗布·迪萨尔交谈。他说在相对论中观察者问题不严重,因为一个观察者可以“查看另一个观察者的肩膀”。我喜欢这种表述。换句话说,你可以用变换定律将一个观察者所见的转换为另一个观察者将见的。玻尔曾强调这一点。他强调量子力学与相对论的相似性,无法理解爱因斯坦为何不接受量子理论。但我认为问题不同。正如QBism所理解的,量子测量结果是个人化的。无人能见。要么我见,要么你见。没有变换能将一种个人体验转换为另一种。威廉·詹姆斯试图论证“两个头脑可以认知同一事物”时,完全是错的。
《量子杂志》:这是否意味着,正如亚瑟·爱丁顿所说,世界的本质是思维物质?
QBism会说,世界不是由“外部”的物质构成——如希腊人认为的那样。也不是由“内部”的物质构成——如乔治·贝克莱和爱丁顿等唯心主义者认为的那样。相反,世界的本质在于每个人每时每刻所遭遇的事物——既非内部也非外部,而是先于两者区分的概念。
《量子杂志》:所以最终客观性会介入吗?
我希望如此。我最终将QBism视为一种探索,指向世界中某种内在的东西。但我还没有确切答案。量子力学是单用户理论,但通过剖析它,你可以了解我们沉浸其中的世界。
《量子杂志》:将量子力学视为单用户理论解决了许多悖论,比如超距作用。
是的,但以许多人感到困扰的方式。关于贝尔定理的常见说法是,它告诉我们世界必须是非定域的,确实存在超距作用。因此他们用一个巨大的谜题解决了另一个谜题!这种非定域性是什么?给我一个完整的理论。我和其他QBism主义者认为,贝尔定理实际上表明测量结果是体验,而非已存在事物的揭示。当然,其他人认为我们放弃了科学作为一门学科,因为我们谈论主观信念程度。但我们认为它解决了所有基础困境。唯一无法解决的是惠勒的问题:为何量子?
《量子杂志》:为何是量子?
我希望我有更多感悟。我着迷于被称为SIC的美丽数学结构——对称信息完备测量——名字糟糕,几乎和赌局能力论一样差。它们可用于将玻恩规则(生成量子力学概率的数学程序)改写为另一种语言,其中玻恩规则似乎深刻涉及通过假设分析现实。如果你心中认为——并非所有人都如此——量子力学的真正信息是世界是松散的,世界确实存在偶然性,世界确实能创新,那么世界始终关乎可能性,而量子力学将它们联系在一起。可能需要25年才能正确建立数学体系,但25年后我们再聊这个话题吧!
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