自由意志和這個世界，誰是假象？

本文轉載自果殼網

一眼看上去，它像是一面普通的鏡子，其實卻不是——它上面鍍了一層「半反射銀膜」，能將照射其上的光線反射一半出去，另一半則直接透射而過。

不過，這面鏡子本身沒有什麼特殊之處。每當你隔窗遠眺，在玻璃上看到淺淺的屋內景象時，就是類似的部分反射在發揮作用。特殊的半反射鏡是提詞機里不可或缺的組件，實在想要的話，不用大費周章，上網就能買到。

這種鏡子對單個光子的作用才是怪異所在。湊近仔細觀察的話，這些小鏡子也許會盡毀你的實在觀。它們能讓你茫然無措，不知自己身在何處，身是何人，甚至懷疑自己究竟是否存在。它們甚至能攪亂你對因果的判斷，暗自納悶究竟誰才是這一切混亂之源，是那些鏡子，還是你自己。以今日科學之高深，能否一探小小半反射鏡上之究竟？「我認為不行，」倫敦帝國理工學院的物理學家特里·魯道夫（Terry Rudolph）如是回答。

每當我們像這樣身陷迷惑，對存在之類的問題絞盡腦汁又心存恐慌之時，罪魁禍首往往非量子理論莫屬。毋庸置疑，要描摹在極微小尺度上物質實在的行為，量子理論仍是我們的看家招數，而且它的預言反反覆復被實驗所證實。只不過，它描述的實在，與我們所說的現實，似乎毫無關聯。

首先，量子實在的隨意性讓人不快。就以看上去和我們自身一樣真實的原子為例：按照量子理論，一個孤立原子的位置完全不可確定；能確定的最多只是在X位置發現這個原子的概率，在Y位置會有另一個概率，Z位置還有一個概率。只要你不追究這個原子的位置，它就會處於所有可能位置的某種「疊加態」（superposition）。一旦追究起來，也就是對原子的位置進行一次測量，它就會在某個位置上現身，但你不一定能夠預言那個位置會在哪裡。

這種怪誕在半反射鏡上達到了極致。只要讓光束以合適的方式照射上去，不僅光束會分成兩束，單個光子也會一分為二。從效果上說，這個光子相當於變成了兩個光子：一個透射而過，一個反射開去。

每個光子都有特定的屬性，比如說自旋——這是一種量子力學屬性，可以把它類比成空間中的轉動。不過，如果你決定要分別測量這兩個光子的自旋，古怪的事情就會發生。你可以一遍又一遍地測量它們的自旋，每次都選取不同的參考方向，比如實驗室的朝向、室外的風向，或者天花板上一隻蒼蠅爬行的方向等等。一段時間之後，你就會寒意頓生，因為一個模式會逐漸浮現出來：每一回，你測量第2個光子所得到的結果，都取決於你在測量第1個光子時所做的選擇。

這種現象，我們無法用通常的、經典的實在觀來解釋，被稱為糾纏（entanglement），是量子物體具備的一種特殊能力：一旦發生這種關聯，無論之後分隔多遠，它們似乎都可以相互影響。用愛因斯坦的話來說，這是一種「幽靈般的超距作用」。

於是，一個自然而然的想法就是，尋求某些「正常的」物理解釋對此施以援手——愛因斯坦當年就是這麼做的。如此一來，符合我們直覺的實在觀就有可能延續下去。按照這樣的想法，必定有某些未知影響在兩個光子間飛速傳遞；肯定有某種物理的東西，從一個光子傳遞到另一個光子，告訴它哪些信息被提取了。

無論這種影響是什麼形式，是一個光子也好，是某種其他的交換粒子也罷，抑或是某一種波，假設它的傳播速度無法超越光速，都應該是合理的。按照愛因斯坦的狹義相對論，光速一直被視為是我們這個宇宙中任何可用信息傳播速度的上限。有了這個上限，所有令人不快的後果才不至於發生。魯道夫解釋說：「如果能夠超光速傳遞信號，我們就會遇到古怪的狀況，古怪到連因果律都會違背。」超光速通信還可能為不法之徒大開方便之門：你可以通過它來向過去傳遞信息，從而違背相對論的因果律，我們人人都可藉此贏得百萬美元的彩票大獎。

那些遵從相對論的、不那麼出格的隱藏物理影響，檢驗起來相對容易。首先，你得將兩個糾纏光子分隔開一段超遠的距離。比方說，第2個光子可以被送到國際空間站（ISS）上去，然後設置一個裝置，在某個精確時刻對它進行測量。在測量發生前的一瞬間，你測量留在手邊的那第1個光子。精確調節好測量時間，讓兩個光子即便以光速也無法及時通信。看看在這種情況下，兩個光子的測量結果，還會不會存在關聯。

超越光速

還沒有人真正做過這樣的國際空間站實驗，但在地面上，我們已經進行了很多次類似的實驗。每當第2個光子的測量結果傳來，我們都會看到這種奇異的關聯仍然存在。第2個光子似乎對第1個光子的遭遇了如指掌，並以此來應對即將到來的測量。瑞士日內瓦大學的尼古拉斯·基辛（Nicolas Gisin）和同事在2008年的實驗結果表明，如果有任何幽靈般的潛在影響在18千米長的光纖網路中傳播，它的速度必須至少達到光速的10000倍才行（參見《自然》雜誌，454卷，861頁）。在空氣中進行的距離長達數千千米的糾纏實驗，也得到了類似的結果。一些野心勃勃的計劃準備在太空中重複這些實驗。

這些結論將置我們於何地呢？或許你會被這個神秘關聯的種種奇聞所震驚，但也可能深受觸動轉而接受另一個解釋，只不過這個解釋初看起來有些牽強附會。只有當某種影響攜帶信息的時候，相對論才禁止它超光速傳播。那麼，如果存在某種目前未知的奇怪現象，能夠將兩個糾纏粒子聯繫在一起，同時又不攜帶任何信息，情況會如何呢？

就算存在，這種影響看起來可能是什麼樣子，我們也知之甚少。不過這已經無關緊要了，因為這條通向正常世界的逃生通道也被堵死了。2012年，瑞士日內瓦大學的讓－丹尼爾·邦卡爾（Jean-Daniel Bancal）和基辛等人合作，在一個由4組發射端和接收端構成的網路中，研究了對糾纏光子進行同步測量會得到何種結果。在理論模型中，他們假設潛在影響能以任意速度穿越時空，只要它們不攜帶信息。

然而，這個理論模型無法再現實驗結果。沒有任何物理傳遞機制能產生實驗中觀察到的關聯，除非實驗網路中的潛在影響能夠超光速輸遞信息（參見《自然·物理學》，第8卷，867頁）。如果我們堅信相對論，就會遇到一個難題。「這真是玄而又玄，不可思議，」邦卡爾說，「你努力去尋找這些關聯的原因所在，卻不知為何每每落空。」

基辛的結論更為直率。在他看來，這意味著我們所躋身的現實的維度，不可能包含對量子實在更為基本的解釋。「時間和空間之中，不存在任何信息能夠告訴我們，這樣的關聯何以發生，」他說，「必然有某種實在存在於時空之外。」

除非，我們的某些基本認識出了差錯。挑戰相對論總是應者寥寥，因為這會違背我們的因果觀念。我們人類鍾愛因果順序，對於任何事件都想追究一個起因。不僅如此，在更基本的層面上，我們都是堅定的決定論者，毫不懷疑地假設任何事件都有一個確定的原因。在日常生活所涉及的尺度上，這似乎合情合理，但在渺若微塵的量子實在世界裡，我們還能如此確信嗎？

最近，奧地利維也納大學的理論物理學家查斯拉夫·布魯克納（Caslav Brukner）和同事，對量子體系在理論上是否與我們的宏觀世界符合同樣的因果律，展開了調查。他們最先考察的是這樣一個經典的場景：兩個糾纏光子在空間上被分隔開來，然後被愛麗絲和鮑勃這兩位獨立觀測者分別測量。布魯克納和他的研究團隊在這個場景中加入了一個變化，那就是量子不確定性。量子不確定性是量子理論的一個基本原理，從根本上限制了你從一個量子系統中能夠提取出來的信息量——這其中也包括有關時間的信息。

布魯克納打了一個比方，來描述他們研究的過程。愛麗絲走進一個房間，發現鮑勃留了一條信息。她擦掉這條信息，留下了自己的回復。然後，鮑勃走進了房間，把愛麗絲剛才已經回復過的信息又留了一遍。本質上來說，正如量子粒子能夠同時處於多個位置一樣，它們似乎也可以同時處在不同的時刻。因此，這個系統可以同時處於「愛麗絲在鮑勃之前進入房間」和「鮑勃在愛麗絲之前進入房間」這兩個狀態。布魯克納說：「我們無法說出愛麗絲的測量是發生在鮑勃之前，還是鮑勃之後。」（詳見《自然·通信》，第3卷，1092頁。）

布魯克納已經開始琢磨如何用實驗來檢驗這些理論計算的結果，但他說，這並不容易。考慮到量子狀態微妙的天性，任何企圖測量量子力學因果順序疊加態的嘗試，都會破壞這種疊加，使它塌縮成某一種確定的因果順序。

不過即使沒有實驗結果，他認為，結論也已經很明顯了。他說：「因果順序不是自然界的一個根本屬性。」只有在實驗參數經過調節，降低兩個光子之間的糾纏程度，使它們的行為方式更類似於我們熟悉的經典粒子之後，因果律才得以恢復。從某種程度上說，布魯克納與基辛算得上是殊途同歸。我們生活在時空之中，經歷其中的因果順序，但因果順序似乎並不是量子理論的基本屬性。如果我們接受量子理論，把它視為是對我們所處現實的最基本描述，這就意味著時空本身不是基本的，而是從某種更深層次的、目前還未知的量子實在中湧現出來的。

自發的宇宙

前提是，如果我們接受量子理論。鑒於我們珍愛的實在觀、相對論和因果律，無一不被量子理論撕扯得千瘡百孔，一個自然而然的問題被提了出來：會不會是量子理論本身有問題？儘管它碩果累累，但那些隨機性、不確定和幽靈般的關聯或許恰恰表明，量子理論本身是不完整的。至少就目前的形式而言，量子理論可能無法向我們提供解釋萬物本質所需的全部信息。這種情況大概可以拿熱力學作個類比。熱力學為物質如何運動提供了一個簡單明了的表層描述，比如熱量總是從高溫處流向低溫處等等，但對於使這些現象得以發生的更深層次的原子動力學，它什麼都沒有透露。

為了探究這種可能性，瑞士聯邦理工學院的羅傑·科爾貝克（Roger Colbeck）和雷納托·倫納（Renato Renner）已經重新審視了經典的愛麗絲－鮑勃實驗。他們想知道，如果一種底層理論能給兩個糾纏粒子間的關聯或多或少提供一些額外信息的話，這些經典實驗會發生怎樣的變化。測量結果的隨機性和不可預測性，會不會有所降低？

簡單的回答是，不會。任何情況下，只要愛麗絲和鮑勃能夠獨立自主地選擇他們要對粒子做什麼類型的測量，那麼對於他們的實驗會得到什麼樣的結果，額外信息就給不出比量子力學更準確的預言。看起來，量子力學神秘的不確定性，與信息完不完整毫無關係。

「隨機性是本質上就有的，」科爾貝克解釋道。在更深的層次上，宇宙是自發的（spontaneous）。本質上，沒有任何理由來解釋量子粒子為什麼具有這樣的屬性：不存在隱藏的影響，不存在鐵律一般的因和果，不存在缺失的信息。萬物生就如此，宇宙無需解釋。

科爾貝克說：「對此，有些人感到非常沮喪。」事實上，他們甚至沮喪到了開始懷疑一個更基本的假設，關係到現實及我們與現實的關聯。這一假設潛藏在大多數涉及到量子實在及量子測量的研究方案當中，連科爾貝克和倫納的實驗也不例外。我們不妨回到第一個實驗，就是那個光子遇到半反射鏡的實驗。為了測量那些光子自旋的指向，你首先必須選取一個參考方向——實驗室的朝向、室外的風向，還是天花板上那隻蒼蠅爬行的方向。你的選擇會影響測量結果。但是，如果這其實不是你的選擇呢？如果是某種其他力量在操控你的雙手，迫使你這樣完成實驗，使這種關聯恰好每一次都會出現呢？

執迷自我

這種懷疑將我們領入了人類自由意志的領地。在這片艱險之地上混跡的哲學家，往往比物理學家多得多。儘管聽上去有些愚不可及，但確實有些嚴肅的物理學家在考慮，為了避免量子關聯導致的種種異相和由此帶來的相對論及因果律的喪失，是不是放棄自由意志會更好。這樣一來，我們就成了參與這場宇宙大戲的小小提線木偶，不用再為宇宙咸吃蘿蔔淡操心了。

諾貝爾獎得主、荷蘭烏得勒支大學的傑拉德·特·胡夫特（Gerard t Hooft）就是其中之一。他發現自己對無視空間和時間的量子關聯「很難買賬」。相反，他認為，答案可能隱藏在一種極端的決定論之中。這種決定論認為，人類的心智被設定在一條確定的軌跡之上，選擇哪一個參考方向來進行量子測量，看似自由選擇，實則照章辦事而已。

另一些人卻不為所動。美國麻省理工學院的量子物理學家斯科特·阿倫森（Scott Aaronson）說：「為了讓量子力學『看上去』正確，就把所有人的大腦、測量儀器和宇宙中的亞原子粒子全都莫名其妙地關聯在一起，這不是飲鴆止渴嗎？」他的評價是，引入這種關聯，跟引入一個超自然的神，本質上沒有什麼兩樣。

魯道夫表示，他回答不了這個問題，也沒人能夠回答。但是他覺得，問題的關鍵在於，我們仍毫無希望地固守著人類中心主義。我們的日常經驗與量子力學實驗結果之間日益擴大的鴻溝，在他看來，不過是托勒密及其後繼者用越來越複雜的地心說來解釋天體運行規律的現代翻版。當年的問題在於，我們只看到了行星繞著地球轉的表象，直到哥白尼扭轉乾坤提出日心說，事情才一下子變得簡潔起來。

或許，在構建相對論和量子理論時，我們也陷入了與托勒密類似的視角。只不過這一回，我們執迷的是對時間和空間的觀感——而在我們之外，這種觀感可能根本就不存在。「我們把時間和位置視為是描述世界的重要變數，是因為我們演化出了相應的感知，」魯道夫說，「但在更深層次上真正發生的那些事情，似乎對這些概念並不在意。」

現在，你已經知道了。當光照射到半反射鏡上時，我們看到鏡面上反映出來的那個世界，很可能並非我們想要了解的世界的真實面目。現實、相對論、因果律、自由意志，還有時間和空間——這些東西不可能全都正確。但我們還是忍不住要問，錯的究竟是什麼？

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