我的量子飞跃

2022-02-26 07:50:27

我第一次采访Chris Fuchs时就搞砸了。福斯是波士顿麻州大学的物理学家,也是QBIST的主要倡导者,是量子理论最新和最具争议性的众多解释之一。它是这样的:量子力学,物理学家用来预测组成物质和光的电子和光子等基本粒子的行为的理论,实际上与粒子无关,而是与使用该理论的人对粒子的信念有关。如果几个人同时使用它呢?然后QBism说,他们每个人不仅有权拥有自己的信仰,而且有权拥有自己的事实。

那是2020年8月,福斯和我在讨论Zoom。他瘫倒在一张填充扶手椅上,戴着金属丝框眼镜,留着一头长发。他坚持在和我交谈之前让我对QBism进行自我教育,并给我发了17个文章、采访和视频链接。现在,当我脱口而出一个一直困扰着我的问题时,他正在用一个充满奇闻轶事的职业生涯故事逗我开心,这个问题本质上是,“这怎么可能是对的?”

如果我们的理论不能反映一个潜在的现实,那么在什么意义上它们能提供解释呢?

福斯和我一样,50多岁,长着一张孩子气的圆脸。我的失误很明显,那张脸在我眼前融化了,就像热下的蜡一样。转眼间,他从一个健谈的人变成了一个演讲者,贴出了一张复杂实验室设置的照片,开始盘问我。“两个走进来漫不经心地瞥了一眼这个实验的人是否同意这个实验在做什么?”他问道。讲座结束时,白板上画了一个定理。我自始至终都在自责,这不仅是因为在就QBism争吵之前,我放弃了更好地了解福斯的计划,还因为我无论如何都无法理解他的论点,尽管我有物理学背景,包括博士学位。

事实上,我的教育是问题的一部分,这也是我开始学习物理的原因。在小学的时候,我是一个很难对付的人,一个聪明、好奇但又情绪化、冲动的多动症孩子,家庭生活被冲突和混乱的故事搅乱,这些故事都没有意义。成为班上的小丑是我最大的抱负,直到一位老师发现我在一个周末完成了一本数学练习册,这本应该需要一年的时间。这让我发现自己在一堂代数课的后面惊慌失措,一位老师在黑板上敲打方程式,我被这些字母弄糊涂了。x到底是什么?我默默忍受,直到顿悟终于到来。X是一个数字,只是一个你还不知道的数字。兴奋此外,打开一扇门,通往一个包含更多门的地方,带来了“x”之外更多想法的感觉。这个想法的宫殿,有着数字、符号和几何形状,很快就成了一个游乐场和避难所,在这里,我所有的“为什么”问题都有答案,在那里,事情以一种不适用于我余生的方式变得有意义。后来,我被物理学所吸引,因为它承诺宫殿是真实的,而在宫殿的某个地方隐藏着一个宏大的方程式,就像我因为太神奇而抛弃的上帝一样,它最终可以解释一切。

当我与福斯交谈时,我对物理学的了解已经不那么多了(研究生院会这样做的),但宫殿仍然是我快乐的地方。我已经内化了一个教训,即情绪是危险的,并形成了对冲突的厌恶和对确定性的渴望,这转化为我与人保持一定的距离。例如,婚姻长久以来一直是一座过犹不及的桥梁。我怀疑自己改变的能力,部分是因为一个最终只不过是符合物理定律的粒子的世界似乎让自由意志成为了一种错觉。

与此同时,我发现物理学可以解释世界的想法存在问题,因为量子理论用概率而不是属性来描述粒子。我们倾向于认为,物理物体的大小、形状和位置是由其组成粒子的位置来解释的。然而,量子理论并没有将这些特性归因于粒子,而是根据粒子在被观察到时出现位置的概率来描述它们。然而,“被观察到的”意味着什么,以及在观察过程中发生了什么,使属性从量子理论的黑暗可能性中具体化,并变成我们日常经验中物体的固体形状,这些都是该理论没有解决的问题。物理学家将量子理论解释中的这一缺口称为“测量问题”

对量子理论的大量解释提供了各种各样的故事,旨在解决测量问题,但我对其中任何一个都不满意。QBism的故事是一个否认量子理论直接描述现实的传统的最新版本,然而,听福斯讲,它仍然提供了对“现实”到底是什么的一些理解。“世界不是由六种夸克组成的,”他写道。“这是一个连梦想和抱负都有实质内容的世界。”

这种求爱在我的唯物主义思想中升起了一面红旗,福斯说量子力学的量子力学“让生命有价值”的习惯也是如此尽管如此,很明显,QBism值得认真对待,就像最近一系列物理学论文一样,包括《自然物理学》中一篇题为《事实是相对的》的论文因此,尽管我发现这些想法令人不安,但我决心站在福斯这边,学习如何像QBist一样思考。

我和福斯在阿迪朗达克的一座石峰上交谈了几周后,我的心因神经紧张而怦怦直跳,我单膝跪下,抬头看着女友玛蒂娜长满雀斑的脸,向她求婚。几天后,我通过电子邮件与福斯分享了这个故事。我通常不会这么做,但他给我寄了25年前他自己婚礼的照片,那是在新墨西哥州的幽灵牧场,画家乔治亚·奥基夫的故居。他在一周内就爱上了琪琪,情绪激动,六个月后,他向一个雪茄乐队求婚要了一枚戒指,尽管他向自己承诺至少要等一年。我注意到这一点与我自己的提议形成了鲜明的对比。我在30多年的单身生活后,才习惯了这个想法,两年多的约会是我的规则,还有一次艰苦的4英里爬山。

我脱口而出了一直困扰我的问题。“这怎么可能是对的?”

我已经从第一次面试中恢复过来,第二次和福斯交谈,并把注意力集中在了解他个人上。一旦他确信我对QBism的兴趣是真诚的,他就开始给我发电子邮件、链接和阅读清单,其中包括威廉·詹姆斯的四本书,以及关于他的四本书,他的哲学显然很重要。我的QBism函授课程中散布着各种各样的个人轶事和照片:20多岁的富克斯穿着泳裤在海滩上,他在后院抽烟,用它做了闪闪发光的肉,他自豪地举着从院子里拔出来的一根巨大的杂草。“我没有内部过滤器,”他告诉我。然而,并不是所有的洪水都是友好的。福斯读了我为《纽约时报》杂志写的一篇文章,反对我把原子物理学家尼尔斯·波尔和维尔纳·海森堡的观点称为“反现实主义”他把这个词称为“那个该死的用词不当的人”,并说我的评论称这些观点是“死胡同”,“与历史记录无关”

我觉得我的评论很刺痛,因为如果QBism是福斯的宝贝,那么最接近它祖父的就是波尔。波尔在1922年因设计了一个原子模型而获得诺贝尔物理学奖,在该模型中,电子被限制在原子核周围的一组离散轨道中的一个,这一想法既违背了当时的物理定律,也违背了常识,因为它要求电子在轨道之间跳跃,但决不能在轨道之间。尽管如此,该模型解释了观察到的现象,如氢气发射和吸收的光的颜色。1925年,海森堡提出了不仅预测玻尔结果,而且预测其他原子现象的方程式,从而构想了量子理论。奇怪的是,海森堡的作品纯粹是数学运算;他的方程式只提到了可观测的量,比如光的频率,并避免了对电子行为的任何描述,以解释为什么这些频率是这样的。

与此同时,埃尔文·薛定谔发展了自己的理论版本,他希望通过将电子视为波来揭示海森堡制造的黑匣子内部的工作原理。但是薛定谔称之为波函数的数学对象,现在通常被称为量子态,并没有像他希望的那样描述物理波。相反,它成了物理学家用来总结理论概率的标准装置。阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)认为物理学可以也应该描述世界的内部运作,这一信念一直激励着我,他认为这个理论根本不完整。但波尔和海森堡认为,这些发展的教训是,物理学描述了其他东西。海森堡写道:“我们在量子理论中用数学方法表述的自然法则不再涉及粒子本身,而是涉及我们对基本粒子的知识。”

“知识”是指量子态中编码的信息;例如,一个给定的原子在被观察时出现在特定位置的概率。玻尔提出了一个解释,解释为什么物理学必须从这样一个角度来解释现实。“我们永远不能忘记,”他写道,“我们自己也是存在戏剧中的演员和观众。”

玻尔的观点是,我们的观察改变了,并在某种程度上创造了我们所观察的世界,量子理论支持了这一观点,用薛定谔的话来说,一个物体的观察者和物体本身必然会纠缠在一起。观察到的不是对象本身,而是对象、观察者和观察方法中所有选择的一种混搭。玻尔将这些混搭的东西,如氢发射和吸收的光的颜色,称为“现象”,并得出结论,量子理论告诉我们,物理必须描述这种现象,而不是描述世界的本来面目,或者,正如他所说,描述世界的“人类体验”。

亚原子粒子的许多看似自相矛盾的行为,比如量子不可解释的经典案例“双缝实验”中出现的那些行为,可以用这种观点来解开谜团。在双缝中,像电子这样的粒子被发射到一个有两个孔的屏幕上,而谜团在于,它们有时如何表现出干涉效应,就好像它们被传播出去的波一样,而在其他情况下,它们的行为就像点状粒子。直到今天,仍有物理学家认为爱因斯坦是对的,量子理论是不完整的,所谓的“隐藏变量”——即量子力学中没有出现的粒子特性——是解释这种行为的必要条件。

但玻尔认为,量子现象的明显矛盾源于试图把世界描绘成与观察不同的样子,而这是我们无法做到的。一个推论是,像“粒子”、“波”和“撕裂”一个电子通过的概念不是现实,而是波尔所说的“抽象”:当这种区别实际上不存在时,设计用来描述观察者和观察者现象的想法。在这种情况下,电子既不是粒子也不是波;它只是它的本来面目,或者更确切地说,是我们与它互动时它所做的事情。尽管这听起来很荒谬:除非观察到电子通过哪个狭缝,否则根本不存在电子通过哪个狭缝的事实。

这就是玻尔对物理学的彻底重新构想。然而,福斯认为,玻尔还不够激进。

QBukis,“在Fuchs的演讲中,Fuchs每周都会与他的研究小组在Zoom上举行会议。我在2020年10月参加了我的第一次会议。Fuchs懒洋洋地坐在椅子上,他的发型比我上次见到他的时候长了两个月。在QBukis总是以随机玩笑开始的那段时间里,Fuchs唱了一首最喜欢的Wings歌曲,“让我来吧。”随着相声的平息,福斯请与他一起工作的巴西年轻博士后雅克·皮纳尔接手并主持一场讨论,讨论的是一群物理学家最近发表的一篇论文,他们支持对QBism的一种对立解释。核心问题是如何处理维格纳的朋友。

每个人都听说过薛定谔猫,这是一个思维实验,在这个实验中,一只猫被锁在一个装有量子装置的盒子里,有50%的几率释放有毒气体。令人困惑的是,量子理论的量子态将猫描述为两种可能结果的叠加:死亡或活着。虽然大众文化从想象猫处于这种叠加状态意味着什么中获得了很多好处,但这个理论实际上并没有回答这个问题,波尔会提醒我们,这是因为物理学必须将自身局限于描述人类经验,在这种情况下,观察者打开盒子看时看到的东西。1935年,薛定谔发表了这一设想。奇怪的是,花了四分之一个世纪和另一位诺贝尔奖得主才提出了一个回顾起来似乎显而易见的问题:如果物理学是关于人类经验的,为什么不把一个人放进盒子里?

匈牙利物理学家尤金·维格纳(Eugene Wigner)就是这么做的,他称这个假想的人是他的“朋友”作为一个朋友,维格纳关掉了一个带有灯的装置的毒药,我们可以想象它是红色或绿色的。维格纳分析的结果是,盒子里的朋友看到了绿色,并认为量子态应该反映出这个结果,而维格纳与薛定谔猫的观察者处于相同的位置,认为量子态是两种颜色的50-50叠加。维格纳的状态与双缝实验中的状态类似,通过波尔式的推理表明,光的颜色不存在任何事实。结论是,虽然维格纳的朋友知道绿灯是事实,但维格纳也有同样的理由知道事实并非如此。这一结果突显了波尔和海森堡关于量子理论是关于人类知识和经验的论点中的一个令人不安的差距,即对以下问题的答案:谁的知识?谁的经历呢?

物理学家卡斯拉夫·布鲁克纳(Caslav Brukner)在《自然物理学》(Nature Physics)上发表了一篇题为“事实是相对的”的论文,该论文关注的是维格纳朋友的一个变体,并认为量子理论的矛盾能力足够深刻,足以暗示事实确实是相对于观察者的,就像爱因斯坦发现的空间和时间一样。这是一个比玻尔和海森堡似乎预期的更奇怪的结论,但在某种程度上这并不是新的结论。例如,对量子理论的多世界解释声称,每一种物理相互作用的每一种可能结果都会发生,宇宙不断分裂以容纳所有由此产生的矛盾事实,而对于维格纳的朋友来说,带光的设备和朋友都一分为二,然后在一个巨大且不断增长的多元宇宙的不同分支中,以不同的事实(红色和绿色)过着不同的生活。

QBIST抨击了竞争对手的论文。福斯的长期合作者马库斯·阿普尔比(Marcus Appleby)斜靠在悉尼的一张沙发上,宣称这是“不连贯的”Blake Stacey,一个物理学家,像福斯,在波士顿麻州大学,对该论文的假设感到失望,认为两个物理学家能够完美地交流实验结果。

听QBIST把原本在我看来还可以通过的论文掏空,让我觉得自己仿佛遇到了一个更先进的文明,可能是外星人,对他们来说,大多数物理学家认为理所当然的前提被认为是过时和幼稚的。是福斯发动了QBist政变。他说,作者们“根本不用担心概率到底意味着什么。”

当我退出会议时,这句话让我震惊,因为它捕捉到了QBism的定义性观察:量子力学用概率描述一切,所以“概率”的含义是该理论的核心。问题是,早在量子理论出现之前,哲学家和数学家就一直在争论这个问题,正如伯特兰·罗素所说,“没有人知道它的意思。”

概率,就像爱、美和品味一样,抗拒客观的定义。在抛硬币这样的情况下很容易看出这一点,牛顿定律向我们保证,不涉及真正的随机性,一个配备了摄像机和适当编程的计算机的人可能比一个更随意的观察者更有能力预测结果,后者将50%的概率分配给头部。但即使在量子的情况下,不确定性是内在的,也无法逃避这样一个事实:一个人分配的概率在某种程度上是主观的,取决于他们的经验、知识、偏好,甚至他们的个性,总有一个人认为他知道的比他知道的更多。

QBism的核心信条是,概率是完全主观的,是分配概率的人的个人信念,仅受概率论规则的约束,比如说,每个概率的值必须在0到1之间。这种对概率的解释被称为“个人化贝叶斯”QBism中的“Q”代表quantum,而“B”代表Bayesian(至少在Fuchs放弃这种联系,将QBism打造成自己的品牌之前是这样的,比如肯德基)。它就像福斯的婚姻一样,始于上世纪90年代中期,当时他是阿尔伯克基新墨西哥大学的一名研究生,在物理学家卡尔顿洞穴中学习并决心进入量子理论的底部。正是Caves,尤其是他的博士后Ruediger Schack,让Fuchs接受了个性化的贝叶斯观点,而QBism正是在这三者的合作中成长起来的。

QBism对量子理论意义的解释源于其核心原则。例如,如果一个原子的量子态被认为是描述原子的,那么量子理论,基本上是一系列关于状态如何演化的规则,相当于一个预测原子可能会做什么的系统。但当概率被解释为信念时,量子态也变成了信念,整个理论变成了另一个动物。然后,原子的状态描述了理论的使用者,特别是他们对通过探测原子可能经历的体验的信念。然后,该理论的规则管理这些信念,告知用户如何优化它们。Fuchs称量子理论是“思维法则”,是“根据你所处的世界做出更好决策的系统”

这种观点解决了维格纳的朋友之间的矛盾。维格纳和他朋友的状态不同,因为它们代表了不同用户对未来可能不同体验的信念。QED。

这几乎太容易了,就像QBism解决量子难题一样。过了一段时间,它的影响才逐渐深入人心。

一天,在一场大流行的严冬中,我和我的新未婚夫躲在森林里的一所房子里,我从窗户望出去,看到一只山雀在雪地里蹦蹦跳跳。我震惊地意识到,QBIST会说我所说的山雀其实不是世界上的东西,这是他们解决这一问题的关键

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