问题

贝尔实验是否能够完全否定决定论?

回答
贝尔定理以及围绕它进行的一系列实验,对我们理解“决定论”这个哲学概念带来了深刻的挑战,但要说它们“完全否定”了决定论,事情就变得复杂起来。为了弄清楚这一点,咱们得一步步来。

首先,得先说说“决定论”是什么。简单来说,决定论就是一种观点,认为宇宙中的一切事件,从最微小的粒子运动到人类的思想行为,都是由先前的事件所决定的。也就是说,给定一个时刻的宇宙状态,那么在那个时刻之后发生的一切,在理论上都是可以预测的。这种观点就像一个精密运转的钟表,每个齿轮的转动都由上一个齿轮决定,最终链条能够追溯到最初的发条。

接着,我们要讲到“贝尔实验”。这个实验的根源在于量子力学与经典直觉的冲突。量子力学描述的微观世界,很多时候表现得不像我们日常经验那样“确定”。比如,一个粒子的自旋方向,我们通常只能预测它处于某种状态的概率,而不是百分之百确定它一定朝哪个方向。

在量子力学发展的早期,爱因斯坦等人就对这种“不确定性”感到不安。他们认为,量子力学可能不是一个完备的理论,可能存在一些我们尚未发现的“隐变量”,这些隐变量就像一个隐藏的剧本,从一开始就决定了粒子的行为。如果存在这样的隐变量,那么量子力学的概率性描述就只是因为我们不了解这些隐藏的因素。这种观点,本质上就是一种“隐变量决定论”。

于是,约翰·贝尔在1964年提出了一个定理,也就是“贝尔定理”。这个定理非常巧妙,它不是直接去测量粒子的状态,而是通过比较不同地点进行测量的结果来做判断。贝尔证明了一个关键点:如果存在某种“局域实在论”(简单说,就是认为物体的性质在测量前就确定了,而且远距离的物体之间不会瞬间影响对方),那么测量结果之间必然遵循一定的数学关系(也就是“贝尔不等式”)。而量子力学的预测却违反了这些不等式。

所以,贝尔实验的本质就是去测量一些纠缠粒子的性质(比如自旋),这些粒子在被测量之前,无论相隔多远,似乎都保持着一种奇特的联系。实验的目标就是看测量结果是否符合贝尔不等式。

结果呢?大量的实验,从阿斯佩克特他们的开创性工作,到后续更精确、更完善的实验,无一例外地都证实了量子力学的预测,也就是说,实验结果违反了贝尔不等式。

这到底意味着什么?从字面上看,贝尔定理告诉我们,如果我们相信“局域实在论”是正确的,那么量子力学的预测就是错的。而实验结果恰恰支持了量子力学的预测,这意味着,至少“局域实在论”是站不住脚的。

但是,这里的关键在于“局域实在论”。如果我们把“局域实在论”拆开来看,它包含两个部分:

1. 实在论(Realism):认为物理系统在测量之前就具有确定的性质,即使我们不知道它们是什么。
2. 局域性(Locality):认为任何测量行为只能影响其周围的局部区域,信息传播的速度不会超过光速。

贝尔实验的直接否定对象是“局域实在论”,也就是说,我们不能同时保留“测量前粒子性质就确定”和“没有超光速的相互作用”这两个想法。

那么,它是否“完全否定决定论”呢?这就需要我们更仔细地分析。

如果决定论与局域实在论绑定:如果一个人坚持认为决定论必然是“局域的”并且“实在的”(即,就像钟表一样,每个齿轮的转动都由前面的齿轮决定,并且这些决定在发生之前就已经存在),那么贝尔实验的结果确实会让他非常难堪。因为实验表明,我们无法同时保有局域实在论和量子力学的预测,而量子力学的预测又是被实验证实了的。

但决定论不一定非得是“局域实在论”:有人可能会说,既然我们不能同时保留局域和实在,那是不是可以牺牲其中一个来保留决定论呢?
牺牲局域性(非局域决定论):一种可能性是,尽管我们看不到,但这些纠缠的粒子之间存在着某种非局域的联系,这种联系是“决定性的”,能够瞬间影响彼此,即使它们相隔遥远。这种观点承认粒子有确定的状态(实在论),但这种状态的确定是通过非局域的相互作用实现的,这似乎仍然是一种决定论。只是这种决定论不是我们日常经验中的那种“隔着时空”的决定。当然,这种“超光速的决定”听起来也很违反直觉,而且要小心它不要发展成可以用来传递信息的超光速通信,那会与相对论冲突。
牺牲实在性(非实在论的决定论):另一种可能性是,粒子在测量之前根本就没有确定的性质。所谓的“决定论”不是指“事件A导致事件B”这样因果链条的确定,而是指“在相同的条件下,总是会得到相同的统计结果”。量子力学描述的是这种概率的确定性,而非具体结果的确定性。在这个框架下,决定论可能是一种更广义的、只关注宏观可预测性的决定论,而微观的每一次测量结果都是“机会”的体现,由“随机性”决定(或者说是量子力学本身的内在属性决定,而不是由预先存在的隐变量决定)。

所以,你看,事情就卡在了“我们对决定论的定义”以及“我们愿意放弃什么”这两个点上。

贝尔实验直接挑战的是“局域实在论”下的决定论。它强有力地证明了,我们不能用一个简单的、我们熟悉的那种“局域的、预先确定的”模型来描述量子世界的行为。

但它并不能直接说“宇宙的未来完全由过去决定”这个最泛泛的决定论就被推翻了。如果允许非局域的决定或者接受一种不依赖于预先确定性质的概率性决定论,那么决定论仍然可能有其生存空间。

很多人会从贝尔实验中得出“量子力学是非决定性的”这个结论,但更准确的说法应该是:“局域实在论”下的决定论被贝尔实验排除了。

就像你问一个厨师,他的菜是否“不好吃”。他说:“我的菜完全不是‘难吃’的。” 你可能会接着追问:“那是不是‘好吃’?” 他可能会说:“也不是‘好吃’,而是‘有特色’。” 贝尔实验在某种程度上,就是把我们习以为常的那种“决定论”给“打了个标签”,说它“不是这样工作的”。但它并没有完全排除所有形式的“决定论”。

总而言之,贝尔实验是非常深刻的,它揭示了量子世界的奇特性,迫使我们重新审视“实在”、“局域”和“决定”这些基本概念。它否定了爱因斯坦等人所期望的那种“局域隐变量决定论”,但它是否“完全否定”了所有形式的决定论,这一点至今仍然是哲学和物理学界讨论的焦点。

网友意见

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不能。

首先,现在主流被认可的是贝尔实验否定了定域隐变量,严格说是单一世界的定域隐变量。这和决定论还是有差距的。

非定域隐变量是不是意味着非决定论?这个问题的答案显然不是肯定的。

多世界下的定域性能否被否定?这个问题的答案也不是肯定的。比如说Vaidman曾经有详细的论述。[1]最后他说,他曾经和贝尔本人会面,贝尔说多世界理论虽然很不靠谱(silly),但是比起更加不靠谱的坍缩理论还是靠谱多了。如果多世界理论可以解决定域性问题,他会支持的。Vaidman随后说,现在可以说多世界理论已经解决这个问题了,可惜贝尔看不到了。

另外,MIT的Rubin也曾经论述,这里有一段话很有意思[2](加黑部分是我自己加黑的,非原文加黑):

In the Everett interpretation these possible outcomes and probabilities, completely computable from the locally-transported information, completely characterize the results of measurements. In interpretations in which only a single outcome occurs in measurement-type interactions, additional information must be added to completely characterize the outcome of measurement-type interactions: namely, which outcome actually occurred. This information, of course, is not carried in the quantum operators.

大致意思就是,多世界理论的所有关于概率的计算都满足信息传递的定域性,而单一世界理论却需要一个额外的信息,就是“究竟哪一个观察结果才会真正发生”,这个信息不能从量子力学中计算得到,而是外部加入进去的,这恰恰就是非定域性的来源。

此外,贝尔实验否定了定域隐变量,这个结论只是被大家广泛接受了,但是大家也都清楚地意识到,完全没有loop hole 的贝尔实验结果是(至少现在还是)不存在的。所谓的自由意志漏洞就无法在实验中排除。

具体讲,贝尔实验过程中需要必须要排除实验中的“隐藏”的关联,由此才能判定两个粒子之间的关联。

比如说,在实验中我们发现两个粒子之间存在远距离同步,这时我们并不能直接下结论说存在着非定域关联,因为有可能是我们的测量本身之间有着无法排除的关联

因而,我们的实验仪器就会和被测量的粒子在实验前就有可能已经“串好供”来欺骗我们,让我们误以为粒子之间存在着非定域关联。甚至说,作为实验者的科学家也在不自知的情况下参与了这个“串供行为”。说到底,实验者、仪器、粒子都来自共同的初始条件,它们在宇宙诞生之初就关联在一起了。

2016年的大贝尔实验利用了大量的志愿参与者,这些来自天南海北的参与者显然不可能事先互相商量好。如果实验者们可以完全按照自己的意愿自由选择实验方式,这样就可以保证实验方式的随机性,因而粒子就不存在“事先串供”的空间,因为它们事先不知道我们要做何实验。

但是,这里仍然有漏洞。如果我们所有的人类,和被实验的粒子一起,都是同一个决定论演化的产物,那么无论多少人参加了实验,人们自以为“自由地”、“随机地”选择了实验方式,其实都是假的。每个参与者都是一个个伪随机数生成器,所以看似随机的实验决定,其实也是事先注定的,既不自由也不随机。也就是说,所有的人和粒子一起串好供来欺骗我们自己。

也就是说,我们说贝尔实验否定了决定论,这个结论的隐藏前提就是决定论不成立。这个当然不能成为否定决定论的理由。因为我们不能用这样的循环论证:

  1. 假定决定论不成立(因为实验需要随机的测量,而随机测量显然违背了决定论),
  2. 由(1)得到了贝尔实验否定了决定论这个解释
  3. 所以,决定论不成立。

对此,贝尔本人的看法是[3]

“有一种方式可以避免超光速影响和远距离的幽灵作用。但是这种方式假定了绝对的决定论,以及自由意志的完全丧失。如果假设这个世界是超级决定论的……我们所坚信的,我们可以自由选择来做这个实验而不是另一个实验,这些都是绝对事先注定的。包括实验者从若干测试方法中选择其一的‘自主决定’也是如此。这样一来,我们面临的困难就消失了,根本就不需要超光速的影响,来‘通知’粒子A到底粒子B发生了什么,因为整个宇宙,包括粒子A,事先就已经‘知道’B将要发生了什么了。

说到底,大家否定决定论,只不过是因为从根子上愿意保留我们的自由意志罢了,这中间其实没有贝尔实验什么事情。贝尔实验只不过是把决定论和自由意志这个矛盾更加明晃晃地摆在台面上了而已,也就是说,“我们的自由意志不存在”在这个实验过程中,是唯一可以拯救决定论的因素。然而它的确就是决定论的自然结论。

参考

  1. ^ arXiv:1501.02691
  2. ^ arXiv:quant-ph/0204024
  3. ^ Paul C. W. Davies and Julian R. Brown, 1986,The Ghost in the Atom: A Discussion of the Mysteries of Quantum Physics, pp. 45-46

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