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量子不確定性原理可以證明自由意志的存在?

        費曼指出:“不確定性”并非某些人所談論的“不確定性”,而僅僅是基于“測量”“誤差”等相關概念做出的合理推論而已。拋開“測量”單純、抽象地談論“不確定性”,是無意義的。他想指出的是物理實際上是關于“預測”的學科,過多地把物理與諸如自由意志之類的事情聯系在一起并加以長篇大論地“探討”實際上是無益的。


        我們簡單地談談量子力學的某些哲學含義,通常這種問題總是有兩個方面:一個是作為物理學的哲學的含義;另一個是把哲學問題外推到其他領域。在把和科學有關的哲學觀念引申到其他領域中去時,它們往往完全被扭曲了。因此我們將盡可能把自己的評論限制于物理學本身。


        首先,最有興趣的是不確定性原理的概念,觀察會影響現象。人們向來都知道進行觀察要影響現象,但是問題在于,這種效應不可能依靠重新安排儀器使其可以忽略、減到最小或任意減小。當我們觀察某一定的現象時,不可避免地要產生某種哪怕是最低限度的擾動,這種擾動是觀點的自洽性所必需的。在前量子物理學中,觀察者有時也是重要的,但這只是非本質的問題。


        曾經有人提出過這樣的一個問題:如果有一棵樹在森林中倒了下來,而旁邊沒有人聽到,那它真的發(fā)出了響聲嗎?在真實的森林中倒下一顆真實的樹當然會發(fā)出聲音,即使沒有任何人在那里。但即使再那里沒有人聽到,它也會留下其他的跡象。響聲會使樹葉振動,如果我們夠仔細的話,可以發(fā)現在某個地方有一些荊棘擦傷了樹葉,在樹葉上留下了細小的劃痕,除非我們假定樹葉曾經發(fā)生振動,否則對此劃痕就無法解釋。所以,在某種意義上我們必須承認確實發(fā)出過聲音。


        我們也許會問:是否有過聲音的感覺呢?大概沒有,感覺一定要意識才有意義。螞蟻是否有意識以及森林中是否有螞蟻,或者樹木是否有意識,這一切我們都不知道。對這個問題我們就談到這里吧!


        量子力學發(fā)展以來人們所強調的另一件事情是這樣一個觀念:我們不應當談論那些我們不能夠測量的事情(實際上相對論也這么說過)。除非一件事情能通過測量來定義,否則它在理論上就沒有地位。


        由于一個定域粒子的動量的精確值不能通過測量來確定,因此它在量子理論上就沒有地位。但是,認為這是經典理論的問題是錯誤的。這是一種對情況所做的粗枝大葉的分析。只是因為我們不能同時精確地測量位置和動量并不先驗地意味著我們不能討論它們。而只是意味著我們不必討論它們。

 

       在科學中情況是這樣的:一個無法測量或無法直接與實驗相聯系的概念或觀念可以是有用的,也可以是無用的。它們不必存在于理論之中。換句話說,假如我們比較世界的經典理論與世界的量子理論,并假設實驗上確實只能粗略地測出位置與動量,那么問題就是一個粒子的精確位置與它的精確動量的概念是否仍然有效。


        經典理論承認這些概念;量子理論則不。這件事本身并不意味著經典物理是錯誤的。當新的量子力學剛提出時,經典物理學家——出去海森伯、薛定諤和玻恩以外所有的人——說:“看吧,你們的理論一點也不好,因為你們不能回答這樣一些問題:粒子的精確位置是什么?它穿過的是哪一個孔?以及一些別的問題。”海森伯的答復是:“我不用回答這樣的問題,因為你們不能從實驗上提出這個問題?!?/strong>


        這就是說,我們不必要回答這種問題??紤]兩種理論(a)和(b),(a)包括一個不能直接檢驗但在分析中用到的概念,而(b)則不包括這個概念。


        如果它們的預言不一致,我們不能聲稱:由于(b)不能解釋(a)中的那個概念,因而它就是錯的。因為這個概念是一個無法直接檢驗的東西,知道哪些觀念不能直接檢驗總是好的。但是沒有必要將它們全部去掉。認為我們只利用那些直接聯系著實驗的概念才能真正從事科學工作的這種看法是不正確的。(1)


        量子力學本身就存在著概率振幅、量子勢以及其他許多不能直接測量的概念??茖W的基礎是它的預測能力。預測就是說出在一個從未做過的實驗中會發(fā)生什么。


        怎么能做到這一點呢?


        假設我們知道了不依賴于這個具體實驗的東西,我們就可以將實驗外推到實驗尚未達到的領域。我們從實驗得到概念并將它們推廣到這些概念還沒有受到檢驗的領域中。如果我們不是這樣做,就無法進行預測。


        所以,經典物理學家完全熟悉這種方法,并且熟練地運動這種方法假設位置——對棒球來說顯然有某種確定的意義——對于電子也具有某種意義。這并不是愚蠢,而是合情合理的步驟。


        今天我們說相對論定律對所有的能量都應該是正確的。但是或許有一天,有人會跑出來說我們是多么愚蠢呀!直到“出現了麻煩”之前,我們實在是不知道“蠢”在哪里的,所以整個思想就出現了麻煩。唯一能發(fā)現我們錯誤的方法是找出我們的預測是什么。這對于建立起一種理論體系是絕對必要的。


        我們已對量子力學的不確定性做過一些評論。那就是我們現在還不能預測在盡可能仔細安排好的給定物理條件下會發(fā)生什么物理事件。假如有一個處于受激態(tài)的院子,并且它將發(fā)射光子,那么我們無法說出它將在什么時候發(fā)射光子。它在任何時刻都有發(fā)射光子的一定振幅,我們可以預測的只是發(fā)射的概率;我們不能精確地預測未來。這件事引起了關于意志自由的意義的種種問題和胡說八道,還引起了世界是不確定的種種想法。


        當然,我們必須強調,在某種意義上經典物理也是不確定的。人們通常認為這種不確定性,即我們不能預言未來,是重要的量子力學的特點,而且據說這可用來解釋精神的行為、自由意志的感覺等等。但是如果世界真的是經典世界——如果力學定律是經典的——也并不清楚精神世界是否也覺得多多少少是相同的。


        確實,在經典物理學中如果我們知道了世界上(或者在一盒氣體中)的每個原子的位置與速度,那么就能精確地預言將會發(fā)生什么。因此經典的世界是決定論的。


        然而,假定我們的精確度有限,而且不知道哪怕只是一個原子的精確位置到譬如十億分之一。那么這個原子運動時會撞在別的原子上,由于我們所知道的位置的精確度不超過十億分之一,因此我們發(fā)現在碰撞后,位置的尾插還會更大。


        當然,在下一次碰撞時,誤差又被放大。這樣,如果起先只有一點點誤差的話,后來就會迅速放大而出現很大的不確定性。舉個例子來說:比如一道水流從堤壩上瀉下時,會飛濺開來。如果我們站得很近,常常會有一些水滴濺到我們的鼻子上。這一切看來完全是無規(guī)則的,然而這樣一種行為能由純粹的經典定律來預言。所有水滴的精確位置取決于水流流過堤壩以前的精確運動。結果怎樣呢?在水流落下時,極微小的不規(guī)則性都被放大了;結果就出現了完全的不規(guī)則形。很明顯,除非我們絕對精確地知道水的運動,否則就不能真正預知水滴的位置。(2)


        說得更明確一些,給定任一精確度,無論多么精確,我們都能找到一個足夠長的時間,以致無法是對這么長的時間作出的預言有效。問題在于這段時間并不太長,如果精確度為十億分之一,這個時間并不是數百萬年。


        事實上,這個事件隨著誤差呈對數式的增長,結果發(fā)現只在非常、非常短的時間里我們就已經失去了所有的信息。如果精確度提高到億億億分之一——那么不管我們要多少個億,最后只要停在某一位數上——我們就會得出一個比用來表述其精確度所用的時間還要短的時間——過此時間后就再也不能預言發(fā)生的事了!


        因此,諸如以下的說法,什么由于人類思想的明顯的自由與非決定性,我們應當認識到再也不能希望用經典的“決定論的”物理來理解他;歡迎量子力學將我們從將我們從“完全機械論的”宇宙下解放出來等都是不公正的。因此,從實際的觀點來說,在經典力學中早已存在著非決定性了。


注:


        此處可將(a)看作“量子力學”,而(b)看作“經典力學”,費曼在此處討論的實際上是兩者之間的關系。


        系統(tǒng)對于初值的誤差是否敏感實際上是一個復雜的問題,也就是微小的誤差是否一定會引起結果的偏移。對于某些系統(tǒng)來說,微小的誤差可能引起結果的巨大變化,但對于另外的系統(tǒng)來說,誤差引起的可能是相當小的結果差距。這些問題在混沌學或者相關領域內將得到討論。當然此處費曼僅僅是想說明確定系統(tǒng)同樣會出現不確定性而已。

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