先问你一个有点瘆人的问题。
你今天早上是吃豆浆油条,还是牛奶面包?你刷到这篇文章,是手滑点进来的,还是算法推给你的?
你现在心里冒出来的那个念头,比如说"这问题有点意思"。是你自己想出来的,还是从宇宙大爆炸那一刻起,所有粒子撞来撞去,就注定了你此刻会这么想?
别着急回答。
这个问题听起来像哲学,其实物理学界吵了整整一百年。
而且吵到最后,科学家发现答案比"自由意志存不存在"本身还要诡异。
先从一个最简单的东西说起:扔硬币。
正反面各50%,看起来够随机了吧?你抛一个,我赌正面,结果反面朝上,你觉得我运气不好。但其实真不是运气不好。
如果我能知道你抛硬币时用了多大的劲儿、角度是多少、硬币多重、当时空气流速多少、甚至桌上那点油渍分布在哪个位置,我能百分百算出它最后是正面还是反面。
天气预报也是一个道理。
为什么天气预报超过七天就不准了?不是天气本身捉摸不定,是我们没掌握所有空气分子的精确状态。只要算力够大、数据够全,理论上明天下午三点下不下雨,是可以算到小数点后好几位的。
再举个例子。我把一双手套分别装进两个盒子,一个寄到北京,一个寄到上海。
你拆开北京那个盒子,发现是左手套。那你立刻就知道上海那个是右手套。但这能说明你拆开北京盒子的瞬间,上海那只手套"瞬间决定"了自己是右手吗?
当然不能。两只手套在寄出去之前就已经定好了,你只是不知道而已。
说白了,我们日常生活里碰到的所有"随机",本质上都是一回事:信息不够。不是事情本身不确定,是我们不知道。
这个想法在物理学界有个名字,叫"决定论"。
或者说得更极端一点,是拉普拉斯妖。
19世纪有个叫拉普拉斯的数学家说过,如果有一个妖怪,能知道宇宙里每一个粒子此时此刻的位置和动量,那它就能把过去和未来全都算得一清二楚。
过去是什么样,未来是什么样,对它来说跟看一部已经拍好的电影没区别。
听起来是不是特别合理?牛顿力学就是这么干的。
你知道一颗炮弹的初速度和角度,就能算出它落点在哪;你知道月球现在的位置,就能算出它一千年后还在不在那。牛顿那一套东西,精密得跟钟表一样,分毫不差。
那时候的物理学家普遍相信,只要数据够全,没有什么算不出来。世界就像一个上紧了发条的大钟,从第一推动开始,每一步都是注定的。
到了二十世纪初,事情开始不对劲了。
物理学家研究微观粒子的时候,发现一个让人头大的现象:你没法同时精确知道一个粒子的位置和动量。
你把位置测得越准,动量就越模糊;反过来,你把动量卡得越死,位置就像被抹了油一样滑走。
这就是大家常听说的"测不准原理"。
但这里有个特别容易误会的地方。很多人一听"测不准",就以为是仪器不够精密,或者人类技术还不到家,等以后仪器牛了就能同时测准。
真不是。
这不是"测不准",是它本来就没有同时确定的位置和动量。不是我们看不到,是它压根就不在那。
打个不太恰当的比方。
你想象一个电子,它不像一个小钢球那样安安稳稳待在某个地方。它更像一团雾,你不看它的时候,它是一片概率云,弥散在好几个位置上;你一看它,它"啪"地一下在其中一个位置现形。
至于具体在哪个位置现形,没有原因,没有理由,纯看概率。
这就很吓人了。
因为如果连最基本的粒子都是这样"没谱"的,那我们这个世界到底是怎么回事?
你桌子上的杯子,你屁股底下的椅子,你自己,全都是由这些"没谱"的粒子堆出来的。
为什么它们凑在一起就那么稳?为什么杯子不会突然飘到天花板上去?
物理学家玻尔带头搞了一套解释,叫"哥本哈根诠释"。
核心意思就一句话:微观世界就是这样的,概率就是它的本质,别拿宏观世界的经验去套它。观测这个动作本身,会让"概率云"坍缩成一个确定的结果。
爱因斯坦是真不服。
他是那种骨子里相信世界是实在的、确定的科学家。
你跟他说一个粒子在观测之前可以同时在好几个地方,他觉得这简直是疯了。
他的名言是"上帝不掷骰子",意思是世界的底层规律不该是这种靠概率蒙事的东西。
爱因斯坦的想法是这样的:量子力学看起来用概率算来算去,不是因为世界本质上是概率的,而是因为量子力学本身还不完备。
就像我们扔硬币看起来随机,其实是因为没掌握所有细节。
微观世界里一定有什么"隐藏的变量"还没被发现,只要把这些隐变量找出来,粒子该在哪还是在哪,该怎么动还是怎么动,一切都是确定的。
他跟玻尔为此吵了好多年。
1927年和1930年两届索尔维会议上,爱因斯坦连出了好几个思想实验想将玻尔一军,结果每次都被玻尔想办法挡了回去。
据说玻尔到死的时候,脑子里还在转着爱因斯坦当年那个"光子箱"实验。
吵到1935年,爱因斯坦拉着两个同事,搞了个大招,就是后来大名鼎鼎的EPR佯谬。
这个佯谬说起来不复杂。
想象一下,一个母粒子分裂成两个子粒子,往相反方向飞。因为动量守恒,这两个子粒子的状态是关联的,一个左旋,另一个必然右旋;一个在左边出现的概率大,另一个就在右边出现的概率大。
爱因斯坦说,好,这俩粒子飞出去好远好远,远到光都得走好几年。
这时候我测第一个粒子的位置,那第二个粒子的位置不就瞬间确定了吗?
但按照相对论,信息传递不能超光速。
第二个粒子怎么可能"知道"我这边测了位置、还瞬间配合着改变自己的状态?
爱因斯坦的意思是,唯一合理的解释是:这两个粒子在分开的那一刻,状态就已经定好了,跟那副分装在两个盒子里的手套一模一样。你测第一个,只是拆开了一个本来就写好的答案而已。
玻尔这边则说:不对,这两个粒子哪怕隔了整个宇宙,在测量之前它们就是一个整体,不是两个独立的东西。你测其中一个,另一个瞬间"响应",但这种响应不能用来传任何信息,所以不违反相对论。
两边说得都振振有词,但谁也说服不了谁。因为这本来就是个思想实验,你没法真的把两个粒子扔到几光年外再测。
科学这东西,嘴上吵一万年没用,得做实验。
可问题是,这个实验怎么设计?
时间一晃到了六十年代。出来一个叫贝尔的物理学家。
贝尔这个人挺有意思,他是爱因斯坦的忠实粉丝,真心站在隐变量那一边。他本来的想法是:我帮我偶像把这个事说清楚,看看怎么用实验验证隐变量到底存不存在。
结果他算来算去,算出来一个让自己都很郁闷的结论。
他发现一件事:如果世界真的像爱因斯坦说的那样,是局域实在的。也就是说,一个地方发生的事不能瞬间影响另一个相隔遥远的地方(局域性),而且所有物理量在测量之前就有确定值(实在性)。那么不管你用什么隐变量理论,实验结果都必须满足一个不等式。
这就是后来所说的"贝尔不等式"。
但量子力学的预言呢?恰恰违反这个不等式。
什么意思呢?意思就是:要么量子力学错了,要么局域实在性错了。两者只能活一个。
这一下就从哲学争论变成了可以做实验的硬问题。
你不用再跟人辩"你怎么看""我怎么看",你去做实验,看贝尔不等式到底成不成立。
成立,爱因斯坦赢;不成立,玻尔赢。
从七十年代开始,物理学家就开始折腾这个实验。
1972年有人第一次测了,结果站量子力学这边,也就是贝尔不等式不成立。
但大家都觉得实验不够干净,漏洞太多。
1982年,一个叫阿斯派克特的法国物理学家做了个当时最精密的实验,结果还是量子力学赢。
可这个实验还是有毛病,两个测量站之间距离太近,理论上两个站之间还来得及在测量之前偷偷"通气",这叫"局域性漏洞"。而且探测效率也不够高,万一没测到的那些粒子里藏着能让不等式成立的样本呢?
这叫"探测漏洞"。
之后几十年,全世界各个实验室反复做这个实验,换光子的、换原子的、换金刚石里的色心的,结果全都一边倒:量子力学每次都赢,贝尔不等式每次都不成立。
但漏洞还是没补干净。要么距离够远了但探测器不行,要么探测器够灵了但距离太近。
直到2015年,荷兰代尔夫特理工大学的汉森团队,用金刚石色心做了个实验,第一次同时把"局域性漏洞"和"探测漏洞"都堵上了。
这下基本可以盖棺定论了:局域实在性,在实验上是真的站不住脚。
当然,还是有人揪着一个叫"自由意志漏洞"的东西不放。
什么意思呢?
实验里测量方向是随机选的,但这个"随机"是量子随机数发生器产生的。
那有没有可能,被测量的两个粒子和这个随机数发生器,在很久以前,比如宇宙大爆炸那会儿,就被同一个因素绑在一起了?
也就是说,你以为自己是"自由选择"测哪个方向,其实这个选择本身跟粒子的状态早就串好供了。
要堵这个漏洞,得用真人的自由意志来选测量方向。
可人脑反应太慢了,两个测量站得放到月球那么远才来得及。
目前还做不到。
但话说回来,就算真把人拉上去,你也没法百分之百排除,因为人自己的大脑,不也是由一堆粒子组成的吗?你今天想往左还是往右,追根溯源不也是粒子撞来撞去的结果吗?
到这一步,事情已经有点哲学的味道了。
实验摆在这里:贝尔不等式不成立。这就意味着我们一开始默认的那两个前提,局域性和实在性,不能同时成立。
那到底哪个错了?
先说局域性。
局域性说的是没有超距作用,信息、能量、物质的传递不能超光速。
这条其实很硬,因为相对论从头到尾没被违反过,引力波、黑洞、时间膨胀,一堆实验全在给相对论站台。你要为了量子力学就把相对论掀了,那代价太大。
所以剩下的可能就两种。
第一种:实在性没错,但自由意志是幻觉。
这是贝尔自己后来也认真考虑过的一个方向,叫"超决定论"。
意思是,宇宙里所有的事,从粒子往哪飞,到你现在决定测哪个方向,到你今天早上吃豆浆还是油条,全都是从宇宙大爆炸那一刻起就写死了的。没有任何真正的随机,连你以为自己在做选择的那个念头,都是138亿年前所有粒子撞来撞去撞出来的必然结果。
在这种世界观里,贝尔不等式之所以不成立,不是因为世界不实在,而是因为"你选择测量方向"这件事和"被测量粒子的状态",在宇宙早期就是同一串因果链上的东西,它们"约好了"要一起演这出戏。
这个解释在数学上没毛病,但绝大多数人一听就觉得后背发凉。
因为它等于说:你读这篇文章、你现在心里想的、你这辈子做过的所有决定,没有一个是你自己选的。你只是一个被程序运行着的角色。
第二种:局域性没错,但实在性是假的。
也就是说,量子力学说的是真的,世界本质上就是概率的,是真随机。
一个粒子在被测量之前,就是没有确定的位置,不是我们不知道,是它真的没有。两个纠缠粒子哪怕相隔整个宇宙,也是一个整体,你测其中一个,另一个"同时"给出对应结果。
但这里有个特别关键的地方:这种"瞬间影响"不能用来传递任何信息。因为你测出来的结果本身是随机的,你没法控制它出什么。
你在这头得到的那串数字是乱码,对面那头得到的也是乱码,只有把两边的结果拿到一起对比,你才会发现它们之间完美关联。单看任何一边,都读不出任何东西。
所以光速还是那个光速,相对论一点没被违反。纠缠是真的纠缠,超光速传信息是不可能的。
聊到这,其实科学能给的答案就差不多到这了。剩下的就是你愿意信哪个。
如果问我,我更愿意相信"世界本质上是真随机的"这一种。
倒不是因为我能证明它,而是因为另一种实在是太让人不舒服了。
你想啊,如果超决定论是真的,那我现在敲这些字、你现在读这些字、你下次跟朋友吵架时那一句脱口而出的气话,全都是138亿年前就写好的剧本。那"我"这个东西算什么呢?一个被按程序播放的播放器?努力、后悔、选择、爱、恨,全都是幻觉?
这种世界观太让人沮丧了。
而真随机这一种,虽然也很怪,粒子在被看之前居然没有确定的位置,相隔几光年的两个粒子居然是一个整体,但它至少给"自由意志"留了一条缝。
如果世界底层是真随机的,那我的大脑里发生的那些神经活动,就不是从宇宙大爆炸开始一路算下来的必然结果。我此刻在想什么,某种意义上真的是"此刻"才决定的,而不是138亿年前就写好的。
我知道这个论证在物理学上是不严谨的。
自由意志到底怎么从量子随机里"长"出来,这个问题现在没人能回答清楚。
量子随机和一个人"要不要辞职""要不要跟这个人结婚"之间,隔着十万八千里的复杂系统。
但人活着,总不能什么事都等科学把每一步都证明了才敢信吧?
你看,几百年前大家也觉得地球就是宇宙中心,后来发现不是;一百年前大家也觉得世界就是牛顿那个精密钟表,后来发现不是。
我们这代人觉得"粒子怎么可能没有确定位置"很荒谬,搞不好再过一百年,后人回头看,会觉得这种想法跟"地球是平的"差不多好笑。
科学这东西,从来不是告诉你"世界就是这样",而是告诉你"目前我们知道到这了,再往前,墙还没摸到"。
至于那堵墙后面到底是一只掷骰子的手,还是一个写好的剧本,我宁可相信前者。
至少这样,我现在敲下这些字的这一刻,是我自己想敲的。