量子论：未来无法被精确计算，充满着无限可能

明曲

量子论：未来无法被精确计算，充满着无限可能

爱因斯坦：“上帝不掷骰子！”

    波尔：“不要指挥上帝怎么做！”

    这是1927年10月，在布鲁塞尔召开的第五次索尔维会议上，爱因斯坦与玻尔的一段著名的对话，被后人反复引用。

    观察一个量子系统，第一次的观察结果，不能确定与第二次的观察结果是否相同。想要根据第一次观察的结果，来预测第二次观察结果，是不可能的事情。不确定性是量子系统的内在禀性，与观察技术无关。

    量子系统的不确定性，不能等同于抛硬币的随机性。在抛硬币之前，我们就已经确切地知道结果——要么就是正面，要么就是反面。一个电子的自旋，在观察之前，处于叠加态，我们无法确定它是上旋还是下旋，只有观察之后才能确定。抛硬币通常都是用手，手抛硬币的每一次动作都会有差异，从而导致抛硬币的随机性产生。在现有的人工智能技术条件下，我们完全可以制造出一台硬币抛投机器，保证你想投出正面就是正面，想投出反面就是反面。

    量子系统则不一样，无论你怎么改进观察技术，不确定性依然存在。譬如，观察电子的自旋，你用到的光子，无论该光子的动量是大是小，对电子产生的扰动是大是小，都不能决定电子的自旋方向。不能说观察的扰动越小，它的自旋方向就越确定；也不存在用一个具有特定动量值的光子去观察，电子的自旋就表现为上旋，用另外一个具有特定动量值的光子去观察，电子就表现为下旋。实验告诉你，没有这回事。换句话说，微观粒子是有脾气的，它的状态它做主。

    很多朋友之所以会对量子系统的不确定性产生误解，是因为教科书在举例说明不确定性原理的时候，通常用的例子，都是观察微观粒子的位置和动量。

    1927年，海森堡提出不确定性原理的时候，就是这样说的——你不可能同时确切地知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除于4π，即ΔxΔp≥h/4π 。例如，用一个光子去观察一个电子，如果这个光子的动量越大，得到电子的动量信息就越精准，而电子的位置信息就越不精准；反之，如果这个光子的动量越小，得到电子的位置信息就越精准，而电子的动量信息就越不精准。

    于是就有人假设，能不能用一个动量恰好合适的光子去观察电子呢？

    2003年，日本名古屋大学教授小泽正直提出“小泽不等式”，认为“测不准原理”可能存在缺陷。小泽正直的科研团队对中子“自转”倾向相关的两个值进行了精密测量，并成功测出超过所谓“极限”的两个值的精度，使得小泽不等式获得成立，证明了“测不准原理”确实存在缺陷。该成果于2012年1月15日在英国科学杂志《自然物理学》上发表。

    多伦多大学量子光学研究小组的李·罗泽马（Lee Rozema）设计了一种弱测量技术，让所测对象受到的干扰微乎其微，每个光子进入仪器前，研究人员对其进行弱测量，然后再用仪器测量，之后对比两个结果。他们发现造成的干扰不像海森堡原理中推断的那么大。该成果于2012年9月7日在《物理评论通讯》周刊上发表。

    小泽正直和罗泽马都试图通过改进测量技术，来解决量子系统的不确定性问题。可是不管测量技术如何改进，他们都无法对量子系统的单次结果做出确切的预测。小泽正直的测量无论如何精确，都不能确切地预测中子在某一时刻的自旋方向。罗泽马的弱测量技术，对中子测量产生的干扰，无论多么弱小，即便弱小到可以忽略不计，都无法预测中子在某一时刻的确切自旋方向。

    用观察一个微观粒子的位置和动量来说明量子系统的不确定性，容易产生争论，导致误解。有很长一段时期，“不确定性原理”被误称为“测不准原理”，人们误认为不确定性是因为测量不准的因素导致。现在中国的教科书，已经做了订正。最好还是用观察自旋的例子来说明量子系统不确定的内在禀性，争论小，不易产生误解。

    不确定性表现为随机性，但不确定性不等于随机性。不确定性是量子系统的内在禀性，与观察技术无关。宏观事物的随机性，与运作技术密切相关，随着运作技术的改进，它的随机性会越来越小。爱因斯坦用“掷骰子”来比喻量子系统的不确定性，也并不十分恰切。骰子是一个宏观物体，构成它的原子、与它发生摩擦的空气分子和与它发生碰撞的容器分子，虽然都具有不确定性的内在禀性，但只要骰子的质量足够大，那些微观粒子的不确定性效应就可以忽略不计。凭借现在的人工智能，完全可以制造出一台“想要什么点子数就来什么点子数”的掷骰子机器。

    宏观世界的确定性，是微观粒子集群运动表现出来的规律性。宏观世界里发生的事件，表面上看起来非常确定，但它不确定的内在禀性并未改变。天气预报的准确率不能做到百分之百，社会活动中时常会发生“黑天鹅”事件，等等，都是因为宏观世界仍然具有不确定的内在禀性。

    世界是不确定的，它的未来是不确定的，人生的未来也是不确定的。弱者在不确定面前感到畏惧，强者在挑战不确定的过程中得到无限的乐趣。毛泽东年轻时，在他的《奋斗自勉》一文中写道：“与天奋斗，其乐无穷！与地奋斗，其乐无穷！与人奋斗，其乐无穷！”人生的道路艰难曲折，充满着不确定和未知。但是，只要我们心中的那盏“桐油灯”还在发出光亮，人生就会有希望。

    未来无法被精确计算，充满着无限可能。明白了世间的艰难困苦，却依然勇敢地去面对，你就是生活的强者。做科普不一定非要板着面孔说物理，适当引申到人生的哲理将大有裨益。为你添上一小勺清亮的精神“桐油”，你的心灯将会永远发光。

转自：量子科学