为什么自由意志和量子理论不可调和？一个深刻的物理哲学问题

我给你留了条信息。你知道这条信息的到来。你不会理解它，除非你问我。信息是瞬间从我这里传给你的。它不是通过无线电或光纤电缆以光速传递的（它是即时的）。直到1935年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇震撼量子物理学家的论文。

这个问题就是纠缠。这篇论文的题目是 "量子力学对物理现实的描述能被认为是完整的吗？"

纠缠是一个很难理解的话题，即使对物理学家来说也是如此。它是如此困难，以至于花了几十年的时间来确定它到底是什么以及它的原理是什么。尽管如此，没有人知道它意味着什么。

纠缠来自于物理学中的守恒定律。这些定律告诉我们，某些数量必须相加。能量、动量、角动量和电荷不能丢失或找到。这些守恒定律是绝对的，但量子物理学给了粒子回旋的余地，当有一个以上的粒子参与时，它们如何遵守这些定律。这就是粒子是如何被纠缠的。

守恒量是成对的互补属性。你可以在单个粒子的单一实验中测量一个，但不能测量另一个。例如，你不能同时测量一个粒子的位置和动量。如果你听说过海森堡的不确定性原理，那就是这个想法，但不确定性是理解它的一个坏方法。它让人觉得问题出在你的测量仪器上。但真正的问题是现实。

粒子有一个叫做自旋的属性，也就是它们的角动量。对于像电子这样的大质量粒子来说，自旋有三个组成部分，我们称之为x、y和z，光子只有两个，x和z。自旋是互补的属性。但事实证明，如果有纠缠在一起的粒子，你可以同时知道这两个自旋。

假设你准备一个实验，产生两个光子，使它们必须具有相反的自旋，即A和B，你可能从一个质子的衰变中得到。由于你不知道每个光子有什么自旋，你需要测量它，但你只能测量每个光子的x或z分量。幸运的是，如果你测量A的x和B的z，你可以推断出A的z和B的x是相反的。这是因为这两个光子是纠缠在一起的。例如，如果A的x是 "上"，B的z是 "右"，那么B的x是 "下"，A的z是 "左"。

1935年，一些物理学家认为这似乎违反了海森堡原理，但它没有，爱因斯坦也知道。根据量子物理学，当这两个光子移开时，它们仍然是纠缠的，就像它们是两个不同位置的单一粒子。更糟的是，在测量自旋之前，这些粒子并没有一个明确的自旋值。

关于宇宙的本质，爱因斯坦有两种根深蒂固的信念：位置性和现实主义（locality and realism），而量子理论似乎违背了这两种信念。

位置性意味着每件发生的事情都发生在一个特定的时间和一个特定的地点。一件事不可能发生在两个地方。而两件事情只能以光速或比光速慢的速度传播信号，而不是即时的。

现实主义意味着，宇宙中所有可以测量的东西在被测量之前都有一个确定的状态。换句话说，如果我测量一个粒子有一个特定的自旋，那么在我测量它之前，它一定有这个自旋。

爱因斯坦坚持认为，量子物理学只有满足这两个标准才算完整。但伟大的量子物理学家玻尔和海森堡并不同意。海森堡是明显的反现实主义者，而玻尔不一定是反现实主义者，但他认现实既取决于观察者，也取决于被观察者，所以他对从同一粒子的不同种类的实验中得到不同的结果不感到惊讶。

以下是纠缠是如何违反爱因斯坦的信念的。

违反现实主义

根据量子理论，光子A和光子B在被测量之前并没有明确的自旋。相反，它们有一系列可能的自旋被编码在一个叫做波函数的实体中，但是，由于它们的自旋是相反的，一个自旋必须决定另一个。然而，当你测量自旋时，它就变成了确定的、不可改变的。因此，在测量之前，它并不成为 "真实"。

违反位置性

当我们测量光子A的自旋时，它自动决定了你将在光子B处测量的东西。在光子A处测量的东西似乎被瞬间传送到光子B处，因此它既 "知道 "它应该是什么自旋，又知道进行了何种测量。这种知识并没有给进行测量的人带来任何新的信息，但如果不援引某种信息传递，就不可能在标准量子理论中解释实验。

你可以通过观察你的自旋探测器之间的角度如何影响你在每个光子上的测量结果来量化它。如果你测量两个光子的x和x，你的角度是0或180度。如果你测量x和z，它是90或270。但如果你在x和z之间测量，它可能是30或45或其他一些数字。

如果没有信息传递，你会期望在不同角度的测量服从下面的红线，即角度之间的完全线性相关。当你的探测器平行或垂直时，你可以假装信息没有转移，因为蓝线和红线在这些角度交叉。但在其他情况下，相关关系是非线性的，这意味着信息必须被转移，不仅是关于被测量的东西，而且是如何被测量的。

在量子场理论中，这种信息转移发生在所有的时间和空间，从大爆炸到时间的尽头，从地球到空间的尽头，如果有这种东西的话。

多世界解释

你可以通过多世界解释来解决这些问题：例如，你可以通过说粒子自旋的每个值作为一个明确的值存在于多元宇宙中该粒子的一个副本中，来恢复现实主义和位置性。从一个光子到另一个光子的表面信息传输是一种幻觉。相反，你——意思是你的一个副本，已经被分割到一个特定的宇宙中，在那里它看起来是这样的。这很容易理解，但很难相信。

对量子理论的修改

你也可以通过修改量子理论来恢复现实主义和位置性，但并不容易。

例如，大卫-博姆（David Bohm）引入了导引波来引导粒子并为它们进行交流，这恢复了现实主义，但没有恢复位置性。还有许多其他的变种和新解释。大多数已经不那么流行了。

修改量子理论就像玩火，你经常会被烧伤。量子理论毕竟是一个有100年历史的大厦，是有史以来最成功的物理理论。几乎所有的修改都给宇宙引入了一些随机性的因素。也都未能恢复位置性。

从直觉上思考量子理论是很难的。爱因斯坦的相对论没有发挥作用，也会产生问题。一旦你过渡到量子场论，那些修饰所依赖的许多假设就会消失。像博姆的理论就开始崩溃了。

如何直观地思考纠缠问题

想象一下，有一个上帝视角。回到纠缠的光子上，想象一下，它的自旋是一个小箭头，垂直于它的运动。箭头随机地、不连续地移动着。

现在你看光子B以光速向相反方向移动。它也有一个箭头在随机地移动。奇怪的是，每当光子A的箭头移动到别的地方时，光子B的箭头就会瞬间移动到相反的方向上。无论它们之间的距离有多少光年，箭头都会彼此同步移动。这就好像它们是一个粒子在两个地方。

你能想象这种情况发生的唯一方法是它们以某种方式连接在一起，要么是通过一个允许瞬时通信的指导性波函数，要么是宇宙的本质所包含的东西。

扩展的位置性

假设我们再看一下位置性，并试图扩大我们对它的定义。从四维角度看光子。想象一下每个光子的路径。两者共同形成一个单一的结构。这个结构不是一个点结构，而是一组线（称为世界线）。有两条线在光子成为纠缠的空间和时间上的一个点上相连。

假设这些世界线是真正的粒子，不是时间和空间的点，而是穿过时间和空间的线。而这些粒子能够沿着这些世界线交流，回到它们的原点，回到时间中。如果是这样的话，那么这些纠缠的粒子能够 "瞬间 "分享信息也就说得通了，因为它们是通过时间进行交流，沿着世界线调和它们的状态。

如果我们把位置性定义为连接的世界线，而不是发生在点上的事件，那么纠缠就不再违反它了。而且，由于信息不能从光子A传递到光子B，它也不违反因果性。(你不能把信息送回过去或比光速快，因为两个光子共享的所有 "信息 "都是随机的）。) 另一方面，两条不相连的线不能被纠缠，除非它们被第三条线连接。

坍缩的位置性

然而，量子场理论将这些粒子表示为简单地输入到一个跨越所有时间和空间的巨大的场集。这个场连接了宇宙中所有能够相互作用的粒子。这意味着我们必须扩大我们的世界线的概念，以包括场，但幸运的是世界线是四维场的一维版本。因此，我们对位置性的定义仍然成立，但现在涵盖了所有的时间和空间！这意味着我们必须扩大我们的世界线概念，以包括场。

有了这个补充，作为一个概念，位置性就崩溃了，但所有东西都是位置性的。如果不进一步修改量子场理论，它就变得毫无意义。

自由意志与位置性

在这个位置性的问题上有一个漏洞。量子理论表明，实验之间存在着相关性，这表明关于正在进行的实验的信息正在被即时传送。但是，如果宇宙在一开始就已经知道这些实验和它们的结果呢？

超决定论认为，这种奇怪的相关曲线是在大爆炸时所有物质之间发生的相关关系的结果。物质从来没有不相关的，包括构成你和我的物质。信息的传播速度不比光快。它一开始就在那里，因为我们选择做的任何事情都是不确定的。

即使量子场理论看起来在每个时刻都连接着所有的时间和空间，那也是一种幻觉。时间和空间中的所有事物都是联系在一起的，因为它们都是在时间的开始就被预先确定的。

扩展的现实主义

爱因斯坦不喜欢随机性，但不幸的是，随机性是量子物理学的核心所在。如果你把现实主义扩展到包括随机的波动值，那么就不再有问题了。

量子数学告诉我们，粒子有一个描述其状态的波函数，但没人见过波函数。我们不妨假设粒子的状态在传播过程中是随机波动的。当我们测量粒子时，这就像掷骰子。我们碰巧落在其中一个可能的数值上。

然而，为了使随机性发挥作用，粒子的世界线又必须被调用。世界线作为一个整体是随机的，而不是粒子从一个时间到另一个时间的状态。这就是量子和经典随机性之间的区别。你可以想象抛出一组骰子，不是在光子传播的每一刻，而是只抛一次，以确定光子从发射到探测的整个历史。一旦这些骰子被抛出，光子在其整个历史中可以有一个确定的状态。

但是骰子是什么时候掷出的呢？是在你探测到光子的时候还是在宇宙的开始？在这两者之间吗？我们所测量的东西何时成为现实？

现实主义与自由意志

只要骰子是在发射时或发射前抛出的，我们就可以说现实主义肯定是恢复了。要做到这一点，粒子必须 "知道 "它将会发生什么。

如果骰子是在探测时而不是在发射时掷出，那么自由意志是可能的，但现实主义的基础是不稳固的。我们能说过去的东西基于未来的事件而成为现实吗？这是一个比我们希望的更弱的现实主义定义，因为它意味着在光子被探测到之前，没有现实。

到了量子场理论，我们把一维世界线扩展到四维场。由于场相互作用的方式，我们最终发现整个宇宙的过去和未来都是随机的、相互联系的，包括我们。

现在，我们没有办法摆脱它了。每一个观察和测量都是在大爆炸时预先确定的，但真实的或只有在时间的尽头才确定。生活可能对你来说是真实的，但是，如果你想要自由意志，你必须把现实交易掉，让你的生活成为一场梦，直到每个粒子的每一次互动都得到解决。

结论

还有其他避免自由意志问题的解释，但它们涉及额外的维度或宇宙。如果我们能找到这些证据，这可能会回答一些深刻的哲学以及科学问题。

另一个惊人的结论是，我们可能已经理解了量子理论。我们只是不愿意接受这种暗示。如果我们有自由意志，量子理论就没有意义了。如果现实是超决定的，那么量子理论确实有意义，爱因斯坦的位置性和现实主义得到恢复，但我们没有自由意志。

相信什么是你的选择。但话说回来，也许不是这样的。

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