為什麼自由意志和量子理論不可調和? 一個深刻的物理哲學問題

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我給你留了條資訊。你知道這條資訊的到來。你不會理解它，除非你問我。資訊是瞬間從我這裡傳給你的。它不是透過無線電或光纖電纜以光速傳遞的（它是即時的）。直到1935年，阿爾伯特·

愛因斯坦

發表了一篇震撼量子

物理學家

的論文。

這個問題就是糾纏。這篇論文的題目是 "量子力學對物理現實的描述能被認為是完整的嗎？"

糾纏是一個很難理解的話題，即使對物理學家來說也是如此。它是如此困難，以至於花了幾十年的時間來確定它到底是什麼以及它的原理是什麼。儘管如此，沒有人知道它意味著什麼。

糾纏來自於物理學中的守恆定律。

這些定律告訴我們，某些數量必須相加。能量、動量、角動量和電荷不能丟失或找到。這些守恆定律是絕對的，但量子物理學給了粒子迴旋的餘地，當有一個以上的粒子參與時，它們如何遵守這些定律。

這就是粒子是如何被糾纏的。

守恆量是成對的互補屬性。你可以在單個粒子的單一實驗中測量一個，但不能測量另一個。例如，你不能同時測量一個粒子的位置和動量。如果你聽說過海森堡的不確定性原理，那就是這個想法，但不確定性是理解它的一個壞方法。它讓人覺得問題出在你的測量儀器上。但真正的問題是現實。

粒子有一個叫做自旋的屬性，也就是它們的角動量。對於像電子這樣的大質量粒子來說，自旋有三個組成部分，我們稱之為x、y和z，光子只有兩個，x和z。自旋是互補的屬性。但事實證明，如果有糾纏在一起的粒子，你可以同時知道這兩個自旋。

假設你準備一個實驗，產生兩個光子，使它們必須具有相反的自旋，即A和B，你可能從一個質子的衰變中得到。由於你不知道每個光子有什麼自旋，你需要測量它，但你只能測量每個光子的x或z分量。幸運的是，如果你測量A的x和B的z，你可以推斷出A的z和B的x是相反的。這是因為這兩個光子是糾纏在一起的。例如，如果A的x是 “上”，B的z是 “右”，那麼B的x是 “下”，A的z是 “左”。

1935年，一些物理學家認為這似乎違反了海森堡原理，但它沒有，愛因斯坦也知道。根據量子物理學，當這兩個光子移開時，它們仍然是糾纏的，就像它們是兩個不同位置的單一粒子。更糟的是，在測量自旋之前，這些粒子並沒有一個明確的自旋值。

關於宇宙的本質，愛因斯坦有兩種根深蒂固的信念：位置性和現實主義（locality and realism），而量子理論似乎違背了這兩種信念。

位置性意味著每件發生的事情都發生在一個特定的時間和一個特定的地點。一件事不可能發生在兩個地方。而兩件事情只能以光速或比光速慢的速度傳播訊號，而不是即時的。

現實主義意味著，宇宙中所有可以測量的東西在被測量之前都有一個確定的狀態。換句話說，如果我測量一個粒子有一個特定的自旋，那麼在我測量它之前，它一定有這個自旋。

愛因斯坦堅持認為，量子物理學只有滿足這兩個標準才算完整。但偉大的量子物理學家玻爾和海森堡並不同意。海森堡是明顯的反現實主義者，而玻爾不一定是反現實主義者，但他認現實既取決於觀察者，也取決於被觀察者，所以他對從同一粒子的不同種類的實驗中得到不同的結果不感到驚訝。

以下是糾纏是如何違反愛因斯坦的信念的。

違反現實主義

根據量子理論，光子A和光子B在被測量之前並沒有明確的自旋。相反，它們有一系列可能的自旋被編碼在一個叫做波函式的實體中，但是，由於它們的自旋是相反的，一個自旋必須決定另一個。然而，當你測量自旋時，它就變成了確定的、不可改變的。因此，在測量之前，它並不成為 “真實”。

違反位置性

當我們測量光子A的自旋時，它自動決定了你將在光子B處測量的東西。在光子A處測量的東西似乎被瞬間傳送到光子B處，因此它既 “知道 ”它應該是什麼自旋，又知道進行了何種測量。這種知識並沒有給進行測量的人帶來任何新的資訊，但如果不援引某種資訊傳遞，就不可能在標準量子理論中解釋實驗。

你可以透過觀察你的自旋探測器之間的角度如何影響你在每個光子上的測量結果來量化它。如果你測量兩個光子的x和x，你的角度是0或180度。如果你測量x和z，它是90或270。但如果你在x和z之間測量，它可能是30或45或其他一些數字。

如果沒有資訊傳遞，你會期望在不同角度的測量服從下面的紅線，即角度之間的完全線性相關。當你的探測器平行或垂直時，你可以假裝資訊沒有轉移，因為藍線和紅線在這些角度交叉。但在其他情況下，相關關係是非線性的，這意味著資訊必須被轉移，不僅是關於被測量的東西，而且是如何被測量的。

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在量子場理論中，這種資訊轉移發生在所有的時間和空間，從大爆炸到時間的盡頭，從地球到空間的盡頭，如果有這種東西的話。

多世界解釋

你可以透過多世界解釋來解決這些問題：例如，你可以透過說粒子自旋的每個值作為一個明確的值存在於多元宇宙中該粒子的一個副本中，來恢復現實主義和位置性。從一個光子到另一個光子的表面資訊傳輸是一種幻覺。相反，你——意思是你的一個副本，已經被分割到一個特定的宇宙中，在那裡它看起來是這樣的。這很容易理解，但很難相信。

對量子理論的修改

你也可以透過修改量子理論來恢復現實主義和位置性，但並不容易。

例如，大衛-博姆（David Bohm）引入了導引波來引導粒子併為它們進行交流，這恢復了現實主義，但沒有恢復位置性。還有許多其他的變種和新解釋。大多數已經不那麼流行了。

修改量子理論就像玩火，你經常會被燒傷。量子理論畢竟是一個有100年曆史的大廈，是有史以來最成功的物理理論。幾乎所有的修改都給宇宙引入了一些隨機性的因素。也都未能恢復位置性。

從直覺上思考量子理論是很難的。愛因斯坦的相對論沒有發揮作用，也會產生問題。一旦你過渡到量子場論，那些修飾所依賴的許多假設就會消失。像博姆的理論就開始崩潰了。

如何直觀地思考糾纏問題

想象一下，有一個上帝視角。回到糾纏的光子上，想象一下，它的自旋是一個小箭頭，垂直於它的運動。箭頭隨機地、不連續地移動著。

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現在你看光子B以光速向相反方向移動。它也有一個箭頭在隨機地移動。奇怪的是，每當光子A的箭頭移動到別的地方時，光子B的箭頭就會瞬間移動到相反的方向上。無論它們之間的距離有多少光年，箭頭都會彼此同步移動。這就好像它們是一個粒子在兩個地方。

你能想象這種情況發生的唯一方法是它們以某種方式連線在一起，要麼是透過一個允許瞬時通訊的指導性波函式，要麼是宇宙的本質所包含的東西。

擴充套件的位置性

假設我們再看一下位置性，並試圖擴大我們對它的定義。從四維角度看光子。想象一下每個光子的路徑。兩者共同形成一個單一的結構。這個結構不是一個點結構，而是一組線（稱為世界線）。有兩條線在光子成為糾纏的空間和時間上的一個點上相連。

假設這些世界線是真正的粒子，不是時間和空間的點，而是穿過時間和空間的線。而這些粒子能夠沿著這些世界線交流，回到它們的原點，回到時間中。如果是這樣的話，那麼這些糾纏的粒子能夠 “瞬間 ”分享資訊也就說得通了，因為它們是透過時間進行交流，沿著世界線調和它們的狀態。

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如果我們把位置性定義為連線的世界線，而不是發生在點上的事件，那麼糾纏就不再違反它了。而且，由於資訊不能從光子A傳遞到光子B，它也不違反因果性。（你不能把資訊送回過去或比光速快，因為兩個光子共享的所有 “資訊 ”都是隨機的）。） 另一方面，兩條不相連的線不能被糾纏，除非它們被第三條線連線。

坍縮的位置性

然而，量子場理論將這些粒子表示為簡單地輸入到一個跨越所有時間和空間的巨大的場集。這個場連線了宇宙中所有能夠相互作用的粒子。這意味著我們必須擴大我們的世界線的概念，以包括場，但幸運的是世界線是四維場的一維版本。因此，我們對位置性的定義仍然成立，但現在涵蓋了所有的時間和空間！這意味著我們必須擴大我們的世界線概念，以包括場。

有了這個補充，作為一個概念，位置性就崩潰了，但所有東西都是位置性的。如果不進一步修改量子場理論，它就變得毫無意義。

自由意志

與位置性

在這個位置性的問題上有一個漏洞。量子理論表明，實驗之間存在著相關性，這表明關於正在進行的實驗的資訊正在被即時傳送。但是，如果宇宙在一開始就已經知道這些實驗和它們的結果呢？

超決定論認為，這種奇怪的相關曲線是在大爆炸時所有物質之間發生的相關關係的結果。物質從來沒有不相關的，包括構成你和我的物質。資訊的傳播速度不比光快。它一開始就在那裡，因為我們選擇做的任何事情都是不確定的。

即使量子場理論看起來在每個時刻都連線著所有的時間和空間，那也是一種幻覺。時間和空間中的所有事物都是聯絡在一起的，因為它們都是在時間的開始就被預先確定的。

擴充套件的現實主義

愛因斯坦不喜歡隨機性，但不幸的是，隨機性是量子物理學的核心所在。如果你把現實主義擴充套件到包括隨機的波動值，那麼就不再有問題了。

量子數學告訴我們，粒子有一個描述其狀態的波函式，但沒人見過波函式。我們不妨假設粒子的狀態在傳播過程中是隨機波動的。當我們測量粒子時，這就像擲

骰子

。我們碰巧落在其中一個可能的數值上。

然而，為了使隨機性發揮作用，粒子的世界線又必須被呼叫。世界線作為一個整體是隨機的，而不是粒子從一個時間到另一個時間的狀態。這就是量子和經典隨機性之間的區別。你可以想象丟擲一組骰子，不是在光子傳播的每一刻，而是隻拋一次，以確定光子從發射到探測的整個歷史。一旦這些骰子被丟擲，光子在其整個歷史中可以有一個確定的狀態。

但是骰子是什麼時候擲出的呢？是在你探測到光子的時候還是在宇宙的開始？在這兩者之間嗎？我們所測量的東西何時成為現實？

現實主義與自由意志

只要骰子是在發射時或發射前丟擲的，我們就可以說現實主義肯定是恢復了。要做到這一點，粒子必須 “知道 ”它將會發生什麼。

如果骰子是在探測時而不是在發射時擲出，那麼自由意志是可能的，但現實主義的基礎是不穩固的。

我們能說過去的東西基於未來的事件而成為現實嗎？這是一個比我們希望的更弱的現實主義定義，因為它意味著在光子被探測到之前，沒有現實。

到了量子場理論，我們把一維世界線擴充套件到四維場。由於場相互作用的方式，我們最終發現整個宇宙的過去和未來都是隨機的、相互聯絡的，包括我們。

現在，我們沒有辦法擺脫它了。每一個觀察和測量都是在大爆炸時預先確定的，但真實的或只有在時間的盡頭才確定。

生活可能對你來說是真實的，但是，如果你想要自由意志，你必須把現實交易掉，讓你的生活成為一場夢，直到每個粒子的每一次互動都得到解決。

結論

還有其他避免自由意志問題的解釋，但它們涉及額外的維度或宇宙。如果我們能找到這些證據，這可能會回答一些深刻的哲學以及科學問題。

另一個驚人的結論是，我們可能已經理解了量子理論。我們只是不願意接受這種暗示。如果我們有自由意志，量子理論就沒有意義了。如果現實是超決定的，那麼量子理論確實有意義，愛因斯坦的位置性和現實主義得到恢復，但我們沒有自由意志。

相信什麼是你的選擇。但話說回來，也許不是這樣的。