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【贺天平 马凯莉 乔笑斐】量子自杀实验的哲学探析

 

量子自杀实验(quantum suicide experiment)又被称做量子俄罗斯轮盘(quantum Russian roulette)或量子永生(quantum immortality),是从量子力学延伸出的一个思想实验。它从多世界解释(the many-worlds interpretation)的基本假设出发,类比了薛定谔的猫思想实验的操作过程,对实验结果进行了重新审视,加深了我们对多世界解释内涵的理解,对于我们进一步认识量子力学的本质具有重要的意义。

   一、量子自杀实验的基本内容

   量子自杀实验最初是由泰格马克(Tegmark)[1]提出,他认为理论上讲多世界解释并非是不可验证的,量子自杀实验中多世界解释和哥本哈根解释会作出不同的预言,从而可以通过该实验对两者进行判定。多世界解释作为量子力学解释的一种,最初由埃弗雷特(Everett)[2]提出,后来经过德维特(Dewitt)[3]等人的进一步发展,目前已发展出丰富而完善的体系,成为当下量子哲学中的热点问题[4-5]

   量子自杀实验的实验装置是在薛定谔猫实验的基础上改装而成。在一个封闭的箱子里,一个自旋粒子与一个宏观的实验装置相连,不同的是,薛定谔猫实验中连的是一个毒气瓶子,而量子自杀实验连的是一个可以连续射击的量子枪。假设在实验中量子枪对粒子的自旋叠加态http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC20.jpg不断地进行测量,如果自旋向下,则射出一个子弹,发出“砰”的声响;如果自旋向上,则只会发出一声“滴答”声,并不射出子弹。假如我们打开实验开关,按照经典的量子力学预言,我们将会交替地听到“砰—滴答—滴答—砰……”一连串无规律的声音,粒子会随机坍缩到或上或下的一个状态,假如一个名叫凯特的志愿者自愿进入实验箱,脑袋正对着枪口,随着“砰”的一声枪声,人也会死在里面。

   然而,按照多世界解释的预言,凯特会一直活着,永远不会死。因为在多世界解释看来,处于叠加态的粒子永远不会坍缩,而是分裂为两个世界,其中一个世界中粒子自旋向上,另一个世界中粒子自旋向下。在上述实验中,如果被测粒子是自旋向上的,则量子枪只会发出一声“滴答”声,凯特正常地活着;如果被测粒子是自旋向下的,则量子枪会射出子弹,凯特会死掉。但是对于凯特来说这个死亡状态是没有意义的,因为从意识连续性的角度看,凯特的意识一直都在其中一个分支链条中连续地存在,所以在凯特看来自己可以一直活着,没有死亡威胁。整个过程用公式描述如下:

   http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC21.jpg

   传统的量子解释认为最后的结果为:50%的概率人活,50%的概率人死,最终只有其中一个状态存在。而多世界解释则认为:从凯特连续经验的角度看,死亡状态不被认知故无意义,应排除,最后结果为100%人活。需要强调的是,量子自杀实验中预设了两个重要的前提:前提一,假设多世界所描绘的世界图景是正确的,测量后世界会按照多世界解释所描述的分裂为相同的两个世界;前提二,假设一个人的历史是按照连续的意识状态来定义,死亡状态下意识中断,不再计入个人的历史经验中。

   二、量子自杀实验的三个反驳

   量子自杀实验被提出后,引发了人们广泛的关注和讨论。路易斯(Lewis)[6]指出正统量子解释50%的存活概率与量子自杀实验中100%的存活概率并不冲突。这里的概率是指大量实验之后得到的统计分布,而不是用数学形式计算得到的量子概率,必须相对于特定的观测者来谈。正统解释中的概率分布是观测者在仪器之外,作为记录者统计得到的;而在量子自杀实验中,概率是被测者站在仪器之内,作为实验参与者统计得到的,两者是在两种不同的情境下得出的。

   帕皮诺(Papineau)[7]对此表示质疑,他认为路易斯论证过程有太多人为的因素,缺乏客观严密的逻辑基础,因此推不出“永生”的结论。总的来看,对于量子“永生”的质疑,主要集中在上文中提到的两个前提,在此帕皮诺主要就前提二的理解对路易斯提出质疑,从以下三个方面进行了反驳[8]

   反驳一:依据单个分支的经验不具有普遍性。在路易斯看来,分支世界中唯一的价值在于可经验,在死亡分支中,人不可能再有任何经验,因此没有任何价值。而实际生活中,每个人都拥有很多不同的身份,凯特可能是一个父亲、儿子、朋友等等。哪怕在死亡分支中的人被突然蒸发,没有任何痛苦也没有任何痕迹,也不能抹掉他已经死去的事实,他的家人也会为此承受诸多后果。对凯特来说,一个负责任的人无论如何也不应该选择进入箱子。帕皮诺认为这种极端自私的行为是不可取的,大部分的人应该会在意自己的死亡所带来的后果,尽管他自己死后不再有任何意识。

   因此,帕皮诺认为应该用一种功利主义的视角来处理这个问题,并不是说凯特进入箱子就一定是坏的,而是说应该对所有可能的结果带来的收益和损失进行整体的衡量。假如说进入箱子后,一个分支中的收益大于另一个分支死亡带来的损失,那么对凯特来说进入箱子就是一个理性的行为。比如我们可以将实验进行修改,只要凯特可以活着出来,就给他100万美金。在帕皮诺看来,一个理性的功利主义的凯特会衡量自己生命的价值,如果他的预期价值大于100万,则不进入,反之,则应该进入。

   反驳二:需要客观概率而非条件概率。帕皮诺认为路易斯关于概率的讨论也有很大问题,路易斯的概率是从一个非常独特的分支视角下得到的,没有普遍性。路易斯认为:传统解释中的50%的存活概率与量子自杀实验中100%的存活概率并不冲突。这里谈论的概率是相对于特定观测者的主观概率,概率通过重复的统计经验得到,对于箱子外面的观测者而言,看到存活的概率是50%;而对于凯特来说,他存活的概率是100%。然而在帕皮诺看来,这样理解概率是有问题的,主观概率应当建立在客观概率的基础之上。那么,在量子自杀实验中应该如何用客观概率来对主观概率进行约束?帕皮诺认为客观概率应当关联于所有的分支,从外在观测者的视角得出。因为只有外在的观测者是全域的视角,而内部的被测者只是局域的视角,不具有客观性。因此,在进入箱子前,凯特通过计算不同的结果之后,预期自己活着的概率应当是50%,而不是100%,路易斯通过限定条件而得到的概率预期是不可取的。

   反驳三:分支定义过于模糊。该实验中对于可能分支中的主观世界与现实的客观世界的关联性界定非常模糊,主要有两个方面:其一,在量子自杀实验中,我们对于整个实验过程进行了相对严格的限制,我们选择了一个只有两种可能的自旋态粒子,从而控制其可能的结果。然而在真实世界中,存在着千千万万的粒子,它们都有着自己的自旋态,如果每一个粒子都产生一个分支世界,那么世界的分支便多到无法统计。在如此庞大的分支世界中,一切可能性都必然在其中一个世界中实现,这种暗示颠覆了人们的认知,必然导致严重的哲学后果。其二,在数学上,对于一个叠加态有无数种展开方式,选择不同的基底展开,会得到完全不同的结果,这就是著名的首选基问题。那么我们应该如何定义实在的分支呢?难道就是如路易斯所讲的,取决于我们是否经验?换句话说,意识需要一些首选基,来决定未来哪些元素是可认知的,就像舞台上的聚光灯,只能照亮(意识到)极小的一部分区域。如果这样的话,那多世界解释和用意识解释坍缩的正统解释又有什么分别?

   三、关于三个反驳的分析和评述

   帕皮诺对路易斯的质疑对于我们深入认识量子自杀实验的本质具有很强的启发性,但是在笔者看来帕皮诺质疑也有很大的缺陷。他反驳的实际上是路易斯论证的两个前提,而不是其推理逻辑。反驳一和反驳二实际上在反对前提二,主张从外部视角而非内部的视角讨论问题。反驳三实际上在反对前提一,即对多世界解释本身提出质疑。实际上,整个量子自杀实验的论证逻辑,必须经过严格限定才能最终推出100%存活这一结果,中间任何一个条件有稍微的修正,导出的结论也会不同。帕皮诺质疑两个前提,试图修改假设的论证,不光没有澄清问题,反而使得问题更加扑朔迷离,混乱不堪。下面笔者将对帕皮诺的三个反驳逐一进行评述。

   在反驳一中,帕皮诺主张从外部观测者的角度来进行说明,反对路易斯基于从内部被测者视角的论证。然而事实上,在转换视角之后必然会得到不一样的结论。似乎帕皮诺一直都在用传统解释的观点来处理问题,而没有真正进入到该思想实验内部的论证框架,也没有真正理解多世界解释的基本假定。他总是试图从一个“上帝视角”考虑所有与当下分支无关的其他分支世界,从而破坏了路易斯论证的基本前提。另外,帕皮诺用实用主义的预期来权衡是否进入的论证也是不成立的,在通常的实用主义讨论的语境中,都内在地假设真实世界只有一个,我们只是给可能出现的结果分配不同的收益和损失,任何一个结果的出现只是具有可能性。而在多世界解释中,伴随着世界的分裂所有的结果都出现了,任何事情不是可能发生,而是必然发生。对于一个必然发生的事情进行功利主义的考量是很愚蠢的,就好像对着一枚已经正面朝上的硬币打赌说“假如硬币朝上我就如何”一样。

   在反驳二中,帕皮诺认为应该用客观概率代替主观概率,也是不合理的。客观概率的估计需要考虑所有分支的整体分布情况,将每个分支看做一个可能世界,然后给每个分支赋予一个概率值。实际上,在多世界解释中所有的分支都必然实现,而非可能性。在量子自杀实验中,要么100%人死,要么100%人活,而不是各50%。多世界解释中的分支概率客观是无法归一化的,但是从单个分支的主观概率来看归一化是可能的。在分支中的人可以通过对每一次结果的统计得出自己的主观概率值。按照帕皮诺的说法,在特定的分支中的人,还要考虑整体分支的客观概率,这是不可行的。

   在反驳三中,帕皮诺确实指出了多世界解释中的一个核心问题——首选基问题;但是,首选基问题是多世界解释本身的问题,与量子自杀实验无关,路易斯从一开始就指出他的论证是在两个前提的基础上导出的。如果多世界解释本身就是错的,那么由多世界解释导出的任何推理也都失去了依据,似乎也就没有进一步讨论的必要了。帕皮诺否定了路易斯论证中预设的两个前提,进而否定其结论,似乎有些蛮不讲理。而且在多世界解释中,也并没有试图用意识来解释分支的选择。最新的退相干理论认为,测量系统会和周围环境产生相互作用,使得相干态的粒子自发地产生了退相干作用,使得相干态减弱甚至消失,在一定程度上解决了首选基问题,不需要用意识作用来解决。

   更为重要的是,帕皮诺并没有意识到路易斯刻意安排死亡实验的真实用意。多世界解释本身内在蕴含着主体意识的同一性难题,如果不用死亡进行排除便会带来巨大的混乱。为了便于理解,我们再对实验进行一点修改:假设凯特进入箱子后,如果粒子自旋向上,他会获得100万美金奖金;如果粒子自旋向下,他会被送到一个酷刑室,承受各种非人的虐待(在此任何人道主义的和道德上的关怀不计人考虑)。如果让凯特自己选择,他很可能会像帕皮诺所认为的从功利主义的角度考虑,认为自己有50%的概率得到奖金,50%的概率被虐待,他可能会很犹豫,毕竟50%的概率是很大的一个几率。我们再对实验进行一个大的修改:假设粒子有10000种可能的状态,相应地有10000个分支,其中9999个分支中会得到100万美金,而只有一个分支中会遭受酷刑,那么凯特会怎么选择?显然,按照帕皮诺的逻辑,凯特大可以放心地进入实验箱,毕竟1/10000的概率是如此之小,几乎不可能发生。但是,请注意,这只是经典世界中对概率的认识。正如上文所指出的,这里讨论的不是可能世界,而是多世界,不论在传统解释中看来多么小的概率,都必然100%地发生。当凯特幻想着自己该怎么挥霍这一大笔钱时,睁眼一看,会悲惨地发现自己正在被推进酷刑室。从概率的角度看,我们面临的是无法归一化的难题,而从主体意识的角度看,我们面临的是意识主体的同一性难题,而这才是量子自杀实验所揭示的真正的问题。某个分支中的主观经验无法和整体的客观世界相统一,主体必然会随着世界的分裂而分裂,在无限的主体经验世界中我们找不到自己的位置。而在现有的多世界解释的框架下,该问题几乎是无解的,我们只能是被动地接受这个混乱的现实。

   总之,在假定两个前提的基础上,路易斯的论证是没有问题的,理想实验中的凯特可以一直活着,但是并不代表现实中该实验也是可行的。跳出理想实验的框架,从现实世界的角度看,帕皮诺对两个假设的质疑是有道理的,多世界解释本身是有很大缺陷的。

   四、量子自杀实验揭示多世界解释的内在矛盾

   尽管在理想实验中,在特定的限定条件下,我们可以推出凯特不会死的结论,但是一旦取消限定,回到现实情形中情况就完全不同了。从量子自杀这一匪夷所思的思想实验中,暴露出了多世界解释深刻的内在矛盾,主要体现在以下几个方面。

   1.验证疑难

   最初泰格马克提出量子自杀实验,是为了检验多世界解释。因为在此实验中,正统解释认为叠加态的波函数会随机坍缩到其中一个结果,实验结果是dead or live;而多世界解释的预言结果则是dead and live。要区分这两个结果是很困难的,假如没有死亡消除,凯特进入实验箱只是客观地记录“砰”和“滴答”的出现次数,那么在一个很长的时间序列之后,每个分支中的凯特都会得出和正统解释一样的结果,无法验证多世界解释的预言。然而,即便引入死亡排除,量子自杀实验也无法真正验证多世界解释。一方面,凯特在实验箱中经历了很多次死亡实验后,活着出来并不能说明多世界解释是对的。用正统解释的观点看,虽然在多次实验后凯特能存活的概率很小,但是这样的事也是可能的。作为一个小概率的特殊事件,理论上与正统解释也是相容的,无法区分两个解释。另一方面,由于实验箱本身是封闭的,哪怕凯特在箱子里已经经历了无数次的实验,当他最后走出实验箱,宣称自己已经验证了多世界解释,恐怕也很难说服别人。因为实验只能在一个单向的分支中验证,无法重复验证,假如实验进行了5次,必须是“http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC22.jpg”这一分支中的人才能活着作出验证,而其他5个分支(这个分支估算不能按照无死亡排除的http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC23.jpg来估算的,因为死亡排除实验中只有一个连续的分支,死亡的分支中无后续分支)中都看到一个已经死亡的凯特,无法验证,见图1

   http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC02.jpg

   图1 分支序列图

   图1中,http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC24.jpg代表生存的状态,http://img.ipub.exuezhe.com/jpg/B2/2017/B2ABC25.jpg代表死亡的状态。

   总之,可以验证多世界解释的只能是一个极为特殊的分支,在进行九次实验后,在一个分支中被验证的同时,也在n个分支中被证伪。有人主张用人择原理来进一步解释,但是我们几乎不可能处于那个被精心挑选过的分支,也就无法验证。更致命的是,从整体来看,多世界解释的验证度是很低的,而且每进行一次就降低一点,甚至随着无数次实验的进行,可以无限低。量子自杀实验不光没能验证多世界解释,反而证伪了多世界解释。泰格马克和路易斯等多世界解释的支持者,都注意到了凯特想要说服别人是很困难的,但是并没有注意到该实验反而证伪了它的前提。

   2.概率疑难

   量子自杀实验揭示了多世界解释另一个致命的难题,即在多世界解释的框架下,概率该如何理解?除了上文所提到的归一化难题,多世界解释还面临着另外两个关于概率解释的困难:其一,在科学中,人们用玻恩规则来对量子行为进行预测和描述,玻恩规则下的概率预言的准确性,已经经过了大量的经验验证,然而实际中却很难使玻恩规则与多世界解释相调和。尽管在路易斯的论证中,通过限定条件和死亡排除,最终可以在某个分支中得到归一化后的期望分布,但是这种条件化概率处理无法推广到其他情形,只要对实验过程稍加改动结果就会显著不同。跳出量子自杀实验,从整体来看,薛定谔方程一直在连续地演化,叠加态的元素也不会选择性地重新分布。条件化操作通过移除部分事实的方式,来获得重新归一化后的概率分布,然而,条件化毕竟只是一种主观选择下的特殊操作,无法适用于任意情形。多世界解释作为一种量子力学解释,需要对量子力学的几率现象作出普遍的、客观的说明。其二,在通常的量子概率预言中,存在着各种各样的概率分布,而多世界解释中所有可能出现的结果都在不同的分支各自出现,而且这些分支元素都是“实在的”,没有哪个比别的更加“实在”[9]。埃弗雷特似乎在暗示所有的分支世界都是“平等”的,那么假如有一个(99%,1)的分布,难道两者也是各代表一个分支?难道大概率值和小的概率值没有什么分别?那概率的振幅似乎也是不必要的,玻恩规则也就没有意义了,只需要给出可能的结果就行了,没必要给出每个结果的概率值。

   为了维护多世界解释,使玻恩规则与多世界解释相协调,多世界解释的支持者们做了大量的努力。戴维德·多义奇(David Deutsch)[10]提出了他的“决策论证”(decision-theoretic proof),后来戴维德·华莱士(David Wallace)又进行了大量的修正[11]。他们的论证又启发西门·桑德尔(Simon Saunder)[12]从操作假设(operational assumptions)出发进行了论证,希拉里·格里弗(Hilary Greave)用贝叶斯主义进行了论证[13]。所谓的决策论证,类似于一个赌博游戏,通过建立一个预测模型,将概率预测转化为一个理性决策者的主观偏好。首先,在一个首选基的作用下,经过线性演化推理,确立一系列可能的结果。其次,在不确定结果的前提下,决策者根据当下掌握的所有证据,对每个结果出现后的收益值进行评估,然后给每个值赋予一个主观概率。这个主观概率不是固定不变的,而是会随着证据的积累,可以用贝叶斯公式进行动态地修正。最后,决策者会根据自己通过模型计算得到的概率值,指导自己的行为。行为的内在不确定性不是由预测结果决定,而是由决策者的理性偏好所反映。多数情况下,决策论的概率是和玻恩规则相一致的,极个别情况下会略有不同。就这样,通过决策论证便将概率重新引入多世界解释;但是这个贝叶斯主义(或决策论证)下的概率模型是一个普遍的概率解释,其核心是为了解释玻恩分布与量子概率之间的关系问题,更多的是一种哲学的解释,而非形式体系上的解释。

   3.信任疑难

   可能在理想实验的假设下我们很难有直观的感受,但是如果按照将量子自杀实验的逻辑,将其推广到现实世界中,我们就会立即直观感受到其荒谬之处。量子自杀实验还有另外一种形式,被称做量子俄罗斯轮盘。俄罗斯轮盘是一种自杀游戏,游戏参与者在一个左轮手枪中放入一颗子弹,然后将弹巢旋转并用枪口对准自己的头开枪。如果装有子弹的那个弹巢正好在枪膛上,则射出子弹,人死;反之,只会发出一声“咔嚓”声,人安然无恙。如果将量子自杀实验的逻辑推广至此,那么在开枪后,世界分裂为两个,一个世界中人被打死,另一个世界中人没事。那么,人们大可以放心地开枪,因为总有一个分支中自己会一直活在。照此逻辑,进一步推广,世界上的任何事物都可以看做一个量子事件,任何一个可能发生的事都全部会在不同的分支发生,那么一定存在一个分支世界,在那个世界中我们永远都死不了(量子永生)

   尽管上文中我们已经论证,在假设多世界解释正确的前提下,凯特可以不被杀死;然而放到现实情形,恐怕没有人会愿意进入实验箱,哪怕是那些多世界解释坚定的支持者。目前,多世界解释已经成为量子哲学领域的热点问题,在英国的牛津大学,华莱士等人对多世界解释作了大量的研究,形成了著名的“牛津学派”;但是,在科学界对于多世界解释的质疑也一直没有停止。尽管在量子引力、量子计算等领域埃弗雷特的思路启发了很多科学家,但在科学界很少有科学家会将多世界解释作为具体的研究对象。当一个坚定的多世界解释支持者,在那里大谈多世界解释如何优于正统解释,如何如何合理。我们不用去听他的长篇大论,直接扔给他一把左轮手枪,然后说:如果坚持自己的信仰,请开枪。在此情形下,恐怕没有一个人愿意冒这样的风险。一个人的行为和一个人的信仰出现如此大的偏差,我们必须反思,究竟是我们的精神出了问题,还是我们的理论出了问题。总之,一定是在哪里出了问题,不仅仅是出于形而上学的偏见。正如普特南所言:我不认为多世界解释的图景是对的,除了形而上学层面的安慰,我们什么也得不到[14]

   很多科学理论确实不可避免地会有很多形而上学的预设,这种预设对进一步发展理论,解释经验是必要的[15]。但从上文的分析中可以看出,多世界解释预设本体世界的分裂,似乎并没有澄清矛盾,反而又产生了更多问题。华莱士等人认为应该放弃多世界解释的本体论预设,回到最初的相对态解释,方能澄清其解释的根本内涵,这也是目前多世界解释发展的基本趋势。

参考文献

[1]Tegmark M.The Interpretation of Quantum Mechanics:Many Worlds or Many Words?[J].Fortschritte Der Physik,1998,46:855-862.

[2]Everett H.On the Foundations of Quantum Mechanics[D].Princeton:Department of Physics,Princeton University,1957.

[3]DeWitt B S,Graham N.The Many-worlds Interpretation of Quantum Mechanics[M].Princeton:Princeton University Press,1973.

[4]乔笑斐,张培富.量子多世界理论的范式转换[J].自然辩证法研究,201632(5)101-106.

[5]贺天平.量子力学多世界解释的哲学审视[J].中国社会科学,2012(1)48-61.

[6]Lewis P.What Is It Like to Be Schrodinger's Cat?[J].Analysis,2000,60(1):22-29.

[7]Papineau D.David Lewis and Schrodinger's Cat[J].Australasian Journal of the Philosophy,2004,82(1):153-169.

[8]Papineau D.Why You Don't Want to Get in the Box with Schrodinger's Cat[J].Analysis,2003,63:51-58.

[9]DeWitt B.Quantum Mechanics and Reality[J].Physics Today,1970,23:30-35.

[10]Deutsch D.Quantum Theory of Probability and Decision[J].Proceeding of the Royal Society of London,1999,455:3129-3137.

[11]Wallace D.Everett and Structure[J].Studies in History and Philosophy of Modern Physics,2003,34(1):87-105.

[12]Greaves H.Understanding Deutsch's Probability in a Deterministic Multiverse[J].Studies in History and Philosophy of Modern Physics,2004,35(3):423-456.

[13]Greaves H.On the Everettian Epistemic Problem[J].Studies in History and Philosophy of Modern Physics,2007,38(1):120-152.

[14]Putnam H.Realism with a Human Face[M].Cambridge,Mass:Harvard University Press,1990:10.

(原载《《东北大学学报》2017年第5期》)