大禹小说

第2章 世界是真实的吗？（第3页）

- 2022年诺贝尔物理学奖授予证明量子纠缠存在的物理学家，表明上帝掷骰子。验证量子纠缠需制造系统，假设初始有总自旋为零的系统，使其向相反方向发射两个相同光子，光子自旋为1，无外磁场时系统总自旋守恒为零，所以两光子自旋方向相反，一个向上另一个向下，一个向左另一个向右，这样的光子被认为纠缠，测量一个光子自旋能立刻知道另一个，即便距离远，就像它们超距通信，这就是超距作用。

2. 贝尔不等式实验思路及内容

- 爱因斯坦反对量子纠缠，认为存在隐含变量，即上帝不掷骰子，有操作手册。隐含变量指两光子非超距沟通，而是分离前被赋予信息，像有操作手册按其运动，看上去步调一致。为验证，设计实验：光子有自旋和振动方向（因是电磁波，波有振幅，振幅方向叫偏振方向），有偏振片实验装置，偏振片方向与振动方向垂直时光子无法通过，平行时通过，有倾斜夹角时有一定概率通过（3d电影眼镜是偏振片）。两纠缠光子偏振方向一致，若一个能通过偏振片另一个也能。假设小明和小红站在两光子发射方向两端，每人有三个夹角不同的偏振片A、b、c，每次发射光子他们随机选一个接收，光子碰到偏振片有通过或不通过两种情况。若隐含变量存在且无随机性，给光子信息有八种（用“是否”表示通过和不通过的排列组合：A是b是c是、A是b是c否、A是b否c是、A否b是c是、A是b否c否、A否b是c否、A否b否c是、A否b否c否），每次光子发出隐含变量在八种情况中选一种，光子碰到偏振片就有结果，称1 - 8为八种剧本。只看小明和小红抽到不同偏振片（A、b；b、c；A、c）情况，可得一表，六种不同结果情况里相同次数占三分之一，算上剧本一和剧本八相同次数超三分之一，这就是贝尔不等式。做实验几百万次满足大数定理，若相同次数占比大于等于三分之一，不能说明隐含变量不存在；若小于三分之一，可确定隐含变量不存在。实际实验相同次数占比约四分之一，所以贝尔不等式不满足，说明隐含变量不存在（真正的贝尔不等式更复杂，此为简单举例）。

世界的本质是概率？为什么我们无法预测电子的轨迹？因为我们问题问错了！

1. 微观世界与概率波函数

- 世界本质是概率，微观世界无命中注定。原子里电子绕原子核运动无法预测，只能说下一刻电子在原子核附近某位置出现概率，不能确定其位置，运动完全随机。将原子核周围电子不同位置出现概率画图像波，即概率波函数。

2. 薛定谔方程及其意义

- 薛定谔是量子力学奠基人之一，据说他与老婆吵架找小三度假时想出薛定谔方程。方程ih\\frac{\\partial}{\\partial t}\\psi(t)=h\\psi(t)说明波函数随时间变化率正比于能量，能量越高微观粒子状态随时间变化越快。此简单方程加几何条件能得出符合实验结果的结论，解决了波尔模型的尴尬问题。波尔模型无法解释电子圆周运动不辐射电磁波（违反麦克斯韦方程），薛定谔方程用概率波描述电子，电子无轨迹就无加速度，完美避开此问题；电子不能选任意轨道而必须是整数形式轨道的问题，在薛定谔方程边界条件中可自然解出，无需像波尔模型强行假设。薛定谔方程是量子力学根基方程，基本所有量子力学问题本质上都是解该方程，虽可能复杂难求解，但它只管出题，解题靠众人，不行可借助AI。不过它未回答为何无法预测电子轨迹，海森堡会解答，不是预测不了，而是从原理上这不是可预测的量，是问题问错了。

世界的本质是概率？ 世界，是不确定的，还是确定的？

我们知道物质由原子构成，原子又由带正电的原子核和带负电的电子构成。科学家们原本以为原子就像我们的葡萄干布丁，电子就像葡萄干塞在原子的布丁里，但后来卢瑟福用实验证明这是错误的。原子里带正电的原子核其实非常小，只有原子体积的几百分之一，但是它聚集了原子绝大部分的质量。但是电荷之间异性相吸，电子受到原子核的吸引，应该围绕原子核运动。问题是这个运动是个什么运动？本来波尔用他的波尔模型结合德布罗意物质波的解释，认为电子是围绕原子核做圆周运动的，只不过这个轨道有一定的规定性，不是所有轨道都可以，只有满足特定条件的轨道可以。好了，既然你这么说，那我们就做个实验具体来看看是不是像你们说的那样电子围绕原子核在做圆周运动，对吧？这个实验其实就是用x光去跟电子相互作用，x光会跟电子相互作用产生衍射条纹，通过衍射条纹反推电子的轨迹。但是这实验一做不要紧的，做完之后真的让人惊呆了。这电子不仅没有在围绕原子核转圈圈，那电子的运动简直就是毫无规律啊。这一秒还在原子核边，上一秒可能就跑到大姨妈家里去了，根本没有任何规律，简直就是随机的。要知道随机这件事情对于物理学家来说简直就是让信仰崩溃的事情，因为物理学家终其一生都在研究宇宙的规律，要的就是确定性。而且从十八世纪开始，学界主流的认知就是拉普拉斯的机械宇宙观，拉普拉斯为此还发明了一个“妖怪”，叫拉普拉斯妖，说的就是我只要知道任意时刻宇宙里所有粒子的位置和速度，根据牛顿定律，理论上我就能精确预言宇宙的所有未来啊，宇宙的一切都是被安排好的啊，一切天注定啊。随机性就代表不知道，物理学家追求的就是知道，最好是全知啊，上帝就是全知啊。现在实验一做，你告诉我电子没有轨迹，没有轨迹就算了，运动简直毫无规律啊，感觉宇宙的真相就是混乱啊，这可怎么办？别着急，咱们多做一些实验，我不断探测电子的位置，我探测了一百次可能真的没啥规律，但我探测一百万次还是能找到规律，这就是统计上的规律，也就是电子虽然没有确定的轨迹，但是电子出现的位置的概率还是有规律的。比方你做一百万次实验，你会发现在离原子核近的地方找到电子的概率还是要比离原子核远的地方找到电子的概率大的。虽然我们不能精确地描述电子下个时刻会出现在哪里，实验做多了，我大概能预测下一个时刻电子出现在某个位置附近的概率大概是多少。如果我们把这个概率画一张图，这就变成了高中化学会学到的一个概念叫做电子云，大概长这样，画得再仔细一点，这个东西长得像不像一个波？这玩意就是传说中的量子力学中的波函数。但马上就有下一个问题，你现在知道我们不能用轨迹的语言来描述电子的运动，可以用概率波函数来描述电子运动的概率规律。好了，函数有了，来个波动方程吧。电磁波满足麦克斯韦方程，水波满足机械波方程，那你这个概率波满足什么方程呢？别着急，薛定谔马上就横空出世了，据说这个方程还是薛定谔跟老婆吵架找了个小三出去度假散心时候想到的。

随着量子纠缠的物理现象被实验证实，二零二二年发了诺奖，爱因斯坦和波尔之间的大论战也算画下句号了，爱因斯坦此生终于错了一次，但虽败犹荣，对手的武器量子纠缠这个概念本身还是爱因斯坦提出的，看来上帝真的是掷骰子的。这个世界的根基是随机的，没有人能精确地预测未来，但哥本哈根诠释也并非全对。哥本哈根诠释里说，一个量子系统的波函数在你没有探测的时候，它可以同时以不同概率处在不同状态，就好像薛定谔的猫，你不看它的时候它是既死又活的，但是一旦你探测，这个波函数会瞬间在没有中间过程的随机地坍缩到其中一个状态，这就是说薛定谔的猫一旦你看到它就会立即显示出死或者活的状态，是一下子，如果猫死了你看不到它死的过程，它就已经死了。这个所谓波函数的坍缩是瞬时的，没有中间过程的，这个描述在二零一九年被耶鲁大学做的实验给推翻了，我还清楚地记得当时这个新闻全球火爆，然后一堆科普文章以讹传讹，最后居然传成了量子力学被推翻了，我一个大白眼啊。这个实验是这样的，耶鲁大学一个团队在超导环境里准备了一个三个能级的量子系统，能量由低到高分别叫基态、第一激发态和第二激发态，这个实验的目标是要研究第一激发态，但你不能直接研究第一激发态，因为一旦你直接探测它，它的波函数就坍缩了，就已经是探测后的状态了，我们要研究的是第一激发态坍缩前的状态，这就难办了，要研究它你就得探测它，但是你又不能探测它，因为探测它它就坍缩了，这就是这个实验的精妙之处了。这个系统巧妙地设计了让第一激发态和基态有紧密的联系，一旦第一激发态有变化，基态会受影响，并且基态的状态会影响第二激发态的状态，然后就只要探测第二激发态就会间接地知道第一激发态的状态，也就是通过一种间接的方式不直接探测第一激发态也能知道第一激发态的状态。这个实验做下来科学家们就发现波函数的坍缩其实是有个中间过程的，虽然这个过程时间非常短只有几微秒，但还是被捕捉到了，也就是哥本哈根诠释的所谓波函数的坍缩是瞬间完成的这个描述是不对的，波函数的坍缩不是瞬间完成的而是连续完成的。但这并没有推翻哥本哈根诠释的根基，就是量子系统的完全随机性，因为波函数开始坍缩的时候具体要坍缩到哪个状态已经确定了，但是这个决定是怎么做的还是不清楚，依然还是随机的，所以哥本哈根诠释大的结论没有问题，小的地方有修正要打补丁，说到给哥本哈根诠释打补丁，其实我自己也给它打了一点哲学补丁。

这个世界的本质是计算，沃尔夫勒姆的计算世界观

这个世界的本质就是计算，这是当今最杰出的科学家之一史蒂芬·沃夫勒姆的核心观点。大家好，我是张渔顽，今天早早地来学校门口接娃，所以这一期视频呢是在外面录的。那这两天啊，他跟我讲要考数学，我就想到了沃夫勒姆的一个观点——世界的本质就是计算，所以今天展开跟大家聊聊。沃夫勒姆可能是现在活着的最聪明的人，他十五岁就发表了量子场论的学术论文，二十岁获得了加州理工学院理论物理博士学位，二十二岁就得到了麦克阿瑟天才奖。他创造了被全世界科研人员都在使用的mathematica数学软件，推出了人类知识检索引擎wolfram Alpha，甚至创造了一种新的编程语言。最近，wolfram出版了一本新书叫做《万物皆计算：科学奇人的探索之旅》，我有幸读到了科技作家万维刚老师为本书的中文版写的序言。在这个序言中，万老师将沃夫勒姆比作这个时代的康德，认为他给出了一个对世界的解释框架。那么当沃夫勒姆说世界的本质是计算时，他到底是什么意思？我们可以通过以下六个核心观点来理解。

第一，这个世界的本质是计算。你有没有想过为什么物理定律都能用数学方程来表达？为什么所有学科几乎都离不开数学？沃夫勒姆认为这是因为世间万物的一切运动都是在做计算，它们只是在执行某个算法而已，统治世界的不是别的，是数学。那想想看，你昨天买了十二个鸡蛋，早上吃掉两个，还有十个在冰箱里，这种日常生活中的理所应当体现了这个世界是讲理的、有秩序的，你买的鸡蛋不会凭空增加也不会凭空消失，这个秩序不是被谁设计出来的，而是世界本身就是按照某种基本的法则在自动运行。

第二，宇宙的结构允许意识的存在。沃夫勒姆认为意识是一种有连贯线索的主观体验，你之所以相信自己是活的，是因为你有人生的经历啊，你从小到大每时每刻经历的各种事情连续起来让你给自己讲成一个故事，有这个故事你才有自我的概念。那值得注意的是，意识不等于智能啊，智能是非常普遍的，只要计算足够复杂就可以称之为智能，但意识是对智能的一种简化和降级啊，是我们对复杂世界的个性化解读。

第三，为了允许你有意识，世界的物理定律不能是任意的。这可能是wolfram最重要的发现，他发现要想允许有意识的智慧生物存在，这个世界的时空就必须具有一定的性质，而这些性质恰好就是我们所知的相对论和量子力学描述的样子。换句话说，我们这个世界的物理定律之所以如此，是因为只有如此才能让我们在这里体验秩序。

第四，人类对宇宙的理解和控制能力有其固有的限度。沃夫勒姆提出了计算不可约性的概念，对于足够复杂的系统，我们无法跳过步骤提前预知结果。那这就意味着像天气、股市、经济、政治这样的复杂系统，我们在理论上就不可能完全预测和控制。那这个发现告诉我们，对于AI这样的新生事物，我们不可能做到绝对的掌控啊，只要是足够复杂的事物就一定会发生一些让我们感到意外的事情，也就是说，越复杂黑天鹅的概率越高。

第五，我们仍然可以探索科学。虽然我们不能完全预测和控制世界，但我们总能找到一些局部有效的规律，沃夫勒姆称之为可约化的口袋。这就是为什么我们能够做出某些不保证绝对正确但很可能正确的预测，比如我们不可能完美地预测股市的走向，但我们总可以说一些像“如果市场上买的人多，股市就容易涨；如果市场上大多数投资者都失去了信心了，那股市一定会往下走”这样的局部的规律，从而做出某些不保证绝对正确但很可能是正确的预测。更重要的是，这意味着科学探索永远不会结束，不管科学多么的发达，世界上总有一些事情是我们当时不知道又恰好经过研究呢可以知道的，这给了我们永远保持好奇心的理由。

第六，人类的终极使命在于创造新的价值。沃夫勒姆提出了计算等价原理，认为所有足够复杂的系统都是同等复杂的。这意味着世间不存在什么客观的价值观，我们之所以觉得人类社会比其他事物更有价值，仅仅是因为我们是人，我们有人类的历史记忆。那既然如此，人类社会发展的方向就应该由我们自己决定，AI永远不能替我们决定什么是有价值的，因为他不可能真正拥有我们的历史记忆。因此，wolfram认为在AI时代最高级的工作就是创造新的可能性。这是wolfram的计算世界观，他告诉我们这个世界不会被任何人完全掌控，他总有值得探索的空间，他认可每个人的自由并且鼓励创造。最让人惊叹的是，这些结论不是基于某种信仰或者哲学思辨，而是通过严格的数学推导得出的。正如万老师在序言中所说，如果不是wolfram，我们很难想象仅仅用数学推导就能得出这样深刻的世界观。其实啊，在这个由计算构成的世界里，我们每个人都有无限的创造潜力，让我们保持好奇，不断探索，为这个世界创造新的价值。