双时间维构想

2021-01-02武明轩

科学咨询 2021年6期

关键词：不确定性难题量子

武明轩

（东华大学材料科学与工程学院上海 201620）

一、量子世界的测量难题

近一个世纪以来，测量难题一直是科学的核心，引起了国内外科学家和哲学家的广泛辩论。因此，从历史角度来看，测量难题是神秘而困难的。本文追溯了量子力学测量困境的起源和内涵，为进一步地讨论这个问题明确了目标。

（一）第一个难题：测量结果难题

当赫兹发现光电效应时，包括波浪理论和粒子理论在内的所有古典物理学思想都未能对这一新现象作出令人满意的解释。光电效应是证明经典物理学理论的（由牛顿和麦克斯韦尔表示），但并非完美的第一种方法。一个新的思想正在出现，在这个新思想中，有人综合了光波和微粒的特性，并提出了“光波和微粒的双重性”。在随后的研究中，科学家将这一概念扩大到电子。电子被认为是包含所有基本粒子的普遍特性。量子理论最典型的特征，基本上是一种利用传统物理学概念来理解量子原理的方法。大多数科学家坚决反对这种“二元性”。例如，当德布罗意在1923年解释电子时，他将“晶粒波动状态”描述为一个相位波。德布罗意认为相位波其实只是真实的粒子，而虚拟非物理场没有输送能量或运动，它只是引导粒子的移动和负载的移动，因此测量结果难题成为“测量难题”最根本的问题。“测量难题”的第一个问题源于1926年波函数的几率诠释的提出，测量结果的统计性，也就构成了“测量难题”中最基本的问题。

（二）第二个难题：同时性测量难题

同时衡量困难：对于一对纠缠的量子，如果同时观测其中一个的位置与另一个的动量，我们能得到什么？当我们试图回答这些问题时，我们面临以下困难：第一，测不准原理里的不确定性，在不确定性原则中是否会描述一系列措施的统计范围或一项措施的准确性？第二，非统计解释认为，单一措施产生的两种不确定性之间的关系自然需要同时测量这两种不确定性，不确定性原则是同时措施产生的不确定性的限度，完全反对同时采取这一措施。造成这种不确定性的原因在于测量过程的不受控制的干扰：正是因为测量系统和测量设备只能被忽视，才对每一个观测引入一个新的不受控制的物质。

（三）第三个难题：测量过程难题

测量期间发生了什么？如果真的存在着从波束中提取，那么，波束究竟是怎么收缩的？其衡量过程中的困难是显而易见的。第一，波束断裂导致测量演变中的不连续，导致不完全的逻辑推理跳跃，甚至动摇量子力学的数学基础。第二，如果中断被接受，跳跃是什么？跳跃的性质是什么？薛定谔的猫理论也是这方面最极端的挑战。在猫理论中，猫生死，这只是结果。这一结果如何从统计预测转变为测量过程中确定的现实？这正是衡量的挑战所提出的问题。第三，在量子力学的标准框架内不可避免地引入常规仪器。这种方式在测量过程中存在量子交织。量子纠缠是怎么发生的？如何实现解码？这反过来又与第二个困境有关，对此没有明确的答案。

二、双时间维构想的提出

为了解决上述问题，笔者提出双时间维的概念，分别是物质时间维t和意识时间维T。

我们首先可以尝试接受这一思想：任何观测结果都是意识对物质世界的感知，任何物理模型都是意识对物质世界的推测，任何所谓的宇宙都只存在于意识的主观想象中。随着时间的流逝，观测者获得更多观测结果，对客观世界的感知与推测进一步加深。其中对客观世界的推测中的时间维为t维，真正存在时间流逝的时间维为T维。每一个观测者有对应自己的T维，每一个观测者拥有单独属于自己的认知。

想象这一场景：设光子在t1时刻从光源射出，t2时刻到达光屏，一个观测者在光屏上看到了光斑。对于该观测者来说，当t1＜T＜t2时，光子的状态是未知的，t1＜t＜t2段光子呈概率云状。当T≥t2时，光子的状态变为已知，且可推知此前光子的状态，光子在t维上的全段呈实体状。

这样，“同时性”的问题也得以解决。设t3时刻观测者对一对纠缠着的量子中的一个进行观测，则T=t3时，这对量子同时坍缩为实体状。这里的“同时”是仅相对于该观测者而言的。对于其他观察者，这对量子仍为概率云状，即不存在这一现象：观测者1对纠缠着的量子中的一个进行观测，以致客观世界中量子对由概率云状坍缩为实体状，而观测者2藉由客观世界得知观测者1对量子对进行了观测。实际上，从唯物主义论来看，客观物质的存在状态不应由意识“是否得知或推知”来决定；从唯心主义论来看，一个观测者“是否得知或推知”这一信息不会在不外传的情况下外传给另一观测者。因此，“同时性”问题的存在两头说不通。

量子通信与量子计算机是不可能的。实际上，量子纠缠效应即使存在也是无法被利用的。假设有一对彼此纠缠的量子，两个观测者分别守住其中的一个，其中一个观测者担任信息的发送者，另一个担任信息的接收者。发送者通过观测量子使量子对由概率云状坍缩为实体状，接收者得知量子对坍缩为实体状即表示信息传递成功。那么，接收者如何得知量子对是否坍缩为实体状？没有任何手段。不观测则无法获取信息，观测则会破坏信息。

如同我们在平面上投射一个四面体而我们只能看到一个四边形一样，这并不意味着四边形本身就是一个四面体。在量子力学中，没有任何科学依据可以得出这样的结论：我们能直接从测试结果中推断出状态。通过强调粒子存在的抽象性质，这并不否认粒子的存在，而是表明粒子存在的真实状态是有限的，只是我们不能直接观察到。我们既不能否认它们的存在，也不能找出它们的存在，因为没有能力观察它们，所以也不能否认根据常规范围内的颗粒视觉对量子积聚的质疑。笔者对此的解释是：当一个观测者观测时，量子对坍缩为实体状，对于其他观测者而言仍为概率云状。

三、对多世界解释的讨论

（一）概率问题

第一，当我们谈论概率时，我们谈论概率事件的概率。如果所有的可能性都存在，那么当我们谈论概率时，我们可以谈什么？只有当一个可能的事件发生或不发生，或者其中一个可能发生而其他可能不发生时，才讨论概率。这种相容性或不相容性是概率概念的基本要素，而多世界解释的观点直接就认定了这种概率的发生。

第二，在多世界解释中，其似乎没有任何统计证据，无论是否确认，对理论没有任何影响。因为在宇宙的图景中，通过多世界解释，所有的可能性都实现了。在经典概率理论中，统计事实可以作为概率理论的基础。事实上，统计事实本身与概率描述之间存在着概率关系：随着统计事实与概率描述状态之间的差距的增大，统计事实的实现概率正在下降。如果说世界上任何物质任何可能性都会实现，那么又有何概率可言？

在宇宙的多世界解释中，有一个世界，在这个世界上，所有的电子在X轴上测量时都向上转动，否则，所有的电子干扰实验将产生与传统理论相同的结果。如果存在这样一个世界，怎么能说有任何统计证据支持或反对量子理论？谁知道我们世界的现象是不是少数事故造成的呢？从根本上说，对宇宙的多世界解释是决定性的，其与不确定概率的要求相矛盾。很难想象在一个决定性的世界里，概率将如何存在，在这个世界上，没有可能性，只有必要性。此外，在这样一个世界上发生事件的概率（如果可以称之为概率）只能是0或1。

多世界解释彻底否定了未来的未知性，因此，我们不能以这种方式谈论这个问题。否则，我们讨论其他决定性理论，如统计机械或博姆的机械等，就会导致某种错误的结论。因此，我们根本不能从多世界解释中谈论概率。我们可以看到，在多世界的解释中，概率问题比量子力学的其他解释更严重，甚至更不可调和。由于这些困难，多世界的解释处于不稳定状态。

（二）不相容性

如上所述，概率的概念中原本就暗含着不相容性。人们普遍认为，两个不相容的概率事件中只有一个会发生。这显然与多世界解释相矛盾，因为在多世界解释中显示为重叠状态的所有可能的事件在数学上是不相容的，并被解释为概率性。他们意识到这就是发生的事情，如果多世界解释与如此广泛接受的假设发生冲突，那么它的可信度肯定会受到损害。

（三）证据效力

关于证据，统计证据似乎不足以说明量子力学的许多领域，因为在它所描绘的宇宙图景中，所有可能性都是实现的，并且涵盖了所有的可能性。在常规概率理论中，统计事实可以作为概率理论的基础，因为统计事实本身与概率描述之间存在着概率关系。如果所有的可能性都实现了，怎能说这种关系还存在呢？

（四）不确定性

概率与不确定性有关，在事件发生之前，概率是不确定的。最初意义上的不确定性来自客观世界本身，或者从主观意义上来自对未来的无知，但在对决定性世界的多语文解释中，很明显，世界本身没有不确定性。对于那些相信多波解释并对量子力学有良好理解的观察家来说，任何量子实验都可以在众所周知的多波宇宙中进行。因此，没有世界本身的不确定性或对未来的无知，我们在这里谈论概率似乎毫无意义。

此外，还有另一个问题：如果测量人员在提出结果时闭上眼睛，他就真的对结果一无所知。人们普遍认为，这种无知状态在经历之前并不存在。如何获得不存在的无知状态？这也不符合一般人的理解。许多研究人员认为，多世界解释并不能解决概率冲突的问题，而只是暂时转移或掩盖这个问题。他的默认观察是一个系数，这直接导致了本质的问题，因为很明显，在每一个时刻，我们都需要有足够的时间达到概率的统一，也就是说，要么是0要么是1。现在的我固定在世界的分支，似乎不再是我，至少不是我的全部。每一个现实世界都有一个系数，这显然是一个能量守恒问题，也就是说，现实世界每一个分支的总能量随着世界的分裂而减少，或者整个宇宙的总能量消失。因此，多世界解释的基本思想就处在两难的处境，我们不可能完全解决一个困难的问题，而只能对问题不断改进。这使我们的工作变得困难。

总之，多世界解释的数学理论是正确的，但理论解释是错误的，因为它的标准是，世界分支的重量是否能够承担基本的概率功能。他对这一理论的解释是错误的，而且缺少最基本的东西。多世界解释最初打算使用世界分支权重来表达世界的现实，实际上从分裂概率的角度和潜在分裂概率的角度来说，现实的世界虽然可能存在分裂，但是其理论本身无效。归根结底，多世界解释的疑难问题彻头彻尾都是从德维特对最为基本的概率守恒原则，无论后面学者怎样去修正都未必能真正地解决概率守恒的问题。