2010年6月26日星期六

上帝掷骰子,我们织毛衣。

(题图:这是Schroedinger的猫吗?)




在凝聚态物理中人们经常使用“准粒子”、“元激发”这样的概念,以强调它们所描写的对象并非基本粒子。比如,声子只是固体(或液体)中弹性振动的激发,它与光子、电子这样“基本”的粒子不可同日而语。


我在此前已多次提到,这只是一种教条而已。当我们跳出对基本粒子的盲目崇拜之后,你会发现光子和声子之间并没有太大的差别。本来,你安知宇宙本身不是一块巨大的凝聚态材料呢?


我希望以上的陈述不会造成误解:光子和声子当然是不同层次上的现象。我只是想说,作为“基本”粒子的光子并非不能和声子一样具有其更微观层次的起源。


大凡,在物理学家使用诸如“基本”、“内禀”这样的词语描摹对象的性质时,其潜台词是,这种性质不需要进一步解释。这当然不错:在任何理论、任何模型中,你都能追溯到它的基本假定。然而你若将“基本”理解成自然界的终极真理——就如同那些习见的科普宣传那样,那就很索然无味了。一句话:不要一根筋,不用太当真。


我之所以写下这些,是因为回忆起自己在读量子力学时,曾不止一次地见到这样的说法:量子涨落和热涨落有相似性,但不相同。量子力学的随机性是内禀的,是因为上帝在掷骰子;而热力学的随机性是由系统巨量的自由度所造成的,这里没有上帝的事,是你自己在织毛衣罢了。


你也许已经猜到我要说什么了。作为一介准民科,我以为量子力学的随机性并不如此神秘,并不如此内禀。上帝没有玩骰子,他只是默默地看着我们日复一日地织着毛衣,笑而不语。(人类一思考,上帝就发笑?)


如果说我此前的陈述是为了破除对“基本粒子”和对“终极理论”的盲目崇拜,那么接下来,我想破除对上帝之骰子的盲目崇拜,尽管理由并不充分。


首先让我们一起回忆一下:热力学的随机性从何而来。


粗略地说,随机性相当于信息丢失:即使你盘问了系统在此时此刻所知道的一切,你也无法得知此系统从何处来、向何处去。这样的演化在物理上叫做“非酉的”(non-unitary)。


作为对比,经典力学系统的演化是酉演化。对此,拉普拉斯(Laplace)的豪言壮语是很好的概括:知道了宇宙的此时就已知道了宇宙的一切。


说得更技术化一些,经典力学系统的酉演化叫做“刘维尔(Liouville)定理”:在系统演化的过程中,其相体积(系统在相空间中所占之体积)保持不变。


如果说经典力学系统的演化是循规蹈矩,那么热力学系统的演化就是汪洋恣肆。物理上,有热力学第二定律:孤立系统的熵只增不减。技术地讲,熵即是系统相空间的体积(准确地说是相空间体积的对数)。熵增意味着系统相体积的增大。


可是,局限在经典理论的框架下,任何热力学系统,本质上仍然是一个经典力学系统,只是自由度多了一点罢了。刘维尔定理此时应当仍然成立:相体积保持不变。


这是一个佯谬。经典热力学系统的相体积到底是增大还是没增大?


Susskind对此问题有一个优美的解释:经典热力学系统,作为一个经典系统,仍然满足刘维尔定理,即其相体积在演化中保持不变。然而,一个包含巨量自由度的经典系统,尽管它的相体积保持不变,但是随着时间的推移,它在相空间中的形状可以发生非常奇妙的变化,比如演化出一些分形结构,从而变得异常复杂。


可是当我们谈论熵的概念时,是有分辨率的。换言之,我们在度量相空间的体积时总有一个极小值。这个过程叫做粗粒化(coarse grain),更形象地说,当你测量系统的熵时,相空间就被加了马赛克滤镜。显然,系统的很多细节会被这些马赛克弄丢,使得它的相体积看上去似乎是增大了。这就是热力学第二定律。


从以上讨论,你不难发现,熵其实是具有一定人为性的概念。



现在进入量子力学。我们几乎可以将以上讨论平行地搬到这里,只需将相空间改成Hilbert空间即可。对于一个孤立的量子系统而言,Schroedinger方程告诉我们,系统的演化是完整的酉演化,并无随机性可言。事实上,量子力学的随机性完全出现在测量的过程中。


在传统的哥本哈根解释中,这被描写成波函数的塌缩。也就是说,系统的演化在测量的一瞬间变得极其特殊、不可预测。


为什么测量在量子力学中如此特殊?我们不妨问,究竟什么是测量?


一般地,测量可以被理解为一个经典系统(作为观测者)与量子系统(作为被测者)的相互作用。可是,不要忘了我们的信念:任何宏观经典系统都只是一个量子系统的经典近似而已,它在微观上仍然是量子的。


因此,如果我们将测量者与被测量者一并考虑进来,并将它们视作一个大的量子系统,则这个系统波函数的演化仍然符合Schroedinger方程,从而是酉演化。


所以,量子力学的随机性其实就来源于作为观测者的经典系统之完整信息的缺失。


你会发现这里的情形与热力学是多么相似:一切随机性都起源于我们的无知。所以说,量子力学的不确定性并没有它看上去那么神秘。神秘往往来自无知,就像魔鬼往往躲在暗处。


 


一句话,这是一个没有上帝掷骰子的世界,只有一群自娱自乐的人们日复一日地织着毛衣。

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