当量子力学遇上自由意志,10万普通人成功挑战爱因斯坦

原标题:当量子力学遇上自由意志,10万普通人成功挑战爱因斯坦

北京时间5月10日凌晨1时,中国科学技术大学潘建伟团队在世界顶级学术期刊《Nature》上发表重要论文,在国际上首次实验实现了基于人类自由意志和超高损耗下的贝尔不等式检验。该研究通过“大贝尔实验”(BigBellTest)国际合作的方式,利用超过10万人的自由意志产生的随机数进行了量子非定域性检验,大部分实验结果强有力地证伪了爱因斯坦的定域实在论,符合量子力学理论。

什么是大贝尔实验?我们先回顾下它产生的历史。

量子纠缠与爱因斯坦定域实在论

科学家们在量子力学的世界中,发现了许多奇妙的现象,比如叠加态和量子纠缠。量子纠缠是指处于纠缠态的两个光子A和B,无论相距多远都会存在一种关联。如果不对其进行测量,它们就共同处于水平偏振和垂直偏振两个状态的叠加态;而一旦对其进行测量,其中光子A状态将随机坍缩到其中一种状态,而光子B的状态会瞬时坍缩至另外一种状态。比方说,如果A的偏振态是“向上”的,B的偏振态必然是“向下”的。

爱因斯坦将量子纠缠称为“鬼魅似的远距作用(神鬼级的远距离相互操作作用)”(spookyactionatadistance)。但这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得的现象。他反感这种“上帝掷骰子”一般的解释,认为测量结果一定受到了某种未知的“隐变量”的影响,是我们不知道的另一个隐变量对光子的状态发挥着影响,处于纠缠态的两个光子这个隐变量的取值是相反的,因此会导致它们总是坍缩为相反的状态。这么看来,一切都是确定的,只是我们不知道背后的原理而已。这被称为爱因斯坦定域实在论。其中,“定域”是指信息传播的速度无法超过光速,一个位置的行动无法对其他位置产生瞬间影响;“实在论”是指无论我们是否去观测,一切现象都对应着物理实在的特性值。

从贝尔不等式到大贝尔实验

1964年,爱尔兰物理学家贝尔提出“贝尔不等式”,用于检验究竟是这个我们暂未观测到的隐变量影响了我们的观测结果,还是因为在量子世界上帝真的会掷骰子。如果这个“隐变量”真实存在,那么在同时测量两个分隔的粒子时,其结果关联程度的分布概率必然满足贝尔不等式。反之,如果测量结果不满足贝尔不等式,就说明隐变量并非真实存在,爱因斯坦对于定域实在论的执着是错误的。

随后的几十年,大量的实验都证实了量子力学关于贝尔不等式的预言。但是这些实验并不能够完美满足贝尔不等式的假设条件,或多或少地存在一些漏洞,导致人们依然无法对这一争论进行最终判定。比如定域性漏洞(localityloophole)认为两个光子之间可能“串通作弊”,通过某种不大于光速的通讯通道来传递彼此的状态信息。

在诸多贝尔不等式的实验中,人们终于关闭了“定域性漏洞”和“公平采样假设(fair-samplingassumption)”这两个非常有名的漏洞。不过,挑剔的科学家们再次找到了一个新的漏洞:“自由意志漏洞”。这个漏洞的意思是:在这些实验中,使用的是量子随机数发生器产生的随机数,但凭什么相信随机数发生器产生的就是真的随机数呢?又怎么保证这些随机数没有时间的关联呢?随机数的产生与纠缠的产生有可能在很久的过去被某个隐变量共同支配着,因而这种随机数可能受到隐变量控制而不能作为真正的随机性来源。这通常被称之为“自由选择漏洞(measurementindependenceloophole)”。更普遍来说,所有利用地球上的仪器设备直接产生的随机数都无法被严格用来关闭该漏洞。

在这样的背景下,潘建伟团队率先提出了一个基于人类自由意志,在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。自由意志(Freewill)是哲学里的一个专业概念,使用人的自由意志来选择测量事件甚至用人来直接进行测量被认为是有希望彻底解决该问题的途径之一。

该团队与国际上10余个知名量子研究团队合作,开展“大贝尔实验”(theBigBellTest)。该实验召集到了世界各地超过10万名志愿者,所有志愿者在2016年11月30日当天,通过互联网和手机无线网络参加项目开发的网络实验。在实验中,所有志愿者都需要基于个人的自由意志不断地进行选择形成二进制随机数,12小时内共持续产生每秒逾1000比特的数据流,全部记录在互联网云端,并被实时和随机地发放给分布在世界各地的相关研究团队,用以控制这些研究团队的贝尔不等式检验实验。整体而言,大贝尔实验的思路是相信人类拥有真正的自由意志,即使“上帝”真的存在,成千上万个自由意志选择的随机数也足以发动一场令预设网络瘫痪的DDoS(分布式拒绝服务)攻击。通过大量参与者的自由意志,大贝尔实验在更广泛的范围内关闭了自由选择漏洞,强有力地证伪了爱因斯坦的定域实在论,符合量子力学理论。

何谓互联网精神反思大贝尔实验:自由意志真的存在吗?

自由意志是哲学史上最古老、最持久和最艰难的问题之一,并且一直是哲学,包括实证主义哲学和人文主义哲学关注的问题。我们的意志是否真的自由, 这个古老而神秘的问题困惑了哲学家们上千年。毫无疑问, 自由意志问题是所有哲学问题中最微妙、最迷人的问题之一, 也是最令人头疼、最难以把握的问题。

Nichols和Knobe的实验(2007)表明普通人普遍存在关于自由意志的朴素观念。他们要求被试阅读两段关于世界的描述,其中一段是决定论的(A),另一段是非决定论的(B),具体内容如下:

想象存在这样的一个世界A或B,它们关键的区别是…在世界A中,每一个决定完全是先前决定的结果——每一个决定都是按既定的方式发生。相反,在世界B中,决定并非完全是过去的结果,每个人的决定不一定按既定的方式发生。

在阅读完上述描述后,要求被试回答问题如“你认为哪个世界和我们所处的世界最相似?”。绝大多数的被试都认为我们处在一个非决定论的世界(B)。跨文化研究也表明,来自美国、中国香港、印度和哥伦比亚的成人被试均倾向于拒绝我们的世界是被决定的假设(Sarkissianetal.,2010)。

虽然普通人存在关于自由意志的朴素观念,但心理学家如Libet、Wegner和Bargh等学者的研究却挑战了自由意志的存在。

在Libet的经典实验中,要求被试自发的随意移动一根手指,同时记录手指的肌电反应和前额叶的脑电反应(Libetetal.,1983)。被试面前放着一个圆形屏幕的示波器,上面有一个光点顺时针运动,且屏幕边缘刻有刻度,刻度之间的时间差为107ms。整个屏幕看上去类似于钟表。被试的任务是每次移动手指时,报告他们体验到“想要移动”时的光点位置。结果发现被试报告的行为意图先于行动约204ms,而准备电位先于动作约535ms。这说明在被试意识到行动之前的300ms左右,大脑就已经产生了准备行为的电活动。

Soon等改进了Libet的实验任务,并采用功能性核磁共振成像(fMRI)技术对被试进行了全脑扫描。他们要求被试观看屏幕上随机呈现的字母,并随时按下左手或右手食指下的按钮,记住在做出该决定时屏幕上出现的字母。结果发现,做出按键的决定要比真实的按键行为提前约1秒,而在个体做出行为决定之前的10秒左右,额极皮层(frontopolarcortex)和顶叶皮层(parietalcortex)两个区域就产生了与决策有关的大脑活动。这说明无意识的脑活动要先于个体产生决策意识长达10秒之久。这一结果不仅进一步巩固了Libet早期的实验结论,而且再次挑战了自由意志的存在,掀起了哲学家和神经科学家关于自由意志存在与否的激烈讨论。其他的研究者运用类似Libet的任务或更精确的技术如功能性核磁共振脑成像等得到了相同的结果,有意动作开始于无意识的脑活动。这与人们的常识相矛盾,自由意志或选择并非行为的真正原因,自由意志可能是一种错觉。

自由意志是否真实存在?这可能是继大贝尔实验之后,我们要思考的下一个问题。

本文为北大新媒体原创,转载请注明出处返回搜狐,查看更多

责任编辑:

平台声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
阅读 ()
推荐阅读