32、四大神兽之拉普拉斯妖

拉普拉斯妖伴随着经典力学体系的鼎盛应运而生，这是一种将经典的决定论思想推向极致的思维方式，如果我们知道体系此时此刻的状态和演化方程，尽管计算量会很大，但我们至少在理论上可以确定体系任意时刻的状态。在这层意义上，拉普拉斯妖是一个无所不知，无所不晓，能知过去未来的妖精。近代物理学的发展，尤其是量子论的概率诠释、不确定原理，以及混沌现象似乎宣判了拉普拉斯妖的死刑，但是这只妖精或许拥有更强大的生命力，处在缓刑期的妖精仍然蛰伏在世界的背后，等待着东山再起的一天。

牛顿的微粒说被后来的一系列波动实验否定了，但谁能想到，微粒这一简单清晰的图像成为解释光电效应、康普顿效应等一系列近代实验的唯一方法。拉普拉斯妖所代表的决定论与概率论之间的关系，或许正如波的图像与粒子图像之间的联系一样，是一种互斥互补的关系。概率的出现总是伴随着观测，当我们观测一个电子的波函数时，电子出现的位置是一种随机现象。但是观测是一种非常主观的行为，而概率波之间相互干涉产生的干涉条纹则很有说服力的证明波的确是电子的客观属性，如同粒子属性一样真实。波和粒子两种完全客观但互斥的属性出现在同一个客体上，而把它们联系起来的关键概念则是主观意味非常浓厚的观测和概率，因此，决定论与概率论之间似乎也没有表面上看起来这样的针锋相对。

如果没有测量过程，量子论的薛定谔方程似乎与经典的波动方程没有太大的区别，遵从严格的决定论和因果律。而把观察者包含进来的整个孤立系统同样满足薛定谔方程，因此仍然是决定论的。概率是如何产生的这个问题必须深入考察测量过程的细节才有可能获得认识。测量过程可以表述为纠缠分解、波包坍缩和初态制备三个过程。观察者进行观测时，实际上就是观察者与测量系统产生相互作用，形成一个统一的整体，从而建立起量子纠缠。按照测量的属性，可以把测量结果表达成一系列的互斥的组合，例如可以是观察者手中某台仪器指针向左偏转或向右偏转，观察者由于习惯了经典世界的规律，只能区分并观测到指针向左偏转或向右偏转两种可能中的一种，而无法直接观察到叠加态。而整体波函数是一个纠缠态，它分别在指针向左和向右这两种互斥图像对应的世界（或坐标系）中产生投影分量，这两个分量按照一定的叠加系数对应的权重可以合成完整的整体波函数，因此此时指针处在叠加态，这就是纠缠分解。当观察者去理解这个叠加态时，由于指针向左和向右是互斥概念，它们处在两个相互垂直的互不相关的平行世界中，哥本哈根的玻尔说，观察者会随机选择一个世界，波包也会坍缩到这个世界，那个代表权重的叠加系数对应的是选择这个世界的概率，而互斥的另一个世界伴随着观察者的选择瞬间消失了，或者说从来就没存在过，这就是波包坍缩；但是埃弗莱特不同意这种说法，他觉得两个互不相关的平行世界都是存在的，每个世界里都有一个观察者（表面上看，是观察者分裂了，两个平行世界各有一个观察者，但确切的说应该是观察者在两个世界都有投影，其中一个投影认为指针向左偏转，另一个投影则相反），波包坍缩过程实际上就是整体波函数在两个世界产生的投影过程。测量完成后，观察者会产生一个指针偏左或偏右的知识，从而形成一个系统新的初始状态，这就是初态制备。

在以上分析中我们发现，分歧出现在波包坍缩过程的诠释上。玻尔的坍缩是一种真正的坍缩，一种真实的物理过程，而埃弗莱特的坍缩则是一个整体向量在两个互相垂直的坐标轴上都有投影，两个坐标轴对应的世界都是同样真实的。这显然是两种不同的诠释，虽然在很多实验情形中它们的预言是一致的，但原则上仍然可以通过实验区分它们。如果埃弗莱特是正确的，世界又回到决定论的世界，拉普拉斯妖也就复活了，在这里概率的意义成了一种主观行为，讨论为什么我们会在指针向左偏转的世界，而不是另一个世界是没有意义的，因为另一个世界的投影也有同样的问题，只有将两个世界的投影按照权重比例重新叠加合成为整体波函数，才是真正意义上的观察者。

一系列无法同时出现的互斥概念可以看作n个互相垂直的子空间，将这些侧面重新按照一定的叠加系数叠加为一个整体，才能对事物有完整全面的认识。宏观世界由大量的微观粒子组成，因此宏观物体的总体波函数所处的空间是一个维数极高的函数空间，在这个极高维空间中宏观物体被描述为一个高维向量。可以证明，在高维空间中，两个随机向量几乎一定是垂直的，因此宏观物体之间几乎不会相互干涉，这就完美解释了宏观物质退相干的机理。

在埃弗莱特的世界里，拉普拉斯妖被赋予了更加深刻的含义，如同爱因斯坦的光量子是牛顿光微粒的升级版一样，它不仅仅是拉普拉斯经典妖精的重复，而是一种决定论和概率论的完美统一。作为整体的波函数的演化规律是决定论的，而观察者的投影认为自己处在哪个子世界则是随机的，它的概率取决于整体波函数投影到某个子世界的叠加系数，也就是权重。埃弗莱特的理论就像柏拉图的山洞比喻，子世界就是山洞墙壁上的投影，充满了随机和不确定，而观察者一旦挣脱了绳索走出山洞，看到的则是一个遵从决定论和因果律的完美世界，或许当观察者走出山洞的时候，会看到拉普拉斯妖在洞口恭候。