宇宙中是否存在真正的隨機(jī)？

如果沒(méi)有，是不是一切都是“注定”？

這個(gè)看法源自于機(jī)械論的哲學(xué)思想，笛卡爾之類(lèi)的大師也這么以為過(guò)，只是到今天有了一些很明確的自然科學(xué)的證據(jù)，否定了這個(gè)哲學(xué)觀點(diǎn)。

首先就是量子力學(xué)，你以為電子如果沒(méi)有場(chǎng)的束縛就會(huì)沿直線運(yùn)動(dòng)？以前的科學(xué)家們也是這么認(rèn)為的，所以他們也會(huì)以為電子在原子當(dāng)中是走圓形或者橢圓形軌道。并不是這樣的。量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)，任何物質(zhì)都有波粒二象性，一個(gè)電子在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也會(huì)明顯受到波動(dòng)性的影響，最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就是跟光學(xué)實(shí)驗(yàn)類(lèi)似的單縫衍射和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。把電子束通過(guò)很狹窄的縫打到背后的屏幕上，按照經(jīng)典理論，電子要么撞上了屏障于是到不了后面的屏幕，要么穿過(guò)了縫于是沿直線打到屏幕上，所以屏幕上應(yīng)該是跟縫一樣大的光斑。但是實(shí)際上屏幕上會(huì)產(chǎn)生很明顯的衍射圖案，面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了縫的大小。如果把單縫改成雙縫，屏幕上還會(huì)顯示出很漂亮的干涉條紋。

波動(dòng)性本身并沒(méi)有什么問(wèn)題，光也是波動(dòng)性的，沒(méi)有人覺(jué)得光有什么隨機(jī)性。問(wèn)題在于電子是一個(gè)一個(gè)粒子的實(shí)體。雖然一束電子打到屏幕上產(chǎn)生了圖案，但是單個(gè)的電子呢？單個(gè)的電子只會(huì)在屏幕上打出一個(gè)點(diǎn)。這就出現(xiàn)了每個(gè)個(gè)體無(wú)規(guī)律，而整體有統(tǒng)計(jì)規(guī)律的現(xiàn)象，我們只能把這個(gè)現(xiàn)象描述為：電子的運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，而隨機(jī)分布的概率表現(xiàn)出波動(dòng)性。

我們要怎么解釋這個(gè)結(jié)果呢？那么機(jī)械論的支持者可以說(shuō)，這個(gè)隨機(jī)性不一定是電子本身就有隨機(jī)性啊，可能是電子發(fā)射時(shí)的初始條件不同，然后電子跟縫發(fā)生了相互作用，導(dǎo)致了電子軌道發(fā)生變化，如果飛過(guò)縫的時(shí)候靠近縫，就會(huì)往外偏一點(diǎn)，靠得越近偏得越多，看起來(lái)剛好跟發(fā)生了衍射一樣。這個(gè)解釋是不是很完美，我們的電子又走回了確定論、機(jī)械論的軌道上？

那么我們繼續(xù)來(lái)考察雙縫實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，按經(jīng)典理論，一個(gè)電子只能同時(shí)通過(guò)一條狹縫，那么最后看到的圖案，應(yīng)該是兩個(gè)衍射圖案的疊加。然而事實(shí)上看到的卻是干涉條紋。如果擋住雙縫中的一條縫，圖案又會(huì)馬上變成衍射的圖案。這用電子被縫干擾是無(wú)法解釋的，電子怎么可能受到?jīng)]有穿過(guò)的另一條縫的干擾呢？

機(jī)械論者可以說(shuō)，也許是通過(guò)這條縫的電子受到了通過(guò)另一條縫的電子的干擾，導(dǎo)致圖案發(fā)生了變化呢？

遺憾的是這個(gè)假設(shè)仍然站不住腳。現(xiàn)在我們來(lái)降低電子源發(fā)射電子的速率，這個(gè)速率如此之低，在一個(gè)電子打到屏幕上之前，另一個(gè)電子幾乎不可能從電子源發(fā)射出來(lái)。也就是說(shuō)我們一個(gè)一個(gè)電子得在屏幕上成像。這次總不可能有其他電子的干擾了吧？結(jié)果你也猜到了，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的成像，我們還是得到了一個(gè)干涉條紋。

這說(shuō)明了一個(gè)驚人的事實(shí)：電子以波的形式同時(shí)通過(guò)了雙縫，以波的形式到達(dá)了屏幕，然后在成像時(shí)依概率出現(xiàn)在屏幕的不同位置上。

機(jī)械論者當(dāng)然不會(huì)這么容易就死心，因?yàn)檫@不僅僅是個(gè)科學(xué)問(wèn)題，還是個(gè)哲學(xué)問(wèn)題。

最后機(jī)械論者提出了最終極的命題：我不管粒子是怎么運(yùn)動(dòng)的，不管這個(gè)運(yùn)動(dòng)方式看上去多么像是隨機(jī)波動(dòng)，你怎么證明它是真隨機(jī)呢？也許只是有一些隱變量我們還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，加上這個(gè)隱變量之后，粒子的運(yùn)動(dòng)就不再是隨機(jī)的，而是確定的了呢？

這個(gè)觀點(diǎn)被稱(chēng)為隱變量理論，愛(ài)因斯坦是它的倡導(dǎo)者之一。很長(zhǎng)時(shí)間之內(nèi)，大家都認(rèn)為這是個(gè)哲學(xué)之爭(zhēng)，不可能用科學(xué)方法來(lái)檢驗(yàn)。然而令人感慨的是，給這個(gè)理論判死刑的卻正是愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論。

我們假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)自旋為0的粒子，突然分裂成了兩個(gè)有自旋角動(dòng)量的粒子，朝相反的方向飛了出去。自旋的概念不了解不要緊，總之這是一種角動(dòng)量，根據(jù)角動(dòng)量守恒的定律，這兩個(gè)粒子的角動(dòng)量在任何方向上的分量都是大小相等，方向相反。無(wú)論是量子理論還是隱變量理論都給出了這樣的結(jié)果。

但是如果這兩個(gè)粒子已經(jīng)飛出去了非常遠(yuǎn)，比如飛出去了幾光年呢？我們同時(shí)測(cè)量這兩個(gè)粒子，這兩個(gè)粒子的角動(dòng)量仍然是大小相等、方向相反的。按相對(duì)論，信息傳遞的速度不可能超過(guò)光速，因此兩個(gè)粒子之間不可能在一瞬間達(dá)成一致。

對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，兩者的解釋是不同的：隱變量理論認(rèn)為，從粒子分裂的時(shí)候，粒子以后的角動(dòng)量就已經(jīng)確定了，可能是固定不變的，也可能按確定的規(guī)律變化，但是兩個(gè)粒子是各自變化的，只是因?yàn)槌跏紬l件的原因，不管什么時(shí)候去測(cè)量都是大小相等方向相反；而量子力學(xué)的解釋是，這兩個(gè)粒子不管距離多遠(yuǎn)，都仍然是一個(gè)整體（稱(chēng)為量子糾纏態(tài)），因此任何時(shí)候測(cè)量這兩個(gè)粒子的其中一個(gè)都是在測(cè)量同一個(gè)整體，不管這個(gè)整體跨度有多大，所以并不存在信息進(jìn)行超光速傳遞的問(wèn)題。

我們?cè)谕粋€(gè)方向上進(jìn)行測(cè)量，這兩種說(shuō)法都是站得住腳的。如果我們?cè)诖怪钡姆较蛏蠝y(cè)量，兩個(gè)測(cè)量結(jié)果是完全不相關(guān)的，兩種說(shuō)法也都站得住腳。然而如果我們測(cè)量的兩個(gè)方向既不是相同，也不是垂直，而是成一個(gè)其他的角度，比如45°呢？45°方向上的角動(dòng)量顯然是x分量和y分量的一個(gè)合成，因此會(huì)跟x分量有一定的相關(guān)性。一名叫做貝爾的科學(xué)家通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隱變量理論下這個(gè)相關(guān)性有一個(gè)上限，而量子力學(xué)給出的預(yù)測(cè)卻超過(guò)了這個(gè)上限。那么只要檢驗(yàn)實(shí)際的相關(guān)系數(shù)，就可以知道兩種理論哪一種是正確的了。

有趣的是貝爾其實(shí)相信的是隱變量理論，他信心滿(mǎn)滿(mǎn)想要證明量子力學(xué)是錯(cuò)誤的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻證明，那個(gè)相關(guān)系數(shù)和量子力學(xué)的預(yù)言精確相符，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了隱變量理論的上限。這意味著隱變量理論不可能是正確的。

到此為止人類(lèi)終于得到了結(jié)論：上帝的確擲骰子，宇宙中的確存在真正的隨機(jī)性?；蛘卟蝗缯f(shuō)，宇宙中到處都是真正的隨機(jī)性。

機(jī)械論者還可以聊以自慰的是，宏觀世界中似乎并沒(méi)有量子力學(xué)中的不確定性，一切都精確按照物理定律運(yùn)行，也許只要我們不去探索原子電子的世界，我們就可以生活在一個(gè)確定論的世界里。然而這個(gè)觀點(diǎn)也很快被混沌理論打得粉碎。

數(shù)學(xué)家們發(fā)現(xiàn)一類(lèi)非線性問(wèn)題，雖然每一步推演的物理定律都是確定的，但是由于系統(tǒng)高度的非線性性，系統(tǒng)表現(xiàn)出了對(duì)初始值極高的敏感性。一個(gè)典型的例子是天體物理學(xué)中的三體問(wèn)題，簡(jiǎn)化版本當(dāng)中，我們有兩個(gè)大質(zhì)量天體，比如地球和月球，圍繞著質(zhì)心互相旋轉(zhuǎn)；有一個(gè)小質(zhì)量天體，比如人造衛(wèi)星，被發(fā)射到了兩個(gè)天體中間附近的位置上。會(huì)發(fā)生什么呢？這個(gè)人造衛(wèi)星有時(shí)候繞著月亮轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著突然回到了地球軌道上，又轉(zhuǎn)一會(huì)又飛去了月球，甚至轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著被引力彈弓啪一下彈出地月系彈到太陽(yáng)系里面去了。如果我們發(fā)射并排發(fā)射兩顆衛(wèi)星，軌道參數(shù)只差了一點(diǎn)點(diǎn)，一開(kāi)始他們會(huì)并排運(yùn)行，后來(lái)距離越來(lái)越遠(yuǎn)，一段時(shí)間后就完全在不同的軌道上了。

糟糕的是現(xiàn)實(shí)中幾乎所有的問(wèn)題都是非線性模型，天體運(yùn)動(dòng)、太陽(yáng)活動(dòng)、天氣、生命、生態(tài)系統(tǒng)……這些系統(tǒng)不斷放大著初始條件中的細(xì)節(jié)，也就是人們常說(shuō)的“蝴蝶效應(yīng)”。順著因果鏈去尋找這些細(xì)微的初始條件，最終我們又被可恨的量子力學(xué)以“測(cè)不準(zhǔn)原理”擋在了外面。這說(shuō)明：量子力學(xué)的不確定性，最終會(huì)被宏觀的非線性系統(tǒng)放大，使我們的宏觀世界充滿(mǎn)不確定性。

所以總結(jié)來(lái)說(shuō)，宇宙中存在著真正的隨機(jī)，甚至到處都是隨機(jī)。我們看到的天上的云，這是一個(gè)分形系統(tǒng)，它的每一個(gè)細(xì)節(jié)，最終可以追溯到量子級(jí)別的活動(dòng)；我們看到的海岸線，高低起伏的丘陵，也都是一樣隨機(jī)的；我們的生命活動(dòng)，我們的思想，我們的命運(yùn)和未來(lái)，全部都是隨機(jī)的。

隨機(jī)是否代表另一種哲學(xué)“不可知論”的勝利呢？雖然我們看到的世界都是隨機(jī)的，但是隨機(jī)不代表不存在著規(guī)律，概率分布、期望、方差都是實(shí)實(shí)在在的規(guī)律，人類(lèi)可以掌握，可以控制。所以，世界是不確定的，又是人類(lèi)可以控制的，如果有上帝存在，那他可真是個(gè)能工巧匠。

我們來(lái)補(bǔ)充一個(gè)例子來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明量子力學(xué)中的世界與我們的直觀認(rèn)識(shí)有多么巨大的差異，貝爾不等式雖然本質(zhì)但畢竟不好懂，我們舉的這個(gè)例子現(xiàn)在有非常多的用途，但是分析起來(lái)會(huì)讓人大吃一驚。

我們知道玻璃的表面都會(huì)有一定比例的反射率，這樣我們?cè)诖皯?hù)前面也能隱隱約約照出自己的影子，這個(gè)反射會(huì)影響鏡頭透光的比例，影響光學(xué)性能。

那么我們?nèi)绻阽R頭前面再鍍一層膜，這層膜同樣是透明的，這樣光子穿過(guò)這層膜的時(shí)候，在膜的表面同樣會(huì)反射，在膜和鏡頭的交界面又會(huì)反射，那么我們正常來(lái)思考這個(gè)問(wèn)題，光子有兩次機(jī)會(huì)反射，總的反射概率應(yīng)該是更大了，那么就會(huì)有更少的光透過(guò)。然而，當(dāng)我們控制膜的厚度，使膜的厚度剛好是1/4波長(zhǎng)的時(shí)候，這兩次反射形成的波的相位是相反的，會(huì)相互抵消，導(dǎo)致的結(jié)果是：光子幾乎以100%的概率通過(guò)了膜和鏡頭表面！

這對(duì)于決定論來(lái)說(shuō)就很尷尬了，按決定論的話，光子在經(jīng)過(guò)第一個(gè)界面的時(shí)候，就已經(jīng)確

定了要不要反射了，怎么會(huì)因?yàn)楹竺嬉淮畏瓷洌淖兞饲懊嬉淮畏瓷涞母怕誓?？?dāng)然決定論的支持者可以說(shuō)，也許是光有一種特殊的機(jī)制在反射之前確定反射界面后面的情況呢，比如說(shuō)光子有個(gè)前導(dǎo)波，先探測(cè)了一下反射界面后面的情況，再?zèng)Q定要不要反射呢？
有一個(gè)針對(duì)這個(gè)假說(shuō)的專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)，就叫做延遲選擇實(shí)驗(yàn)，我們下面敘述的是一個(gè)變種。我們?nèi)匀蛔尮庾咏佑|一個(gè)半透半反鏡，這樣光子可能透過(guò)可能反射，被分成了兩束波，這跟光子透過(guò)第一個(gè)增透膜的效果是一樣的。

如圖，經(jīng)過(guò)合適的兩面平面鏡的反射之后，光子會(huì)到達(dá)1和2兩個(gè)探測(cè)器中的一個(gè)，到達(dá)哪一個(gè)是隨機(jī)的。然后我們模仿增透膜時(shí)候發(fā)生的情況，插入第二塊半透半反鏡B，讓光路1中的光子以一定概率反射并和光路2疊加（注意這張圖經(jīng)常被誤認(rèn)為兩路光都會(huì)照到B上，并不是這樣，只有一路會(huì)照到B上，另一路不經(jīng)過(guò)B）

當(dāng)B的位置合適的時(shí)候，1經(jīng)過(guò)B反射和2兩路光，光程差恰好相差半個(gè)波長(zhǎng)，于是因?yàn)橄辔幌喾炊嗷サ窒?，于是只剩下?這一路，光子在接觸兩面半透半反鏡的時(shí)候，總是穿過(guò)A再穿過(guò)B然后到達(dá)1。撤走B的時(shí)候，則恢復(fù)了以一定比例到達(dá)1和2的情況。這跟增透膜中的現(xiàn)象相似。那么決定論者可以再一次搬出前導(dǎo)波之類(lèi)的理論來(lái)反駁。

現(xiàn)在我們給入射的光設(shè)置一個(gè)快門(mén)，快門(mén)以非常短的間隔打開(kāi)，然后迅速關(guān)閉，這樣我們可以控制發(fā)射光子的時(shí)間。然后我們把這個(gè)裝置的距離拉得足夠長(zhǎng)，讓光子可以在裝置里飛一會(huì)。我們給B裝上一個(gè)非常靈敏的開(kāi)關(guān)，讓我們可以迅速放進(jìn)B或者撤走B。

然后我們打開(kāi)快門(mén)，讓光子飛一會(huì)，飛到這個(gè)光子一定已經(jīng)經(jīng)過(guò)A，但還沒(méi)有經(jīng)過(guò)B的時(shí)刻，然后我們決定放入B或者撤走B。當(dāng)我們放入B，光子就一定沿著1到來(lái)，否則當(dāng)我們撤走B，光子就以概率沿著1或者沿著2到來(lái)。我們可以看到，光子是否在A上發(fā)生了反射，居然可以取決于我們?cè)谥蟛抛龀龅臎Q定。對(duì)于量子力學(xué)來(lái)說(shuō)這其實(shí)早就不是什么新鮮的事情了，我們?cè)诜治鲭p縫干涉的時(shí)候就已經(jīng)說(shuō)過(guò)了這個(gè)問(wèn)題，電子或者光子會(huì)同時(shí)經(jīng)過(guò)兩條縫，在這里也是同時(shí)進(jìn)行了透過(guò)和反射；然而新鮮的是，這個(gè)透過(guò)和反射的比例，可以由我們以后的行動(dòng)而決定。這用決定論的世界觀是無(wú)法解釋的。

我們只能認(rèn)為這里同時(shí)發(fā)生了光子透過(guò)和光子反射兩種歷史，而之后，我們可以用過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置擦除其中一種歷史，而只保留另一種歷史。這也就說(shuō)明確定的過(guò)去是不存在的。

via：靈劍