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==物理中的观察者==
==物理中的观察者==
===测量===
===测量===
这一章，我们将走进形而下的世界，讨论物理学中的两大基石：量子力学和统计力学。与以往的物理教科书不同的是，我们将以一种观察者的视角重新看待这些学科，甚至将很多表面上丝毫不相干的学术理论重新联系到一起。需要事先指出的是，我们在这里讨论这两门学科并不想从观察者论的角度重新提出量子和统计的基础，更不想推翻它们，而是想尝试从观察者的角度去理解它们，以至于可以把这两门学科获得的很多知识最终为观察者理论所用。<br>
从物理的角度探讨观察者的问题始于我们对外在事物的测量，它可以用下面这张图来概括：<br>
[[File:xtzdgcz3_1.gif|图3-1|居中]]<br>
[[File:xtzdgcz3_1.gif|center|thumb|图3-1]]<br>
按照传统的认识，一次测量就是一次从真实世界向观察者世界中的信息投射。之所以现实世界上面加了引号，以及其中的物体用虚线表示是因为按照量子力学的说法，这个世界并不像我们感受的那样真实。观察者的世界也就是观察者测量的结果才是真正真实、可靠的东西。假设一个所谓“真实的”客观世界并无太大意义，因此我们不如将上面的图转换成下面的图：<br>
[[File:xtzdgcz3_2.gif|center|thumb|图3-2]]<br>
[[File:xtzdgcz3_2.gif|图3-2|居中]]<br>
我们不需要假设一个外界存在的世界，观察者面对的只是一次一次的测量，这些测量构造了一个观察者的世界。从这个角度来说，无论是量子力学还是统计力学都不过是在叙述观察者测量过程中的规律。<br>
===从量子力学到量子概率===
===从量子力学到量子概率===
量子物理起源于人们对微观物质运动规律的探讨，后来经过爱因斯坦、玻尔、薛定鄂、海森堡、狄拉克等人努力，量子力学作为一套能够成功描述微观粒子运动规律的数学产生了（参见《上帝掷骰子吗？》）。力学 mechanics与物理 physics的最大区别就在于力学给出的是一种抽象的数学结构或者框架，它虽然抽象自物理但却可以没有真实的物理对应。虽然物理学家发明了这套数学，但是很少有人真正相信它的真实含义和作用。人们更加倾向于认为量子力学不过是一套过渡规律，背后一定还存在着更底层的客观实在。<br>
只有少数几个科学家在一开始就不去争论量子力学背后是否有更底层的客观实在，而是单从数学的角度为量子力学奠定基础，其中一个最有名的人就是伟大的数学家冯.诺依曼。他发现，其实量子力学的背后蕴藏着一种很深的数学体系，而这个数学体系对于传统的Kolmogrov的概率论进行了很大的修改，也就是说，其实量子力学真正的数学基础不是别的，正是一种全新的概率论，后人将这套概率论称之为“'''量子概率 quantum probability'''”。<br>
目前市面上有很多关于量子力学的教科书和科普读物，几乎所有这些资料都给我们灌输了两个观点：量子力学告诉我们这个世界的底层是离散的；量子力学揭示出不确定性比确定性更加根本。虽然这两点并没有错，但是单凭这两点我们仍然无法判断量子力学作为一门数学相对于其他数学，例如离散数学和概率论的优势在哪。也就是说，这样一种普遍的观点完全没有抓住量子力学最终的根本所在。<br>
笔者认为，量子力学的根本就蕴含在量子概率的运算法则之中，这套运算法则揭示出了另外一种被我们忽视的不确定性，这就是系统的属性依赖于观察者的观测作用的不确定性。为了更好的理解这种不确定性，让我们先用著名魔术师刘谦曾经在电视上表演的一个有趣的小魔术讲起。<br>
[[File:xtzdgcz3_3.jpg|图3-3|居中]]<br>
[[File:xtzdgcz3_3.jpg|center|thumb|图3-3 魔术师刘谦]]<br>
有一次，刘谦表演猜数字的魔术。以前的猜数字魔术都是观众心中想一个数字，然后魔术师来猜。但是这次的魔术完全不一样，是刘谦先在心中想一个数字，并把它写在纸条上，然后反过来让观众来猜。比如某观众猜的数字是“5”，这个时候刘谦缓缓打开纸条让大家看，的确是数字5！再来一次，刘谦在纸上写好一个数字，另外一个观众猜“7”，打开一看，没错的确是7！刘谦号称，他能让观众具备“读心术”。<br>
我虽然不知道刘谦的魔术是怎么变的，但是这个魔术的确像极了量子系统的行为。我们看到，这里面最让人费解的事情就在于刘谦写下数字的动作在前，观众猜数字的动作在后，而观众猜的数字具有很大的不确定性，所以刘谦之前猜出的数字应与观众之后说出的数字有很大的差异才对。可是，事实却是刘谦每次都能猜对。我们怎么解释呢？难道说因果规律反了？刘谦能够预测观众的未来？<br>
其实有一种可能能很好的解释这个表面上的悖论，那就是刘谦之前根本没有在纸上写下任何字母，只有当观众说出他心目中的数字的时候，刘谦再用魔术的手法快速地在纸上写下观众说出的数字。<br>
换句话说，也就是刘谦可以通过一张空白的纸条，来应付观众在'''动态的交互过程中的不确定性'''。这种不确定性就是我所说的交互的不确定性，也就是说系统的行为是完全依赖事后观察者对它的观察行为，它与传统概率所描述的不确定性是完全不同的。我认为，'''量子概率恰恰描述了这种交互性的不确定性！'''为了更好的理解量子概率和可交互的不确定性之间的关系，让我们从量子力学中最著名的[https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment 双缝试验]说起。<br>
===双缝试验与交互不确定性===
===双缝试验与交互不确定性===
[[File:xtzdgcz3_4g.gif|图3-4|居中]]<br>
[[File:xtzdgcz3_4g.gif|center|thumb|图3-4 双缝干涉实验]]<br>
这是一个经典的量子力学试验，假设O点是一个电子源能够源源不断地发射电子，电子经过AB屏的两个缝隙A和B后会发生干涉现象。从而在l屏上形成干涉条纹。我们可以减小O发射电子的强度，使得每次只能发射一个电子。这样，l屏上的干涉条纹就表示电子打到该点的概率。<br>
假如我在A点处放一个探测电子是否经过A缝的仪器，只要我能读出电子是否已经经过了该点，这种测量行为就会直接干扰在C点发现电子的概率大小。如果电子是小球，我们知道这种观测行为是不会对小球到达C点的概率发生任何影响的。所以，量子力学所描述的对象具有交互不确定性。<br>
为了更清楚地看出这种交互不确定性，让我们将双缝试验和之前所说的刘谦的魔术进行对比。假设刘谦的魔术仅仅限定在0和1两个数字之间。那么刘谦写下了一个数字在纸片上就相当于我们的粒子发射器发射出来一个电子。观众对这张纸上面的数字猜测是0还是1就相对在A,B屏的地方放置探测器考察粒子是经过了A还是经过了B。最后刘谦把纸条打开就相当于我们在l屏处观测电子，并且发现数字是0对应粒子达到了C点，是1则对应没达到。<br>
如果观众不去猜纸条上的数字，刘谦直接打开纸条，就相当于我们不在AB屏的地方安置探测器，而直接观测C点的结果。如果观众猜纸条上的数字之后再去打开纸条就相当于我们从A,B处进行了一次观测之后再去考察电子飞到C点的情况。打开刘谦的纸条总能得到正确的结果是因为刘谦会利用魔术根据观众的观测，动态的更改纸条上的数字，同样在A点观测电子和不观测电子得到在C点完全不同的概率也是因为电子会根据观察者的观测行为动态地改变自身。<br>
===量子概率运算法则===
===量子概率运算法则===