北京時間5月10日凌晨1時，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團隊在世界頂級學(xué)術(shù)期刊《Nature》上發(fā)表重要論文，在國際上首次實驗實現(xiàn)了基于人類自由意志和超高損耗下的貝爾不等式檢驗。該研究通過“大貝爾實驗”（BigBellTest）國際合作的方式，利用超過10萬人的自由意志產(chǎn)生的隨機數(shù)進行了量子非定域性檢驗，大部分實驗結(jié)果強有力地證偽了愛因斯坦的定域?qū)嵲谡?，符合量子力學(xué)理論。
什么是大貝爾實驗？我們先回顧下它產(chǎn)生的歷史。
量子糾纏與愛因斯坦定域?qū)嵲谡?/p>
科學(xué)家們在量子力學(xué)的世界中，發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的現(xiàn)象，比如疊加態(tài)和量子糾纏。量子糾纏是指處于糾纏態(tài)的兩個光子A和B，無論相距多遠(yuǎn)都會存在一種關(guān)聯(lián)。如果不對其進行測量，它們就共同處于水平偏振和垂直偏振兩個狀態(tài)的疊加態(tài)；而一旦對其進行測量，其中光子A狀態(tài)將隨機坍縮到其中一種狀態(tài)，而光子B的狀態(tài)會瞬時坍縮至另外一種狀態(tài)。比方說，如果A的偏振態(tài)是“向上”的，B的偏振態(tài)必然是“向下”的。
愛因斯坦將量子糾纏稱為“鬼魅似的遠(yuǎn)距作用（神鬼級的遠(yuǎn)距離相互操作作用）”（spookyactionatadistance）。但這并不僅僅是個詭異的預(yù)測，而是已經(jīng)在實驗中獲得的現(xiàn)象。他反感這種“上帝擲骰子”一般的解釋，認(rèn)為測量結(jié)果一定受到了某種未知的“隱變量”的影響，是我們不知道的另一個隱變量對光子的狀態(tài)發(fā)揮著影響，處于糾纏態(tài)的兩個光子這個隱變量的取值是相反的，因此會導(dǎo)致它們總是坍縮為相反的狀態(tài)。這么看來，一切都是確定的，只是我們不知道背后的原理而已。這被稱為愛因斯坦定域?qū)嵲谡摗Ｆ渲?，“定域”是指信息傳播的速度無法超過光速，一個位置的行動無法對其他位置產(chǎn)生瞬間影響；“實在論”是指無論我們是否去觀測，一切現(xiàn)象都對應(yīng)著物理實在的特性值。
從貝爾不等式到大貝爾實驗
1964年，愛爾蘭物理學(xué)家貝爾提出“貝爾不等式”，用于檢驗究竟是這個我們暫未觀測到的隱變量影響了我們的觀測結(jié)果，還是因為在量子世界上帝真的會擲骰子。如果這個“隱變量”真實存在，那么在同時測量兩個分隔的粒子時，其結(jié)果關(guān)聯(lián)程度的分布概率必然滿足貝爾不等式。反之，如果測量結(jié)果不滿足貝爾不等式，就說明隱變量并非真實存在，愛因斯坦對于定域?qū)嵲谡摰膱?zhí)著是錯誤的。
隨后的幾十年，大量的實驗都證實了量子力學(xué)關(guān)于貝爾不等式的預(yù)言。但是這些實驗并不能夠完美滿足貝爾不等式的假設(shè)條件，或多或少地存在一些漏洞，導(dǎo)致人們依然無法對這一爭論進行最終判定。比如定域性漏洞（localityloophole）認(rèn)為兩個光子之間可能“串通作弊”，通過某種不大于光速的通訊通道來傳遞彼此的狀態(tài)信息。
在諸多貝爾不等式的實驗中，人們終于關(guān)閉了“定域性漏洞”和“公平采樣假設(shè)（fair-samplingassumption）”這兩個非常有名的漏洞。不過，挑剔的科學(xué)家們再次找到了一個新的漏洞：“自由意志漏洞”。這個漏洞的意思是：在這些實驗中，使用的是量子隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的隨機數(shù)，但憑什么相信隨機數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的就是真的隨機數(shù)呢？又怎么保證這些隨機數(shù)沒有時間的關(guān)聯(lián)呢？隨機數(shù)的產(chǎn)生與糾纏的產(chǎn)生有可能在很久的過去被某個隱變量共同支配著，因而這種隨機數(shù)可能受到隱變量控制而不能作為真正的隨機性來源。這通常被稱之為“自由選擇漏洞（measurementindependenceloophole）”。更普遍來說，所有利用地球上的儀器設(shè)備直接產(chǎn)生的隨機數(shù)都無法被嚴(yán)格用來關(guān)閉該漏洞。
在這樣的背景下，潘建偉團隊率先提出了一個基于人類自由意志，在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。自由意志（Freewill）是哲學(xué)里的一個專業(yè)概念，使用人的自由意志來選擇測量事件甚至用人來直接進行測量被認(rèn)為是有希望徹底解決該問題的途徑之一。
該團隊與國際上10余個知名量子研究團隊合作，開展“大貝爾實驗”（theBigBellTest）。該實驗召集到了世界各地超過10萬名志愿者，所有志愿者在2016年11月30日當(dāng)天，通過互聯(lián)網(wǎng)和手機無線網(wǎng)絡(luò)參加項目開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)實驗。在實驗中，所有志愿者都需要基于個人的自由意志不斷地進行選擇形成二進制隨機數(shù)，12小時內(nèi)共持續(xù)產(chǎn)生每秒逾1000比特的數(shù)據(jù)流，全部記錄在互聯(lián)網(wǎng)云端，并被實時和隨機地發(fā)放給分布在世界各地的相關(guān)研究團隊，用以控制這些研究團隊的貝爾不等式檢驗實驗。整體而言，大貝爾實驗的思路是相信人類擁有真正的自由意志，即使“上帝”真的存在，成千上萬個自由意志選擇的隨機數(shù)也足以發(fā)動一場令預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的DDoS（分布式拒絕服務(wù)）攻擊。通過大量參與者的自由意志，大貝爾實驗在更廣泛的范圍內(nèi)關(guān)閉了自由選擇漏洞，強有力地證偽了愛因斯坦的定域?qū)嵲谡?，符合量子力學(xué)理論。
何謂互聯(lián)網(wǎng)精神反思大貝爾實驗：自由意志真的存在嗎？
自由意志是哲學(xué)史上最古老、最持久和最艱難的問題之一,并且一直是哲學(xué),包括實證主義哲學(xué)和人文主義哲學(xué)關(guān)注的問題。我們的意志是否真的自由, 這個古老而神秘的問題困惑了哲學(xué)家們上千年。毫無疑問, 自由意志問題是所有哲學(xué)問題中最微妙、最迷人的問題之一, 也是最令人頭疼、最難以把握的問題。
Nichols和Knobe的實驗(2007)表明普通人普遍存在關(guān)于自由意志的樸素觀念。他們要求被試閱讀兩段關(guān)于世界的描述,其中一段是決定論的(A),另一段是非決定論的(B),具體內(nèi)容如下：
想象存在這樣的一個世界A或B,它們關(guān)鍵的區(qū)別是…在世界A中,每一個決定完全是先前決定的結(jié)果——每一個決定都是按既定的方式發(fā)生。相反,在世界B中,決定并非完全是過去的結(jié)果,每個人的決定不一定按既定的方式發(fā)生。
在閱讀完上述描述后,要求被試回答問題如“你認(rèn)為哪個世界和我們所處的世界最相似？”。絕大多數(shù)的被試都認(rèn)為我們處在一個非決定論的世界(B)。跨文化研究也表明,來自美國、中國香港、印度和哥倫比亞的成人被試均傾向于拒絕我們的世界是被決定的假設(shè)(Sarkissianetal.,2010)。
雖然普通人存在關(guān)于自由意志的樸素觀念,但心理學(xué)家如Libet、Wegner和Bargh等學(xué)者的研究卻挑戰(zhàn)了自由意志的存在。
在Libet的經(jīng)典實驗中,要求被試自發(fā)的隨意移動一根手指,同時記錄手指的肌電反應(yīng)和前額葉的腦電反應(yīng)(Libetetal.,1983)。被試面前放著一個圓形屏幕的示波器,上面有一個光點順時針運動,且屏幕邊緣刻有刻度,刻度之間的時間差為107ms。整個屏幕看上去類似于鐘表。被試的任務(wù)是每次移動手指時,報告他們體驗到“想要移動”時的光點位置。結(jié)果發(fā)現(xiàn)被試報告的行為意圖先于行動約204ms,而準(zhǔn)備電位先于動作約535ms。這說明在被試意識到行動之前的300ms左右,大腦就已經(jīng)產(chǎn)生了準(zhǔn)備行為的電活動。
Soon等改進了Libet的實驗任務(wù),并采用功能性核磁共振成像(fMRI)技術(shù)對被試進行了全腦掃描。他們要求被試觀看屏幕上隨機呈現(xiàn)的字母,并隨時按下左手或右手食指下的按鈕,記住在做出該決定時屏幕上出現(xiàn)的字母。結(jié)果發(fā)現(xiàn),做出按鍵的決定要比真實的按鍵行為提前約1秒,而在個體做出行為決定之前的10秒左右,額極皮層(frontopolarcortex)和頂葉皮層(parietalcortex)兩個區(qū)域就產(chǎn)生了與決策有關(guān)的大腦活動。這說明無意識的腦活動要先于個體產(chǎn)生決策意識長達10秒之久。這一結(jié)果不僅進一步鞏固了Libet早期的實驗結(jié)論,而且再次挑戰(zhàn)了自由意志的存在,掀起了哲學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家關(guān)于自由意志存在與否的激烈討論。其他的研究者運用類似Libet的任務(wù)或更精確的技術(shù)如功能性核磁共振腦成像等得到了相同的結(jié)果,有意動作開始于無意識的腦活動。這與人們的常識相矛盾,自由意志或選擇并非行為的真正原因,自由意志可能是一種錯覺。
自由意志是否真實存在？這可能是繼大貝爾實驗之后，我們要思考的下一個問題。
▼
本文為北大新媒體原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請注明出處
責(zé)任編輯：
聯(lián)系客服
