量子力学正在考验人类身份

“即使在原则上，也不能要求电子不在场证明！”
赫尔曼·韦尔，群论与量子力学(1950)

H（H）你听过马丁·格雷的故事吗？

他和他的新娘和新生儿子住在法国西南部比利牛斯山麓的一个小村庄Artigat。1548年，24岁的马丁·格雷（Martin Guerre）在被自己的父母指控偷窃后失踪，留下了家人。八年后，在父母去世后，格雷回到了家，与妻子、儿子和村民团聚。

在接下来的三年里，格雷和他的妻子贝特朗又生了两个孩子。一切都进行得很顺利，直到一名外国士兵从镇上经过，声称归来的人不是真正的马丁·格雷，而是一个冒名顶替的人，名叫阿尔诺·杜·提尔。原告声称在西班牙军队中与格雷并肩作战，并说格雷在战斗中失去了一条腿。贝特朗对指控置若罔闻，她确信和她生活在一起的那个男人曾经是她的丈夫。但很快，Guerre的叔叔和Bertrande的继父加入了这名外国士兵的行列，指控这名男子伪造Guerre的身份，并将其送上了法庭。

如果电子是可分辨的，那么一切都将是混乱的。

这是一个一直萦绕在我们集体想象中的故事，它被拍成了电影、音乐剧、历史小说、电视剧和辛普森一家插曲——因为它触动了一条生硬的神经：我们对身份的概念有一种不安全感。我们如何确定某人是谁，甚至是某个亲密的人？我们如何才能确定自己是谁，或者那个我们是？在一个不断变化的世界里，身份意味着什么？

早期的生命论哲学家有一个现成的答案：我们每个人都有一个神圣的灵魂，我们的肉体只是由我们无形的自我所驱动的傀儡。但科学已经侵蚀了这个答案，并在物理身体本身中寻求认同：在微观层面上，简化主义梦想的承诺，必须有东西来区分我们每个人。我们身份的坚实基础，由分子和原子组成。

然而，这条道路远比看起来的要摇摇欲坠。凝视着站在法庭上的格雷。放大。仔细看他的脸，他的皮肤，他的毛孔。深入到他最基本的成分。看到那个电子了吗？这是格雷自己的积木。但如果我们用电子代替格雷进行试验呢？

Y（Y）是的，我们都会为把一个基本粒子尝试到完全符合定律的程度而发笑。是的，我们都可以期待一些值得畏缩的双关语。让我们现在把他们让开，好吗？房间里的空气电的。被告是已充电随着身份欺诈犯罪的严重化。很好。让我们继续。

法官敲击木槌，要求法庭恢复秩序。12名陪审员立正。被告在自己的座位上扭动着，这让律师们感到懊恼，也让素描艺术家感到沮丧。

一个电子-任何电子是基本粒子，也就是说它没有已知的子结构。格雷是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子是由基本粒子组成的，但基本粒子是终点。它们什么都不是，可以说是物质世界最基本的组成部分。电子是一个点，实际上根本不占据任何空间。每个电子都是根据其质量（微小）、自旋（1/2）和电荷（负）来定义的。这三个功能包括全部电子的完整和全面的身份，因为它对空间范围的需求没有容纳任何进一步属性的空间。

这意味着什么？每个电子都是其他电子的精确镜像，即使是最微小的偏差，也缺乏最微小的余地。与格雷这样的复合宏观物体或我们日常生活中的任何其他物体不同，电子不仅是相似的，如果说不可思议的话，而且是深刻的完全相同的-可互换的、可替换的、仅仅是占位符的、写着“电子”的空标签等等。

这有一些相当奇怪和可测量的后果。考虑下面的例子：我们有两个基本粒子，A和B，以及两个盒子，我们知道每个粒子在任何给定的时间都必须在两个盒子中的一个里面。假设A和B相似但不同，设置允许四种可能性：A在方框1中，B在方框2中，A和B都在方框1中，A和B都在方框2中，或者A在方框2中，B在方框1中。概率法则告诉我们，在每种构型中找到这两个粒子的几率是四分之一。

另一方面，如果粒子A和B真的完全相同的，我们必须在思维中做出一个相当奇怪的调整，因为在这种情况下，说a在方框1中，B在方框2中，或者说B在方框1里，a在方框2里，这两种说法实际上没有区别。这些场景最初被认为是两种不同的可能性，实际上完全相同。总的来说，现在只有三种可能的构型，概率分配了三分之一的几率，我们将在其中任何一种构型中发现粒子。

实验证实微观世界遵循三分之一统计。把被告换成另一个同类——宇宙不会有什么不同，我们也不会。

S公司防守核心之一。为了强调这一点，辩护律师要求马萨诸塞理工学院的理论物理学家弗兰克·威尔泽克（Frank Wilczek）出庭作证。为了确立他作为专家的地位，律师将威尔切克的资历记录在案：出版了无数的书籍和科学论文，赢得了一系列长期的奖项。“哦，”律师笑着说，“还有诺贝尔奖。”检察官看起来很羡慕。

“威尔泽克博士，”辩护律师开始说道。“你已经陈述了你认为量子场论唯一最深刻的结果。你能为法庭重复一下吗？”

物理学家倾向麦克风。“这两个电子无法区分，”他说。

不可区分性的确凿证据，也是三分之一统计的直接结果，就是干扰。Wilczek解释道，干涉暴露了电子的秘密生命。观察时，我们总是会发现电子是微粒子，但当我们是不看它，电子具有波的特性。当两个波重叠时，它们会在相位对齐的地方进行干涉增加和放大——峰值与峰值对齐，波谷与波谷对齐——并在发现自己不同步的地方进行抵消和消除。这些干扰波不是通过物质介质波动的物理波，而是称为波函数的数学波。当物理波以其振幅携带能量时，波函数携带概率。因此，尽管我们从未直接观察到这些波，但它们的干扰结果很容易从它如何影响实验的概率和统计结果中看出。我们需要做的就是数数。

人们不禁怀疑是电子如此迂回，还是空间本身如此迂回。

关键的一点是，只有真正相同、无法区分的事物才会相互干扰。当我们找到区分它们（粒子、路径或过程）的方法时，干涉消失了，隐藏的波突然以粒子的形式出现。如果两个粒子出现干涉，我们可以绝对肯定地知道它们是相同的。果然，一次又一次的实验已经毫无疑问地证明了这一点：电子相互干扰。它们是相同的，不是因为愚蠢或视力差，而是因为它们深深地、深刻地、内在地无法区分。

这不是一个小的技术问题。这是量子的奇异世界和我们所经历的普通世界之间的核心区别。威尔切克说，电子的不可区分性是“化学成为可能的原因”。“这是物质可复制行为的基础。”如果电子是可区分的，以微小差异连续变化，那么一切都将是混乱的。正是它们离散、明确、数字化的特性使它们能够在错误的世界中容错。

它们的相同性意味着，虽然我们可以笼统地谈论电子，但我们被禁止对任何特定的电子发表任何声明。Wilczek说：“如果你有两个电子，然后观察到两个电子时，你没有在中间阶段观察到它们，你就无法说出最初是哪个电子。”。“这不仅仅是你感到困惑，原则上也不可能分辨出哪个是哪个。”

新墨西哥州圣达菲市圣约翰学院的物理学家、历史学家和音乐家彼得·佩西奇（Peter Pesic）这样说：“我们可以这样说，‘有五个电子。’我们可以给它们一个基数。但我们不能给它们序数。”基数就是计算数字。五电子。序数是排序数第一，的第二，的第三的，的第四，的第五。说我们可以有没有序数的基数，就是说我们可以给组附加标签，但不能给它的任何单个成员附加标签，这本身就是说它的成员根本不是个人。佩西奇继续说道：“这太令人惊讶了，因为我们认为基数和序数都是适用的。在微观层面上，这不是真的。你有一个没有另一个。”

T型检察官考虑到他的盘问，在证人席前缓慢地来回踱步。他建议，也许我们可以通过电子在空间中的位置而不是其固有特征来区分电子。即使两个电子在各个方面都是相同的，我们也可以仅凭其中一个电子的事实来区分它们在这里和另一个那里，我们能不能？

威尔茨克的回答是简单的“不”。虽然微粒子似乎占据了空间中的特定点，但波就其本质而言并没有。因此，当像我们的电子这样的粒子没有被吸引时，它们就会变得弥散无处不在。它们的波函数虽然集中在空间的特定区域，但延伸到无穷远，因此，如果有人决定去寻找它，它们的微粒性质在任何地方都会显现出来，这种可能性总是很小但非零。

当没有人看的时候，电子不是在任何地方但仅仅有可能在不同的位置被发现，这一事实如此奇怪，以至于人们不禁想知道是电子如此迂回，还是空间本身如此迂回。当我们不注意时，太空会发生什么？它会简单地消失吗？

Wilczek这样说：“量子力学的另一个与不可分辨性密切相关的方面，也是其最深层次的竞争对手，是如果你想描述两个电子的状态，并不是说你对其中一个有一个波函数，对另一个有单独的波函数，每个都生活在三维空间中。你真的有一个六-维波函数，它有两个位置，可以填充两个电子。”六维波函数意味着在特定位置找到每个电子的概率不是独立的，也就是说，它们是纠缠的。

电子的同一性不仅削弱了事物的概念，也削弱了空间的概念。

在旧的看待事物的方式中，我们有空间，然后我们把东西放进去。在量子观点中，我们拥有像电子这样的东西，空间作为一种描述它们之间复杂关系和相互依存关系的方式出现，像“这里”和“那里”这样的局部点就像冰山的顶端一样向外窥视。

当两个粒子纠缠时，它们的性质身份-既不单独存在于粒子中，也存在于粒子之间的关系中，这种关系标榜了通常的空间约束，绕过了爱因斯坦所说的“远处的幽灵行为”布里斯托尔大学的哲学家詹姆斯·雷德曼说。“世界的状态不能单独写成所有粒子的状态。它们都是联系在一起的。”

所有粒子的电子的一致性不仅削弱了事物的概念，也削弱了空间的概念，揭示了它们是同一个脆弱硬币的对立面。这是一条线索，表明我们把世界分割成几部分的方式有问题。一种整体主义的线索，一种潜在的一体性。

一个什么？

有些人，比如威尔切克，说一个领域。他说，所有的电子看起来都很相似，这并不神秘，因为它们都是一个和同一个潜在电子场的临时激发，而这个电子场始终渗透在所有空间中。其他人，比如物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler），只说一个粒子。他认为，也许电子是无法区分的，因为只有一个，但它在空间和时间中追踪着如此复杂的路径，以至于在任何给定的时刻都会有很多。17世纪的哲学家戈特弗里德·莱布尼茨提出了不可分割物的同一性原则，即如果你不能区分两个事物，那么它们就不是两个事物。一方面，电子似乎反驳了这一原理。另一方面，可能是粒子的多重性，或者是世界-是一种娱乐幻觉。

有人说，时间是阻止一切同时发生的原因。同样，空间是使一切不成为一体的因素，或者用惠勒的话来说，是“阻止一切发生在我身上的因素”。但在量子领域，空间所提供的脚手架退却了，随之而来的是所有关于同一性和物性的概念，以及由此而来的存在的多元性。电子无处不在，电子无处可寻。一个没有表格的逃犯。一个亡命之徒无托辞。

而且，很明显，身份欺诈是无辜的。但是它所建造的人类呢？

Z呼啸而出。

格雷的妻子贝特朗一直拒绝相信她的丈夫是个骗子。但在他的审判中，她改变了主意，决定虽然自称马丁·格雷的男子知道他们早期关系的许多私密细节，但他并不是她娶的那个人。然而，当有争议的格雷转向她并打赌，如果她发誓他不是她的未婚妻，他会很高兴地同意自己处决贝特朗保持沉默。马丁·格雷（Martin Guerre）现在被判为阿尔诺·杜·提尔（Arnault du Tilh），被判斩首。

这名命中注定的男子在图卢兹上诉，坚称自己实际上是真正的马丁·格雷。他提出了一个令人信服的案件，上诉法院的法官们准备宣判他无罪，令所有人惊讶的是，法院里出现了一名自称是真正的马丁·格雷的男子。他看起来很像被告，只是走路用的是木腿。尽管这位马丁·格雷（Martin Guerre）无法回忆起他早年婚姻的许多令人信服的私人细节，但格雷的家人和镇上的居民立即被说服：这个是马丁·格雷。受审的男子因斩首而被拘留，而贝特朗则恳求丈夫原谅。

在判决中，法院裁定杜蒂尔不是马丁·格雷。但成为马丁·格雷意味着什么？这是一种坚持的行为。它是通过一些平滑、无缝的轨迹与马丁·格雷（Martin Guerre）在空间和时间上每隔一刻的轨迹相连，遵循爱因斯坦（Einstein）所称的完美保真度和无偏差的世界线。

再次放大。格雷由基本粒子组成，但它们的词线根本不是线，只是一系列被奇怪而破碎的空白隔开的点。用惠勒的话来说，电子龙的世界线是一条巨大的烟熏龙，有着清晰的头部、独特的尾巴，中间只有蒸汽。“我们所谓的现实，”惠勒说，“由几个观察的铁杆组成，在这些铁杆之间，我们用精心制作的纸机结构来填充想象和理论。”

我们想相信一件事在某种程度上超过了它各部分的总和。如果我们去掉一个电子的电荷，它的质量，它的自旋，就会有剩余的东西，一个秃顶的电子，一个血性正如哲学家所说，一种原始的这种性。我们想相信这意味着这电子而不是那个即使没有任何观察、实验或统计数据能够揭示它。我们想相信原始的这个性质，因为我们想相信一个原始的我们的内斯-有一天我们会遇到我们的替身，一个完美的克隆，一直到每个细节，每个梦想，即使是最有洞察力的观察者也无法区分，在内心深处，仍然会有一种感觉，那就是我们，而不是我们的替补，一种看不见、无法形容但却是真实的差异。如果两个马丁·盖尔斯之间没有任何区别，人们仍然会对自己微笑，因为他们知道他是真的。

我们想相信这一点，但量子力学不允许。佩西奇说：“我们被愚弄了，以为我们的可辨性是物质固有的，但这只是我们的一个大误解。”。当电子与另一个电子发生干涉时，它的血性会发生什么变化，它的原始的这个与那个混淆了？认识论规定了本体论。因此，血腥似乎更像是哲学家对灵魂的一种诠释，一种安慰，一种幻觉。在神话和宗教中，我们寻求统一。只是没那么多，我们就消失了。

因此，如果构成我们的基本粒子实际上不是作为物体存在的，如何我们是否存在？

“我认为最终，”莱迪曼说，“世界很可能不是由任何东西组成的。”

佩西奇说：“当你有越来越多的电子时，它们共同形成的状态开始变得越来越明显。”。“所以你和我之所以有某种身份，是因为我们由这么多无法区分的成分组成。这是我们的状态这是可以区分的，而不是我们的重要性。”

佩西奇继续说道：“这是一个奇怪而美丽的想法。”。“我们的成分中没有一种——没有电子，也没有质子——上面有任何印记。但它们共同存在的状态变得足够复杂，可以与其他由相同的不可区分的电子和质子组成的人的状态区分开来。”

“我的厚度这取决于我的组织方式，而不是我是由什么组成的，”Ladyman说。“但无论如何，我们当然知道这一点，因为我们知道我们体内的细胞一直在被替换。重要的是结构的功能性组织，而不是它所构成的物质。”

是的，我们知道这一点，我们是物质流动中的实体，我们的身体是忒修斯的船，就像夜间的悖论一样经过。然而，我们倾向于相信，如果我们在任何特定时刻对自己做一个快照，我们会发现我们是由一些东西组成的——一些会过去的东西，一些会改变的东西，但是某物.

但陪审团宣布：不，那里没有。

我们的身份是一种状态，但如果它不是一种物质状态——不是单个物理物体的状态，比如夸克和电子——那么它就是一种状态什么的?

也许是一种信息状态。莱迪曼建议，我们可以用“真实模式”取代“事物”的概念，这一概念首先由哲学家丹尼尔·丹尼特阐述，然后由莱迪曼和哲学家唐·罗斯进一步发展。莱迪曼说：“另一种表达对象含义的方式是谈论信息压缩。”。“因此，如果信息减少了，你就可以声称某些东西是真实的——如果你把它包括在描述中，那么追踪世界的理论复杂性就会降低。”

考虑一下猫。在计算方面，我们可以使用位图来表示一只猫，这是一种逐字逐句的描述，直到最精细的颗粒。或者，我们可以忽略猫的微观细节，将其简单地称为“猫”，从而使猫呈现出更粗糙的纹理。在第一种情况下，我们必须使用许多位和强大的计算资源来描述每个位是如何随着时间而单独改变其位置的。在第二种情况下，只需一口气就可以实现与“猫穿过房间”这句话相同的壮举。因此，猫是一种真正的模式，是一个思想依赖的宇宙的真正本体论文章，因为它的计算效率很高。

现在考虑一个非真实对象。莱迪曼说：“唐·罗斯举了他的左耳垂为例，这是纳米比亚最大的大象，也是迈尔斯·戴维斯最后一次独奏。”。“想象一下，这三件事的复合对象。通过对这三件事进行限定，你不会降低追踪世界的计算复杂性，因为它们不会形成真正的模式。这个集合不会出现在任何可投影的概括中。你的部分会出现。”。你是一个真正的模式，超越了你所有的身体部位，因为我们可以谈论你，你可以把你所有的部分都带到身边。”

如果这些例子给人的印象是真实的图案是粒子的图案，请注意：粒子，就像我们的电子一样，本身就是真实的图案。“我们正在使用一种颗粒状的描述来跟踪真实的模式，”Ladyman说。“这是真正的模式。”

我们只是昙花一现的模式，噪音中的信号。向下钻取，实质性外观失效；下面什么都没有。“我认为最终，”莱迪曼说，“世界很可能不是由任何东西组成的。”

即使如此，我们也可以指向模式并指定名称。模式越复杂，我们通过压缩其微观描述可能获得的收益就越多，身份的情况就越严重。考虑一个大脑，其神经元数量与星系中的恒星数量一样，通过数万亿个连接连接在一起，这是已知宇宙中最复杂的物体。试着把它压缩一下。用两个词来称呼它。叫它马丁·格雷。进一步推动。一个单词，一个字母。

称之为“I”

阿曼达·盖夫特是一位物理作家，著有闯入爱因斯坦的草坪：一个父亲，一个女儿，什么都没有，一切都开始了。她住在马萨诸塞州剑桥。

附加读数

Ladyman，J.和Ross，D。每件事都必须去：形而上学自然化牛津大学出版社，英国牛津（2007）。

佩西奇，P。看到双重：物理学、哲学和文学中的共同身份麻省理工学院出版社，马萨诸塞州剑桥（2002）。

F.Wilczek和B.Devine。渴望和谐：现代物理学的主题与变奏W.W.Norton&Co.，纽约州纽约市（1987年）。