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王向斌:少空谈哲学的物质意识,多关注具体的科学概念

作者按:
 
许多人乐于人云亦云,只问所谓原则立场不问事实。例如,过去某人为论证“大干**主义建设”,就果敢采用了“亩产**万”斤的论断。如果谁质疑那个论断,必被扣上“反对**主义建设”的帽子。
 
一些科普人士也不例外。他们会振振有词的告诉你,只要原则正确,就没必要挑剔论据上的瑕疵。然而在我看来,原则正确,人云亦云喊几句口号那是人人都会的事,而论据专业严谨才是科学家们真正被期待的科普本质工作,不然要你干吗?当然,这不太容易做到,尤其是对试图跨领域指点江山者。
 
最近,一篇以捍卫科学尊严为目标的科普雄文(以下简称《捍卫》)横空出世,批评朱清时院士的一些佛学,意念与量子物理的论断。该文的论点肯定会受到大多数人的认同,然而其论据却在概念上有不确切之处。下面就《捍卫》一文涉及到的一些说法作一个科普。
 
撰文 | 王向斌(量子密码理论专家,清华大学物理系教授,杰青,长江学者)
 
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量子纠缠能跨多远距离?
 
《捍卫》文中说:“人类的大脑中的量子过程并不会和宇宙中任何其他地方的量子过程纠缠在一起,就像一个氢原子中的电子肯定不会和一个遥远的氢原子中的电子发生纠缠一样。”我觉得这个论断应该不是该文作者经过理论证明后的结论,而应该是他凭想象随便说说的。
 
若是泛泛而论,在说“人类的大脑中的量子过程并不会和宇宙中任何其他地方的量子过程纠缠在一起”时,不知可曾考虑过诸如“儿走千里母担忧”和“但愿人长久,千里共婵娟”之类的事实没有。
 
而《捍卫》文章中又说,“比如我去称体重,我的身体就和体重秤纠缠起来了。体重秤的指针指在70公斤,这是指针的状态,而我身体的体重是我身体的状态。我的体重和指针的方向纠缠在一起了,这形成了一个测量。”观测体重是这样,那么当一个人夜深人静时仰望星空观测星体呢?按《捍卫》作者的观点,身体和体重秤会因观测体重而纠缠,那么人脑究竟能否因观星而与遥远星体纠缠?
 
再来看下所谓的“氢原子中的电子肯定不会和一个遥远的氢原子中的电子发生纠缠”。《捍卫》的作者不是量子信息专业的,他可能对这个领域的一些常识性的东西不了解。相隔遥远的两个原子,可以通过光子为媒介实现纠缠。这个不但有理论,而且有实验,例如:若干年前发表于 Science上的实验。实验中用到的独立光源远程干涉技术,目前最远距离至少有404公里,用在MDIQKD实验上。除此以外,还可以采用先分发光子纠缠对而后对各地光子和原子态作SWAP操作,则相隔遥远的两个原子(或其中的电子)完全可以纠缠。这个距离在原理上的上界值不知道,但是量子卫星的纠缠分发距离已达千公里。
 
 
单量子态测量与塌缩:现有量子理论并未说明其机制
 
朱清时院士《客观世界可能并不存在》的关键论据是量子力学自身并未给出塌缩的来源机制,而朱把这个归结为意识。这样的归结,并无实验支持。为了批评《客观》,《捍卫》作者声称塌缩的机制是清楚的:退相干,即塌缩就是被测系统与宏观系统纠缠上了。国际上确实有一些学者试图用复合系统演化来解释测量过程,然而,这个演化(子系统退相干)过程与量子态塌缩完全是两码事。
 
考虑单次测量,测量完成之后被测系统的物理量具有确定值,被测系统自身也立刻处于一个明确的本征态上。这就是说,测量完成后,任何被测系统在所测的物理量相应的空间中都得是一个纯态,即不能与任何别的东西纠缠。而《捍卫》作者退相干即坍缩的说法与此基本事实矛盾。事实上,以退相干(与大系统纠缠)观点去解释量子测量,只能给出关于测量的系综统计结果,即诸如大量粒子的平均值之类,但是无法解释单次测量结果,即无法解释量子塌缩。
 
虽然在一些其他一些领域,由于只在乎系综统计结果,所以在实际计算中你可以用退相干过程来获得那个测量统计结果,在那里不需要管单量子态塌缩的具体结果。 但是,在量子信息领域,我们经常要用到单次测量的结果,即真正涉及到量子塌缩。例如,量子态隐形传输,你要传1000个未知态,你就需要1000次贝尔测量的具体结果并根据每个具体结果对远处粒子做相应的操作。在这种情况下,只知道那总数为1000的测量结果的统计分布是没有意义的。
 
再回到朱清时院士意念说和《捍卫》的反驳。对于这一问题,我认为,朱清时院士对于量子塌缩的概念的总结是正确的(但是我不同意他随之而来的意念说)。而迄今为止量子物理学自身并不能解释塌缩的真正来源机制,这也是事实。但是基于这些,院士给出的那个意念决定塌缩依然只是一个猜想,这个猜想从来未获得严肃科学实验支持。
 
对于院士的猜想,我想给个类比:“圆周运动需要向心力和初速度。万有引力定律自身未解释月球绕地运动的初速度的来源”。此时院士猜想“来源于上帝之手”。再看《捍卫》作者的说法。他对于量子塌缩概念的理解是错的(按他的表述,我甚至怀疑他都根本没有量子塌缩的概念,即对单量子态的单次测量的具体结果),他的这个错误的理解实际上是在说“测量过程根本无需塌缩,因而院士的意念说没有存在的基础”。对于《捍卫》作者的这个说法,我再用那个月球初速度问题做个类比。他的说法就像是在说:“圆周运动根本不需要初速度,因此上帝之手没有存在的基础。科学归科学,宗教归宗教”!
 
如前所说,除非获得实验证实,我并不接受朱清时院士的意念说。但是,朱清时院士说的量子塌缩是存在的,而且至今量子理论没有回答塌缩的来源机制,这些是基本事实。不能以罔顾基本事实的方式去高举捍卫科学的大旗。
 
量子态隐形传输:最精妙点是可以传输任意未知态
 
《捍卫》对量子态隐形传输作了大量类比,例如说左鞋,右鞋。然而他忽略了最精妙的地方:可以传输任意未知态,即左鞋和右鞋的任意未知的线性叠加态。
 
若仅限于《捍卫》文中的那种情况,即被传输态非左即右,那这个量子态隐形传输没有任何价值:完成这种平庸任务根本无需预置纠缠态。对被传输态测量一下看看是左或右,通知远端制备一个左或右即可。
 
但是如果被传输态是一个任意未知态呢?原则上你无法测出它是哪个态,(尽管你可以测量,可测量获得的态并非测量前的态),但是我依然可以通过预置量子纠缠将其传至远方而不移动其实物本身。相当于什么经典类比呢?——在地月预置两堆瓦砾,它们是纠缠的。可以在不搬动大厦本身的情况下把任意形状的大厦从地球传至月球,甚至,我们在全过程中都不必知道那大厦是什么形状。
 
线性叠加原理的普遍性
 
《捍卫》作者文中还说“在物理学中,当我们谈论一个客体时(比如一个电子,一只猫,或“你的女儿”),我们要为这个客体赋予一些量。我们谈电子好了。电子有三个最重要的量,第一个是质量。不论意识去不去测量,电子的质量是固定的,大约是10的负27次方克; 其次是电荷。
 
怎么去测量电子的电荷呢?很简单,让一个运动的电子穿过磁场,看电子路径的弯曲程度就能测量它的电荷了。同样,不论我们去不去测量这个电荷,这个电荷永远不变。
 
电子的第三个重要性质是自旋,它就像一个小陀螺。电子的自旋和其质量以及电荷一样,总是不变的。“我给你一克电子,我清楚地知道这克电子里有一千亿亿亿个电子,这是永远不变的,一千亿亿亿个电子不会凭空消失,甚至连一个电子也不会凭空消失。”
 
看看它们的上下文,《捍卫》作者的这些描述看似意图要说:物理系统并非所有物理量的值都是不确定的,比如一个电子的质量就是确定的,电子不会凭空消失。我觉得《捍卫》作者还是缺乏对线性叠加原理的真正理解。如前段所说,这个原理不是说任何系统只能处于叠加态,是说它可以处于叠加态因而相应物理量没有确定值。(当然它也可以处于非叠加态即本征态因而相应物理量有确定值)。就《捍卫》作者所述的电子而言,他其实是在说,当系统处于电子数为确定值状态(本征态)时,那不论你测量与否,那里的电子数就是那么多。这个固然没有问题,但是别忘了,一个系统的电子数也可以处于叠加状态,例如一个电子与零个电子的叠加态。在这种情况下,你的确会因为测量而改变电子数,你会因为测量而发现根本没有电子或者发现有一个电子。
 
如果真正理解了线性叠加原理,我们就会看到,《捍卫》作者文中的这一段,事实上根本不能从任何意义上构成反驳《客观》一文的论据。不懂专业的人可能觉得这一段给力,那是因为他们不了解粒子数也会有线性叠加态,或者说,不了解线性叠加原理的普遍性。
 
总结《客观》一文,朱清时院士的论证是:
 
(1)物理系统可以处于这样一个叠加态:其某物理量的值原则上就是不确定的。
 
(2)对该物理量测量了,叠加态会塌缩而该物理量拥有一个确定值。
 
(3)塌缩是意念决定的。
 
当我们把院士的论证归结为上述3点后,任何基本概念清楚的人,只可能反对其第(3)点,而(1)(2)两点本来就是对的,根本无需反对,也不可能成功地反对。
 
然而《捍卫》作者像是要对院士的论证进行全面的逐条反对,不但反对其(3),也反对其(1)和(2)。他通过忽略线性叠加的普遍性反对(1),而借助量子塌缩的错误概念又轻易地反对了(2),再用哲学问题“人类历史之前世界是否存在”反对(3)。
 
《客观》一文的意念说是存疑的,但是为此而去盲目地逐条反驳该文的所有论据,恰恰会导致公众不知道要害在哪里。你可能因此而成功地让公众拒绝意念说,但也会导致公众对叠加和塌缩等概念形成误解。
 
结语
 
有些人擅长于指明原则方向,却短于说清楚具体科学问题。倘若只是追求哲学立场正确,给大家指明哲学原则就好,并不必须涉及具体科学问题。若要涉及,那就先搞清楚具体科学问题所涉及到的基本概念和基本事实,而不是高举立场正确的大旗释放错误的科学概念。
 
版权声明:原载微信公众号《墨子沙龙》,《知识分子》获授权刊载。
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