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与朱清时院士商讨:量子塌缩与多世界诠释、测量与实在以及量子纠缠

作者按:
 
朱清时院士发表了两篇讨论量子和佛学的文章,一篇是《物理学步入禅境——缘起性空》,一篇是《客观世界很有可能并不存在》,引起了很大反响。李淼老师对其中一些观点表示异议,写了一篇题为《量子世界观和佛教世界观是否相似?量子力学是否支持人类灵魂的存在?》的文章,阐述了自己的观点。受两位老师的文章启发,不揣浅陋,草就本文,以见教于大方。
 
撰文 | 杨荣佳(河北大学教授)
 
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量子塌缩与多世界诠释
 
除了上面提到的那两篇文章,朱清时院士还有一篇非常有名的题为《量子意识》的文章。朱院士在文中谈到“波函数塌缩”、“薛定谔猫”和“量子纠缠”等量子物理现象,并得出结论:“物质世界离不开意识,意识是物质世界的基础,意识才使物质世界从不确定到确定。”
 
朱院士在文中说:电子可以同时处于两个不同地点,电子有可能在A点存在,也可能在B点存在,电子的状态是“在A点又不在A点的迭加”。李淼老师则认为,在测量时电子只能在一个地方出现,且不管有没有测量,电子都是存在的。
 
其实,即使没有测量或者相互作用,电子也不会无处不在,而是以一定的概率在空间某点出现,这个概率是由波函数的模方决定的,不同的空间点有不同的概率。比如,电子出现在A点的概率是0.5,在B点出现的概率是0.00001,那么相对于A点,电子在B点出现的概率几乎为零。藉此,如果你说电子无处不在,就不大妥贴。
 
在测量时,意识是否会直接对测量结果产生影响,仍是一个争议。在朱院士看来,是意识导致了波函数的塌缩,从而创造了物质世界。李老师反诘:如果是意识造就了物质,在人类出现之前,难道地球太阳就不存在了吗?当然,我们还可以问,比如,如果实在是意识测量时波函数塌缩的结果,那么你看到的是一朵花,别人是不是有可能看到的就是一只鸭子了?
 
当然,沿着“意识决定实在”的思想,有一种可以反驳以上反问的方案:即存在一个独立于自然独立于宇宙的意识存在,这个意识可以是基督教所说的上帝。这样,我们就进入了宗教。
 
只要有相互作用,不管有没有人的意识参与,波函数都会塌缩,比如打到墙上的光子。另外,研究中的测量,不仅仅只涉及意识活动,还涉及物质活动,比如仪器操作。毫无疑问,意识活动在构想实验的时候起着主要作用,不过在具体的测量过程中,基本还是通过仪器来进行,比如Planck卫星对微波背景辐射的探测,研究人员恐怕没有谁愿意骑在卫星上直接通过意识进行观测吧?科学实验最重要的一点,就是要尽量地排除人为因素,做到尽可能地客观。只有这样,别人才有可能重复,从而进行验证。
 
其次,哥本哈根诠释面临的最大挑战就是无法解释“量子塌缩”。为了避免这样的疑难,Everett提出多世界诠释。以“薛定谔猫”为例:当观测者未观测之前,猫处于“活”与“死”的迭加态。观测者进行观测时,观测者和猫组成了一个新的大系统。这个大系统由两个子系统组成:一个是观测者和活猫的子系统,一个是观测者和死猫的子系统。这两个子系统就相当于两个平行世界,观测者在子系统观测时不会发生干扰,从而不会导致“量子塌缩”。因此,根据多世界诠释,测量时不会发生“量子塌缩”,因而也就不会有朱院士所说的“意识导致量子塌缩从而导致客观物”的产生。
 
测量与实在
 
在展开讨论之前,我们有必要对涉及的“实证主义”和“实在主义”这两个术语作简要的说明。“实证主义”说的是:我测到什么就是什么,在测量之前,我无法对客体给出任何描述。“实在主义”是说:存在一个不依赖于人的客观世界。
 
爱因斯坦是实在主义者,玻尔是实证主义者。以“黑匣子里的电子”为例,在爱因斯坦看来,不管测不测量,匣子里的电子都有确定的自旋方向,无论左右;而在玻尔看来,在没有测量之前,电子是左旋还是右旋,我们无法得知,只有测量了,我们才知道那一刻电子是处于哪一个自旋态。爱因斯坦抱怨道,我们不观测时,难道月亮就不存在吗?
 
爱因斯坦和玻尔都不可能全对:意识活动能对客观世界产生影响,但并不是直接的、唯一的影响。
 
在测量实施之前,我们大脑会先有一个关于测量的设想,这应该属于意识活动。然后,选用一定的仪器、方法、步骤,实施实验设想,再进行相关测量。也就是说,测量是离不开人类意识活动的,广而言之,人类的活动都离不开意识。如果夸大这种“观察者效应”,就会导致类似魏格纳(Eugene Wigner)的想法,他说:“顺理成章地,对物体的量子描述受进入我意识中的意念所影响。”朱院士也犯了类似的错误,从而得出“意识产生物质”的结论。
 
举一个很简单的例子:在人类出现之前,手机存在吗?当然不存在。最先提出无线通讯构想的可能是特斯拉(Nikola Tesla),但在手机出现之前,无线通讯的构想还属于一种意识活动。在这里,虽然意识活动起到了很重要的作用,但意识并未直接创造物质,如果没有人类知识的积累和科技的发展、以及手工和机器生产等物质活动,手机也不会成为现实。
 
如果把宇宙间的一切事物分为自然世界和人造世界,自然世界不是人的意识创造的,但人类的意识活动会对其造成一些影响。对于人造世界,在某种意义上,我们可以说是人类所特有的意识活动和物质活动所创造的。
 
但这并不是说意识有时候是第一性的。相反,应该是先有物质,然后才有相关意识,意识反作用于物质。比如特斯拉关于无线通讯的构想,也是基于法拉弟和麦克斯韦等人关于电磁场相关规律的知识。在法拉弟之前,比如人类智慧的象征之一的牛顿也没能提出移动通讯的构想。
 
物质第一性还是意识第一性,是哲学第一大根本问题。学过唯物主义的人大概都知道,物质应该是第一性的。在朱院士那里,是意识造就了物质,意识是第一性的。唯心主义者,可能会比较倾向于认同朱院士的观点。
 
量子纠缠
 
量子纠缠往往被人滥用,特别是一些媒体,喜欢用诸如“鬼魅般的超距作用”来形容,容易误导大众。在爱因斯坦及其合作者的那篇关于EPR(Einstein-Podolsky-Rosen paradox,即EPR悖论)的原始论文中,有一个经常被人忽略的假设:不存在相互作用。如果有相互作用,用玻尔反驳爱因斯坦的话说:两个粒子仍是一个系统,没有其它关联。而爱因斯坦他们认为在两个粒子离得足够远,不能用相互作用来联系的时候,也可能存在某种关联,这就是后来提出的 “量子纠缠”。现代科学的发展,似乎表明爱因斯坦是正确的。
 
关于量子纠缠,李淼和朱清时两位老师都用了“手套”来做比喻,很容易让人理解。朱院士在文章中说:人脑中海量的电子互相处于纠缠态,还和宇宙中其它电子处于纠缠态。这样说是很不准确的。量子纠缠虽然很诡异,但在现实中却难以发生。要使两个电子产生量子纠缠,根据爱因斯坦他们在论文中的假设,这两个电子之间不能有相互作用。考虑粒子全同性,两个电子一般可以形成量子纠缠。但是,如果存在相互作用或者外界干扰,这种量子纠缠很快就被破坏掉了。所以,人们不必担心,当你看到地上一坨狗屎的时候,你大脑中的电子会和屎中的电子形成量子纠缠。
 
朱院士关于“观测者和被观测物中的电子相互纠缠”的观点和前面提到的朱院士关于“意识导致波函数塌缩从而决定实在”的观点也是相互矛盾的。举个例子:根据朱院士“观测者和被观测物中的电子相互纠缠”的观点,当你看到一只狗的时候,你大脑中的电子和狗身上的电子形成量子纠缠;而朱院士关于“意识导致波函数塌缩从而决定实在”的观点,你的意识可能不愿意这种纠缠发生。那么,这种纠缠到底会不会产生?
 
大概在2013年左右,为了解决“黑洞火墙”疑难,两位著名的理论物理学家Maldacena和Susskind提出一个大胆的猜想:ER=EPR。ER表示爱因斯坦(Einstein)和罗森(Rosen)在一篇合作论文中提出的“虫洞”,EPR表示Einstein、Podolsky和Rosen在他们合作论文中发现的量子纠缠。这个等式揭示了虫洞和量子纠缠可能存在某种神秘的联系,甚至在某种程度上是等价的:它们或许以不同的方式描述了同一个根本现实。
 
量子纠缠可能比我们所想象的还要诡异,也许它是打开人类理解时空生成的奥秘的钥匙,甚至有可能帮助人们理解意识是如何起源的。但是没有意识,量子纠缠也可能是存在的。
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