量子意識(節(jié)選)
作者:朱清時院士
剪輯:緣和
朱清時,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)前校長、中國科學(xué)院院士,1994年獲海外華人物理學(xué)會亞洲成就獎和湯普遜紀(jì)念獎。
朱院士介紹了二十世紀(jì)人類科學(xué)的最高成就——“量子力學(xué)”,指出人的意識不但和客觀世界不能分開,反而可能是自然科學(xué)理論中最為基礎(chǔ)的,客觀物質(zhì)世界正是意識產(chǎn)生的結(jié)果。
朱清時:
那么意識是什么呢?學(xué)自然科學(xué)的人都知道,意識是被科學(xué)拒之門外、唯恐避之而不及的東西。
量子力學(xué)的詭異現(xiàn)象
這部分講量子力學(xué)。當(dāng)然我不是講授量子力學(xué),我力求向南老師學(xué)習(xí),把它講得通俗,大家都易懂。
量子力學(xué)這個理論非常之怪,剛才說了二十世紀(jì)人類物質(zhì)進(jìn)步的每一個重大環(huán)節(jié),都跟量子力學(xué)有關(guān)。
量子力學(xué)創(chuàng)始人有兩個,一個是愛因斯坦,一個是玻爾。
那么量子力學(xué)最不好懂的是些什么問題呢?我先把量子力學(xué)中人們最不好懂的東西介紹給大家,而最不好懂的東西最后恰好是證明了:
1、迭加態(tài)與坍縮
量子力學(xué)的第一個詭異現(xiàn)象叫做態(tài)迭加原理和坍縮。
為了解釋量子力學(xué)觀念,我先說說普通人的日常經(jīng)驗(yàn)。
但在量子力學(xué)里就不一樣了。
量子力學(xué)的基本原理就是微觀粒子可能處在迭加態(tài),這種狀態(tài)是不確定的。
但是恰好量子力學(xué)就認(rèn)為,你要去看這個女兒在不在,你就實(shí)施了觀察的動作。
所以量子力學(xué)怪就怪在這兒:你不觀察它,它就處于迭加態(tài),也就是一個電子既在A點(diǎn)又不在A點(diǎn),既在B點(diǎn)又不在B點(diǎn)。好,你說我去觀察一下它在A點(diǎn)還是在B點(diǎn)。
那有人就會說了:你這是詭辯,你怎么知道電子不觀察它的時候,它既在A點(diǎn)又不在A點(diǎn)呢?
我先說一下干涉實(shí)驗(yàn)的概念(如上圖)。如果有一個波,經(jīng)過了兩個狹縫,出來就變成兩個子波了,這兩個子波在隨后傳播過程中就會出現(xiàn)干涉。
干涉的意思就是這兩個子波在每個點(diǎn)都迭加,在有些點(diǎn)上兩個波的運(yùn)動方向相同,波的振幅就加強(qiáng);在有些點(diǎn)上兩個波的運(yùn)動方向相反,振幅就減低,或者抵消為零。
如果用電子來做實(shí)驗(yàn)(如上圖),當(dāng)每次只發(fā)射一個電子的時候,這個電子通過雙狹縫打到電子屏上,激發(fā)出一個小亮點(diǎn),這是電子的粒子性。
電子的規(guī)律就是,它出現(xiàn)頻率高的地方,恰好是波動規(guī)律所預(yù)言的干涉條紋的亮處,而它出現(xiàn)頻率低的地方,對應(yīng)于干涉條紋的暗處。
這就是量子力學(xué)詭異的地方。這個性質(zhì),隨后有很多很多應(yīng)用。
剛才說了,電子一定要同時存在于兩個可能的狀態(tài),電子才能與自己干涉起來。
就是你一觀察,電子就在一個確定的地方出現(xiàn)了。
不對,剛才的干涉實(shí)驗(yàn)告訴我們,在沒有干涉之前,它肯定出現(xiàn)在所有地方。
懂了這個,就懂了量子力學(xué)最詭異的東西,而且隨后我們就能來證明:量子力學(xué)離不開意識,意識是量子力學(xué)的基礎(chǔ)。
搞物理學(xué)的人開個玩笑,說觀測為什么能夠改變電子的狀態(tài)呢?就好像一個男的和一個女的在戀愛時,不知道結(jié)婚的結(jié)果是好是壞,可能是好也可能是壞,是好與壞的一種迭加狀態(tài)。這個時候你想要確定是好是壞怎么辦呢?只有結(jié)婚試試吧。一結(jié)完婚,狀態(tài)就改變了,就再也不是原來的狀態(tài)了,變成只有一個狀態(tài)了,要么好要么壞。
剛才我講了半天,實(shí)際上就是和這個例子一樣。在觀察之前,大家都不知道電子處于哪個狀態(tài)。你去觀察一下,就像結(jié)婚了,那電子就出現(xiàn)在一個確定的狀態(tài)上了。這就是觀測對系統(tǒng)的影響。
2、單體的迭加態(tài):薛定格的貓---證明測量的核心是人的意識
剛才說的是量子力學(xué)第一個詭異之點(diǎn),現(xiàn)在我們來看看這個詭異之點(diǎn)往下推論,能夠推出什么結(jié)果。最后結(jié)果會使大家認(rèn)識到,意識是量子力學(xué)的基礎(chǔ),物質(zhì)世界和意識不可分開的。
這個實(shí)驗(yàn)是量子力學(xué)的創(chuàng)始人薛定諤提出的,被稱為“薛定諤的貓”。薛定諤的本意是想批駁量子力學(xué)和量子力學(xué)的態(tài)迭加,他認(rèn)為一個東西既存在這個狀態(tài),又存在那個狀態(tài),像女兒即在客廳,又不在客廳一樣,那是荒謬的。
他就想了個辦法來批駁量子力學(xué),結(jié)果沒有批駁好,最后反而證明了量子力學(xué)最詭異的地方,也就是意識和物質(zhì)不可分開。
現(xiàn)在我來說薛定諤的實(shí)驗(yàn)是什么(如上圖):把一只貓放進(jìn)一個封閉的盒子里,然后把這個盒子接到一個裝置上,這個裝置包含一個原子核和一個毒氣設(shè)施。原子核有百分之五十的可能性發(fā)生衰變,衰變的時候就會發(fā)射出一個粒子來,這個粒子一發(fā)出來就會觸發(fā)毒氣設(shè)施,毒氣一觸發(fā)就會殺死這只貓,這是他想象中的一個實(shí)驗(yàn)。
根據(jù)剛才說的量子力學(xué)的態(tài)迭加原理,沒有觀察的時候,原子核是處于已經(jīng)衰變和沒有衰變的迭加狀態(tài),就是它既可能衰變了又沒有衰變,它是兩種狀態(tài)的迭加,就像電子既在A點(diǎn)又不在A點(diǎn)一樣,這個原子核既衰變又沒有衰變,50%幾率衰變,50%幾率不衰變。這個時候貓的狀態(tài)是可能活著,也可能死了,就是說貓也處于這種既死又活的迭加狀態(tài)。
貓可能處于這種狀態(tài)嗎?聰明人可能會說:那你打開盒子一看不就行了嗎?但是打開盒子一看,就是作了觀測,貓就只能是死或者活了。
大家都不承認(rèn)有這種狀態(tài)。但是量子力學(xué)的詭異之點(diǎn),量子力學(xué)的態(tài)迭加原理就是說:你在觀察之前,貓就是處于既死又活的狀態(tài)。這個問題爭論了很長時間。怎么辦?
量子理論很確定,這是毫無疑問的,如果沒有揭開蓋子沒有觀察,那薛定諤的貓的狀態(tài)是死與活的迭加,這只貓永遠(yuǎn)處于同時是死又是活的迭加態(tài)。這與我們的經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重違背。
這個貓是死了還是活著?既死又活是同時存在的,量子力學(xué)就認(rèn)為兩者同時存在。那么怎么可能既死又活同時存在呢?人不能想象這種狀態(tài),于是大家就把這個實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步討論下去。
事后我問在毒氣室里戴防毒面具的朋友,貓是死是活?朋友肯定會回答,貓要么是死要么是活,不會說是半死不活的。
維格納總結(jié)道,當(dāng)朋友的意識被包含在整個系統(tǒng)中的時候,迭加態(tài)就不適用了。即使他本人在門外,箱子里的波函數(shù)還是因?yàn)榕笥训挠^測而不斷地被觸動,因此只有活貓或者死貓兩個純態(tài)的可能。
大家想過沒有,牛頓第三定律說作用力與反作用力是相等的。
所以波函數(shù),也就是量子力學(xué)的狀態(tài),從不確定到確定必須要有意識的參與,這就是爭論到最后大家的結(jié)論。
量子力學(xué)的基礎(chǔ)就是:從不確定的狀態(tài)變成確定的狀態(tài),一定要有意識參與。
到這一步,我們對量子力學(xué)的詭異已經(jīng)有所了解了,詭異的基礎(chǔ)實(shí)際上是:意識和物質(zhì)世界不可分開,意識促成了物質(zhì)世界從不確定到確定的轉(zhuǎn)移。
剛才講了量子力學(xué)兩個詭異之點(diǎn),詭異之點(diǎn)到最后就達(dá)到了物質(zhì)世界離不開意識,意識是物質(zhì)世界的基礎(chǔ),意識才使物質(zhì)世界從不確定到確定,發(fā)生這樣的坍縮,也就是變化。
3. 多體的迭加態(tài):量子糾纏
現(xiàn)在再來講量子力學(xué)第三個詭異之點(diǎn),這個和前面講的狀態(tài)有關(guān),是它們的直接結(jié)論,叫做量子糾纏。
量子糾纏與“薛定諤的貓”是類似的,只不過“薛定諤的貓” 講的是同一個東西處于不同的狀態(tài)的迭加,量子糾纏講的是如果有兩個以上的東西它們都處于不同的狀態(tài)的迭加,它們彼此之間有什么關(guān)聯(lián)。
量子糾纏最典型的例子是:如果有一個原子在空中爆炸,它變成了兩個碎片向兩個方向飛去。這兩個碎片的狀態(tài)一定有明確的關(guān)系,比如角動量守恒就告訴我們,這兩個碎片的狀態(tài),如果一個角動量是正的,另一個角動量一定是負(fù)的,這樣它們的和才是零。
在沒有被人檢測的時候,兩個碎片都是處于不確定的狀態(tài),比如它們的角動量既可能是正,也有可能是負(fù)。而一旦被人檢測,受測的碎片馬上選擇一個確定的角動量,或者正的,或者負(fù)的;另一個未檢測的碎片,也馬上選擇與之相反的狀態(tài),或者正的,或者負(fù)的。
這就是剛才講的兩個的狀態(tài)從不確定到確定。
一旦寄出去了,寄的過程中不確定,但是一個人只要觀測了他收到的手套是左手的還是右手的,另一個人不用觀測就知道了。這就是糾纏的一個例子。
這就和“女兒在客廳里還是不在客廳里”一樣,大家覺得在不在客廳里是早就確定了的,只不過你沒有去觀察。
就好比這個手套在寄出以后,在還沒被觀測之前,它是不是確定呢?肯定不確定。只有在你確定了其中某一個的狀態(tài),另一個的狀態(tài)立刻就變化了,也變得確定起來了。這種關(guān)聯(lián)就叫作量子糾纏。
大家也許很難理解這個糾纏,說實(shí)話,這個已經(jīng)超出了我們?nèi)祟惖睦斫饽芰Φ姆秶猓阒荒苋ピ噲D想他、接受他,跟我們?nèi)粘I钪械目陀^經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)不符了。r> 我再舉個例子。人跟人之間的關(guān)系也是有這種糾纏關(guān)系,比如我跟我兒子之間的關(guān)系。我們一個父一個子,如果有一天媳婦生了一個孩子,雖然我完全不知道,但是我也馬上晉級為爺爺了。晉級跟我知不知道沒有關(guān)系,兒子晉級了,做爸爸了,我作為爺爺?shù)臓顟B(tài)也就馬上明確了,這個也是一種糾纏。
這個例子還說明糾纏的一個重要特點(diǎn):糾纏一方得到的任何信息,另一方也會馬上感到,不需要信息傳遞。這一點(diǎn)很重要,后面要用到。
這種糾纏的例子大家還容易理解,但是對于物質(zhì)世界的糾纏大家不太容易理解,原因就在于大家的觀念都認(rèn)為一個事物永遠(yuǎn)都有個確定的狀態(tài),但是量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)微觀世界的事物,在還沒被觀察之前沒有明確的狀態(tài)。
大家記住量子糾纏就是對于多個微觀物體,在被觀察之后,它們的狀態(tài)會從不確定到確定,作一個有關(guān)聯(lián)的突變。
我先來說,非量子力學(xué)的經(jīng)典物理學(xué)的信息傳輸。比如一位女士有一本書,或者任何信息,她想傳輸?shù)揭晃荒惺渴稚先ィ@個男士在紐約,兩個人根本看不見。
量子信號傳輸就完全不同了。量子信號的傳輸利用量子糾纏態(tài)。
如果這位女士與男士離得很遠(yuǎn),一個在火星上,一個在地球上,他們可以用量子糾纏來傳輸信息。
經(jīng)典物理傳輸后所復(fù)制出來的,只是紙上圖像的信息,沒有復(fù)制出任何“實(shí)體”本身。
這個工作現(xiàn)在在全世界做得最領(lǐng)先的是歐洲國家,然后就是中國。中科大有個年輕教授叫潘建偉,他做這個在全世界很有名,做得很好。這個量子隱性傳輸能夠?qū)崿F(xiàn),就使得人類有這種可能:
可以把在地球上某個東西的全部信息傳到火星上去,而且瞬間就傳播了。現(xiàn)在傳播的是某個東西的全部信息,總有一天能實(shí)現(xiàn)把一個人的全部信息傳遞到火星上去,然后在那個地方用原子組裝出來,不就變成傳輸了一個人了嗎?
這個超遠(yuǎn)距離隱性傳輸,就類似于中國古典小說中的幻想。
我講這個,主要想讓大家理解并記住,如果兩個地方的物質(zhì)處于糾纏態(tài),從糾纏的一方的所有信息可以瞬間傳遞到糾纏的另一方去,這種傳輸沒有時間空間的限制,是瞬間傳播的。
這是量子力學(xué)第三個詭異的地方。
意識是量子物理現(xiàn)象
因此是念頭產(chǎn)生了“客觀”,念頭就是測量,客觀世界是一系列復(fù)雜念頭造成的。
在量子物理中,這種沒有確定的狀態(tài),一被觀測,也就是人的意識一參與,基本粒子的波函數(shù)就開始坍縮了,電子就會出現(xiàn)在個確定的位置,就出現(xiàn)某種客觀實(shí)在,所以客觀實(shí)在產(chǎn)生于意識參與的測量。
起心動念的時候意識本身就不再自由了,它突然就坍縮到個具體的概念之上了。
好,謝謝。
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