用户注册 登录
珍珠湾全球网 返回首页

岳东晓 -- 珍珠湾全球网 ... http://ydx.zzwave.com [收藏] [复制] [分享] [RSS] 岳东晓 -- 珍珠湾全球网

日志

量子观测与薛定谔猫之意识

热度 6已有 1619 次阅读2017-7-7 09:35 |个人分类:科普|系统分类:教育

前些天我院子里两只American Robin 搭建了一个窝,抚育了三只小鸟,我进行了全程跟踪。第一次近距离观察小鸟的成长与鸟爸、鸟妈对小鸟的精心爱护,感慨良多。从量子力学角度,小鸟们即使没有我的关注,没有我有意识的观测,也有鸟爸妈的关注与观测,照样会健康成长。即使它们离开鸟爸妈,当阳光照在它们身上,当风托起它们飞翔的翅膀,它们的引力也在牵动整个地球。


读者可能会问,你在说什么? 你不去监视小鸟,小鸟当然存在,说不定还过得更好。读者当然说的对。但量子力学创建以来,很多正常的想法被打了一个大大的问号。爱因斯坦就曾尖锐地质问道:“Do you really believe the moon is not there when you are not looking at it?” (你真的相信你不看月亮的时候月球就不在那??) 为什么爱因斯坦会提出这种问题呢。要了解这一点,我们得简单地讲讲量子力学的基本原理。

在经典物理里,一个物理系统是用能观测到的物理量描述,如物体的位置、速度等等。根据量子力学,一个物理系统是用所谓态矢量(state vector)描述(态矢量的坐标表达叫波函数)。矢量基本属性是:两个矢量叠加也是矢量。这个矢量叠加的规则其实是纯粹的数学。但当我们把它运用于物理现实的时候,令人费解的问题马上就出来了。举例说明。一个弹簧振子可以处于振动状态 , 用 DIRAC 发明的符号 我们写成 |振动>;也可以处于基态--用不振表示 ( |不振>)。这两者在经典力学与量子力学里都是可能的态。但量子力学的叠加原理称,一个弹簧的态可以是这两者的叠加,也就是 |振动> + |不振>。前面系数还可以不同,如 0.5* |振动> + 0.7 * |不振>。 这用数学式子表达容易,你也可以算出很多物理属性,跟实验结果屡对比试不爽。但用自然语言来描述就难了,不振动又振动,既振动又不振动。完全超出了我们日常的经验。

按照我们的日常经验,弹簧振子或者在振动,或者不在振动,怎么可能两者都是、两者又都不是,色即是空,空即是色乎?这么奇怪的理论如果单纯根据直觉,可能会被当成无稽之谈简单排除。但从伽利略开始,物理科学进入了数学化时代,自然规律是用数学语言表达的信念深入人心。回顾物理学的发展,不仅量子力学基于数理逻辑,爱因斯坦的相对论,甚至牛顿力学也都如此。理性的翅膀使我们能够超越经验的束缚,揭示自然深层、宇宙边际的奥秘。尽管量子力学创立之初并没有太多的实验直接支持叠加态的存在,量子力学的先驱者们在数理逻辑上基础上仍然义无反顾的前行。

最初,人们认为量子叠加只适用于微观世界,宏观世界必须用经典力学。微观世界充满不确定性,宏观世界黑白分明。但薛定谔设计了一个思想实验作为反例:一个箱子里关着一只猫,箱子里有放射性原子,如果原子发生衰变,释放出射线,就会触发一个毒药装置,猫就死了;如果原子不衰变,则猫安然无事。原子是微观量子系统,其态函数为衰变与不衰变的叠加,|衰变> + |不衰变>;猫是宏观系统,但猫也是巨大数量的分子、原子构成,态函数虽然复杂,我们可以有|死猫>与 |活猫>两种态。原子衰变与否,肉眼看不到;猫的宏观死活状况可以视为原子状况的放大器(或者观测器)。两者作为一个组合系统,有两种情况: 一是 |衰变> |死猫>, 二是 |不衰变> |活猫>。薛定谔说,原子与猫组合系统处于 |衰变> |死猫> + |不衰变> |活猫> 的量子态,原子衰变与否跟猫的命运密不可分,这叫做所谓量子纠缠 。如果单单看猫,它似乎处于既死又活的状态。这就是所谓薛定谔猫。




薛定谔猫并非天方夜谭。近年,随着技术的发展,已经可以将宏观物体置于量子叠加态。2010年,加州大学(UCSB)的一个实验小组成功将一个肉眼可见(约0.1毫米)的微型机械音叉置于既振又不振的量子叠加态,从而证明量子力学对于宏观物体同样适用。(Ref 1)

那么,处于叠加态的猫到底怎样了呢? 根据量子力学,当叠加态被观测的时候,它就坍缩到其中一种态。按薛定谔的说法,当你打开箱子去看的那个瞬间才确定了猫的命运。

长期以来大部分哲学家(以及少量物理学家)把观察导致量子态坍缩误解为人类意识的作用,好像客观世界依赖主观意识而存在。从这个理解谈量子力学与意识的关系可谓误入歧途。读者试想,为什么猫的死活需要智慧动物用眼睛去看呢?我院子里的小鸟不也有眼睛吗?什么是看?是光子从猫身上反射到眼睛,导致眼睛里的某些分子的电子发生量子跃迁,引发物理化学反应,产生神经电信号传到大脑,等等等等一系列量子物理过程。以此继续类推。物理测量不是一个人拿着仪器去读数据,而是通过相互物理作用,把被测量系统的物理信息传递到另一个系统。

薛定谔的猫是一只孤独的、理想的猫。UCSB实验中的机械音叉的机械振动频率为 6GHz。根据量子力学,其基态振动的能量等于普朗克常数乘以频率 , E= h * f。我们可以估算一下。宇宙微波背景辐射频率约 160 GHz,相当于 2.7 K 温度。那么,6GHz 的量子振动相当于 0.1 K 的温度。要进行试验,温度必须低于0.1 K,还得屏蔽各种环境辐射。

而真正的猫永远处于被环境监测的状态,箱子射出的红外光子、宇宙微波背景辐射的巨大数量光子从不同角度、以不同频率不断地打在猫咪的身上,带走它生命的体征信息。不但是光子在监测,还有声子:猫的心跳声通过箱璧分子之间的量子耦合作用,传到箱子外壁,撞击空气分子,把信息传了出去。猫命的物理确定不需要等待猿猴完成向智人的进化。量子态【从不确定到确定必须要有意识的参与】之类谬论源自对“观测”一词望文生义的理解。

抛弃所谓意识确定现实的谬误之后,我们可以从物理上讨论量子态坍缩。所谓坍缩的假设看起来非常突兀,其实是基于这样一个原理:对物理系统的重复观测应该得到同样的结果。从这个可重复性,我们要求系统被观测一次后处于所谓的本征态 (eigenstate)。重复的同样的观测,eigenstate 不会变化。在量子物理计算中我们一般并不需要考虑单个系统的所谓量子坍缩。一般的计算是多体系统的期待值(一个态的物理量概率值)或者散射(从一个态到另一个态的几率)。对这个所谓波函数坍缩问题,物理学家也就不会做太多的思考。波函数瞬间坍缩是破坏量子系统自然演化 (unitary)的魔法之手。而凡是物理学没有明示之处就给形而上学、神秘主义乃至神学提供了施展的舞台。

但稍作思考之后,我们发现波函数坍缩并非真正的第一原理。实际的物理测量是一个具体的物理作用过程,包括被测量系统、测量仪器以及环境。三者都应该用量子力学描述。测量的过程是被测量系统的目标物理信息被部分转移到仪器与环境系统的过程,也就是所谓的量子纠缠与退相干(decoherence) 。(Ref 2) 简略地说,设系统 s 与环境 e 处于下列的纠缠态:

$|\psi\rangle = \sum_{i} \alpha_i \ |s_i\rangle |e_i\rangle$

其密度矩阵为 

$\rho = |\psi\rangle \langle\psi| = \left (\sum_{i} \alpha_i \ |s_i\rangle |e_i\rangle \right ) \left ( \sum_{j} \alpha_j^{*} \ \langle e_j|\langle s_j| \right ) $

对 环境部分取 trace,利用 e 之间的正交关系,我们有

$\rho_s = {Tr}_{e} \rho = \sum_{k} \langle e_k| \left ( \sum_{i} \alpha_i \ |s_i\rangle |e_i\rangle \right ) \left ( \sum_{j} \alpha_j^{*} \ \langle e_j|\langle s_j| \right ) |e_k\rangle\\ = \sum_{k} |\alpha_k|^2 \ |s_k\rangle \langle s_k|$

这就得到了一个经典概率的密度矩阵。

近年来,相关的理论分析与模型计算得到了相当的进展。单纯从量子力学(如薛定谔方程)出发,计算被测量系统+测量仪器+环境的演化,发现被测量系统会在极短的时间内“坍缩”到一个本征态。量子坍缩不是空穴来风,更不是神秘的意识作用,而是可以从第一原理 (first principles)推导出来的客观规律。

量子物理是现代科技的基础。没有量子物理,就没有半导体、计算机、激光、核磁共振等等发明。没有量子物理,我们甚至无法理解为什么电子不会掉到原子核里,一切灰飞烟灭。消除了概念错误之后,我们发现量子物理与东方神秘主义风马牛而不相及。



1. Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator A. D. O’Connel et al.  Nature 464, 697-703 (1 April 2010)


2. Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory By Erich Joos, H. Dieter Zeh, Claus Kiefer, Domenico J. W. Giulini, Joachim Kupsch, Ion-Olimpiu Stamatescu



后记:珍珠湾的网友去年转帖了《量子理论对每个人的生存意义—中国科学院朱清时:量子意识(人人能懂)》一文,大家请我科普一下。前些天徐令予 老师也期待我写篇文章。我一直拖到今天才写。希望大家多提问题、建议,以完善不足之处。


路过

鸡蛋
4

鲜花

支持

雷人

难过

搞笑

刚表态过的朋友 (4 人)

 

发表评论 评论 (6 个评论)

回复 稻草 2017-7-7 13:55
菩提本无树,明镜亦非台。
佛性常清净,何处有尘埃!
心是菩提树,身为明镜台。
明镜本清净,何处染尘埃!
菩提本无树,明镜亦非台。
本来无一物,何处惹尘埃!
菩提只向心觅,何劳向外求玄?
回复 稻草 2017-7-7 13:57
因为观察弄出的事非,这是你观察者问题,量子仍然是波粒二象的。如果你的观察仪器能够波粒二象,那就一切皆明。因此说:“本来无一物,何处惹尘埃”!
回复 稻草 2017-7-7 14:00
波函数这种数学太肤浅了,我搞了一种新的几何学,描述很明白,随便你什么鬼态都一看就明白。
回复 Wavelet 2017-7-8 10:12
Beautiful article. For an outsider, it is just a wonder.

BTW, I somehow can see "[Math Processing Error]". Is it intentional? Maybe for the purpose of demonstrating the Quantum entanglement?
回复 admin 2017-7-8 11:01
Wavelet: Beautiful article. For an outsider, it is just a wonder.

BTW, I somehow can see "[Math Processing Error]". Is it intentional? Maybe for the ...
What browser are you using? Do you see math formulas at all?
回复 Wavelet 2017-7-8 12:06
admin: What browser are you using? Do you see math formulas at all?
Well, I could not see the formulas, but somehow I can see it now. Nice.

facelist

您需要登录后才可以评论 登录 | 用户注册

Archiver|手机版|珍珠湾全球网

GMT+8, 2017-10-22 03:17 , Processed in 0.032561 second(s), 9 queries , Apc On.

Powered by Discuz! X2.5

回顶部