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日志

观测与坍缩 -- 量子佛学之辩

热度 1已有 758 次阅读2017-7-24 12:24 |个人分类:科普|系统分类:教育

去年网友们转帖了一篇博文 (《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)》),内容是朱清时院士的量子佛学。当时,大家想请我讲讲看法。我之前写过一些量子力学的科普,但并没有涉及这些基本问题。另外,我觉得佛学也好、道教也罢,用物理来阐释,不管对错,至少也是向科学靠拢。朱院士普及量子力学概念的作用不可忽视,也给相关科普提供了读者群。最近,我写了这篇 《量子观测与薛定谔猫之意识》,着重讲了量子物理跟经典物理的区别,也是作为分析朱清时量子佛学的铺垫。在这篇博文里,我就朱院士的一些说法进行具体的针对性分析。


在《量子观测与薛定谔猫之意识》一文中,我讲了什么是“观测”。量子物理里的“观测”不是说一个人用眼睛去看,用头脑去思考看到的结果。人的观测是一个主观的过程。而物理中所谓观测,是物理系统之间的相互作用与由此导致的信息传递,这是客观的过程。阳光照在一块石头上,就是物理上的观测:石头的位置、颜色等信息通过光子的反射被带走。明白了这一点之后,量子佛学的误区在哪读者自己可以判断了。我们一起看看。

朱清时是这么说的:

量子力学就像说你的女儿既在客厅又不在客厅,你要去看这个女儿在不在,你就实施了观察的动作。你一观察,这个女儿的存在状态就坍缩了,她就从原来的,在客厅又不在客厅的叠加状态,一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了。所以量子力学怪就怪在这儿:你不观察它,它就处于叠加态,也就是一个电子既在A点又不在A点。你一观察,它这种叠加状态就崩溃了,它就真的只在A点或者真的只在B点了,只出现一个。那有人就会说了:这是诡辩,你怎么知道电子不观察它的时候,它既在A点又不在A点呢?好,这就是量子力学发展过程中,很多实验确证的事情,其中一个最著名最重要的实验,就是干涉实验证实。电子同时在两处。电子在没有观测的时候,没有确定的状态。所以这件事是量子力学最诡异的事情。懂了这个,就懂了量子力学最诡异的东西,而且随后我们就能来证明:量子力学离不开意识,意识是量子力学的基础。。。

(薛定谔猫的介绍略去)
维格纳认为,意识可以作用于外部世界,使波函数坍缩是不足为奇的。确实只能这样认为。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变。。。我们的意识能够受外部世界的影响而改变,大家都觉得没有问题,对吧?人的意识就是受外界客观世界的影响改变了,随时都在变化。那为什么客观世界就能改变意识,意识就不能改变客观世界呢?他就说意识是能够改变客观世界的,意识改变客观世界就是通过波函数坍缩,就是使不确定状态变成确定的状态,这样来影响的。所以波函数,也就是量子力学的状态,从不确定到确定必须要有意识的参与,这就是争论到最后大家的结论测量的核心是人的意识。自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的,现在量子力学发展到这个地步,居然发现人类的主观意识是客观物质世界的基础了。因为量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。刚才说过了,二十世纪人类技术进展都跟量子力学有关,而且量子力学经过了最精确的实验验证。量子力学的基础就是:从不确定的状态变成确定的状态,一定要有意识参与这是物理学的一个重大成就。到这一步,我们对量子力学的诡异已经有所了解了,诡异的基础实际上是:意识和物质世界不可分开,意识促成了物质世界从不确定到确定的转移

上面的内容除了我用红字加重标出的地方外,可以说是正确的。如果作为量子物理科普,有这么多可取的内容应该不错了。那么,红字部分问题在哪呢?从上下文看,有一个明显的逻辑断链。人能够改变客观世界,而人的活动是由人的意识控制的,这没错。我看到一个树上一个苹果,伸手把它摘下来,我的意识导致了“波函数”的一系列坍缩,我的意识确实改变了世界。但我的意识能改变客观世界不等于客观世界都是我的意识决定的。A -> B 不能推出 B->A ,这是常识。我能摘下一个苹果,不能说明所有的苹果必须有我的意识才能从树掉下来。所以,维格纳被引用的说法没错,但基于维格纳的推理就逻辑倒置了。

为什么会出这种错误而没有启动纠错思维机制?我认为,根源是因为对“测量”一词望文生义,以为“测量”是一个人在有意识地操作,先入为主的误以为量子物理里的“观测”需要一个人的思维的参与。而测量其实是客观的物理作用过程。

朱院士提到量子力学的创始人对量子的观念都没有完全理解。但物理学是一门不断发展的科学。物理学从来不把所谓“鼻祖”的话当圣经。一门学科的创始人不见得是观念最清楚的。量子力学的创始者们都是经典物理的好学生,他们的物理图像不可避免地被经典物理的框架所约束。从蛛丝马迹的物理现象中推演出来的量子理论,很长时间内并没有直接的实验证明,量子力学的争论往往是基于“思想实验”。以电子的双缝相干实验为例,直到1961年才得以实现。

在双缝实验中,粒子射向一个有两条缝的障碍。根据量子力学,一个粒子通过障碍有两种可能,设通过第一条缝的态称为 $|\psi _1\rangle$,通过第二条缝的态称为 $|\psi _2\rangle$,则粒子通过障碍的态为两者的叠加:$| \psi\rangle = \psi _1\rangle + |\psi _2\rangle$。如果在双缝后面放置一个屏幕看粒子到底在哪,就等于计算 这个叠加态的幅度大小: $\langle \psi|\psi\rangle = |\psi_1|^2 +|\psi_2|^2 + \langle \psi_1|\psi_2\rangle + \langle \psi_2|\psi_1\rangle$。前面两项是粒子分别通过一个缝的几率的叠加,这是经典的几率(也就是通常意义的几率)。假设我们把红色与绿色两个球放在口袋里,随便拿出一个球。拿出的球的颜色有不确定性只是因为手感觉不到颜色(如果两球的其他属性没有区别),表现的结果是经典几率,其底层的物理态完全是确定的。量子世界特有的不确定性在于系统的态可以是两个态的叠加,好比一个球可以同时有两种颜色。上面公式中,后面两项表达的是典型的量子效应,是两个态的相干。从数学上看,这与水波、电磁波的相干类似。但是一个粒子通过双缝,只会在屏幕上留下一个点,让很多粒子一个接一个过去,看最后的结果,才发现粒子有一个相干的分布,导致屏幕上出现条纹 -- 有的位置粒子多,有的位置粒子少,呈现一定的周期性变化。

有些科普作品与科幻小说中说一个粒子同时通过两个缝,产生干涉。这是一个容易引起误解的说法。一个粒子就是一个粒子,不会分成两个。所谓波粒二象性的波是指粒子的传播几率振幅(复数),而不是指粒子本身在扭摆前进,更不是说粒子变成模糊一片、分成两块。但很多人在考虑这个粒子走“哪条路”问题的时候,一半的思维停留在经典世界里,把这个路径判断当成一个独立的、非此即彼的经典过程。而实际上,整个物理世界都是量子的。一旦引入路径测量,就不能把粒子视为独立的系统。假设一个粒子走路径1 ($|\psi_1\rangle$),那么我们的探测装置应该能够在路径1的情况下做出一个特殊的反应,从初始状态进入一个对应的 $| D_1 \rangle$ 态;而如果粒子在$|\psi_2\rangle$,探测装置就需要进入一个不同的 $| D_2 \rangle$ 态。我们可以想象成,如果粒子从第一条缝过去,那么探测器会举起一个上面写着1的旗子;如果从第2条缝过去,则举起上面写着2的旗子。如果粒子处于叠加态 $| \psi\rangle = |\psi _1\rangle + |\psi _2\rangle$, 则粒子+探测器系统应该处于这样的纠缠态:

$| \psi_{pd}\rangle = |\psi _1\rangle |D_1\rangle + |\psi _2\rangle |D_2\rangle$

这样的态无法将粒子与探测器独立分解,必须一起考虑。计算 $| \psi_{pd}|^2$,我们发现相干项是这样的:$\langle \psi_1|\psi_2\rangle \ \langle D_1|D_2\rangle $。不但有粒子态的相干,还要带上测量器的相干。$\langle D_1|D_2\rangle $ 如果等于1,也就是说探测器根本无法区分路径1与路径2,则情况与没有探测器相同。如果测量器能毫不模糊的区分路径1与路径2,也就是说1、2 两种情况的重叠为0, $\langle D_1|D_2\rangle =0$,相干项就完全消失了,量子概率就成了经典概率。从这个推导看,整个过程完全是客观的,是物理系统之间作用的结果,并不存在主观意识的选择。

如果 $ \langle D_1|D_2\rangle $ 在1到0之间连续变化,相当于我们能够部分判断粒子的路径,相干项也会相应的变化,相干条纹会从最明显到逐渐消失。当然,这个渐进实验用光子做似乎不可能,没有比光子更小的东西了。用大的分子做双缝实验,可以部分去探测分子的信息,而又不会完全破坏其量子相干性。Zeilinger 等人用C70 分子的实验结果完全证实了这个由于不同程度的“环境观测”导致量子相干程度的渐变 (Ref 1)。

环境的“观测”模糊掉量子相干。虽然世界万物都是量子的,世界万物之间的纷繁芜杂的纠缠导致了经典的结果。量子力学的 $i \frac{dX}{ dt} = [X, H]$就成了牛顿力学 $\frac{dX}{dt} = \{X, H\}$。

不幸的是,所谓量子佛学也就失去了现代物理学的理论基础。

1. K. Hornberger, S. Uttenthaler, B. Brezger, L. Hackerm¨uller, M. Arndt, A. Zeilinger, Collisional decoherence observed in matter wave interferometry, Phys. Rev. Lett. 90, 160401 (2003).


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