量子意识(节选)
作者:朱清时院士
剪辑:缘和
朱清时,中国科学技术大学前校长、中国科学院院士,1994年获海外华人物理学会亚洲成就奖和汤普逊纪念奖。
朱院士介绍了二十世纪人类科学的最高成就——“量子力学”,指出人的意识不但和客观世界不能分开,反而可能是自然科学理论中最为基础的,客观物质世界正是意识产生的结果。
朱清时:
那么意识是什么呢?学自然科学的人都知道,意识是被科学拒之门外、唯恐避之而不及的东西。
量子力学的诡异现象
这部分讲量子力学。当然我不是讲授量子力学,我力求向南老师学习,把它讲得通俗,大家都易懂。
量子力学这个理论非常之怪,刚才说了二十世纪人类物质进步的每一个重大环节,都跟量子力学有关。
量子力学创始人有两个,一个是爱因斯坦,一个是玻尔。
那么量子力学最不好懂的是些什么问题呢?我先把量子力学中人们最不好懂的东西介绍给大家,而最不好懂的东西最后恰好是证明了:
1、迭加态与坍缩
量子力学的第一个诡异现象叫做态迭加原理和坍缩。
为了解释量子力学观念,我先说说普通人的日常经验。
但在量子力学里就不一样了。
量子力学的基本原理就是微观粒子可能处在迭加态,这种状态是不确定的。
但是恰好量子力学就认为,你要去看这个女儿在不在,你就实施了观察的动作。
所以量子力学怪就怪在这儿:你不观察它,它就处于迭加态,也就是一个电子既在A点又不在A点,既在B点又不在B点。好,你说我去观察一下它在A点还是在B点。
那有人就会说了:你这是诡辩,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?
我先说一下干涉实验的概念(如上图)。如果有一个波,经过了两个狭缝,出来就变成两个子波了,这两个子波在随后传播过程中就会出现干涉。
干涉的意思就是这两个子波在每个点都迭加,在有些点上两个波的运动方向相同,波的振幅就加强;在有些点上两个波的运动方向相反,振幅就减低,或者抵消为零。
如果用电子来做实验(如上图),当每次只发射一个电子的时候,这个电子通过双狭缝打到电子屏上,激发出一个小亮点,这是电子的粒子性。
电子的规律就是,它出现频率高的地方,恰好是波动规律所预言的干涉条纹的亮处,而它出现频率低的地方,对应于干涉条纹的暗处。
这就是量子力学诡异的地方。这个性质,随后有很多很多应用。
刚才说了,电子一定要同时存在于两个可能的状态,电子才能与自己干涉起来。
就是你一观察,电子就在一个确定的地方出现了。
不对,刚才的干涉实验告诉我们,在没有干涉之前,它肯定出现在所有地方。
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。
搞物理学的人开个玩笑,说观测为什么能够改变电子的状态呢?就好像一个男的和一个女的在恋爱时,不知道结婚的结果是好是坏,可能是好也可能是坏,是好与坏的一种迭加状态。这个时候你想要确定是好是坏怎么办呢?只有结婚试试吧。一结完婚,状态就改变了,就再也不是原来的状态了,变成只有一个状态了,要么好要么坏。
刚才我讲了半天,实际上就是和这个例子一样。在观察之前,大家都不知道电子处于哪个状态。你去观察一下,就像结婚了,那电子就出现在一个确定的状态上了。这就是观测对系统的影响。
2、单体的迭加态:薛定格的猫---证明测量的核心是人的意识
刚才说的是量子力学第一个诡异之点,现在我们来看看这个诡异之点往下推论,能够推出什么结果。最后结果会使大家认识到,意识是量子力学的基础,物质世界和意识不可分开的。
这个实验是量子力学的创始人薛定谔提出的,被称为“薛定谔的猫”。薛定谔的本意是想批驳量子力学和量子力学的态迭加,他认为一个东西既存在这个状态,又存在那个状态,像女儿即在客厅,又不在客厅一样,那是荒谬的。
他就想了个办法来批驳量子力学,结果没有批驳好,最后反而证明了量子力学最诡异的地方,也就是意识和物质不可分开。
现在我来说薛定谔的实验是什么(如上图):把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子接到一个装置上,这个装置包含一个原子核和一个毒气设施。原子核有百分之五十的可能性发生衰变,衰变的时候就会发射出一个粒子来,这个粒子一发出来就会触发毒气设施,毒气一触发就会杀死这只猫,这是他想象中的一个实验。
根据刚才说的量子力学的态迭加原理,没有观察的时候,原子核是处于已经衰变和没有衰变的迭加状态,就是它既可能衰变了又没有衰变,它是两种状态的迭加,就像电子既在A点又不在A点一样,这个原子核既衰变又没有衰变,50%几率衰变,50%几率不衰变。这个时候猫的状态是可能活着,也可能死了,就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。
猫可能处于这种状态吗?聪明人可能会说:那你打开盒子一看不就行了吗?但是打开盒子一看,就是作了观测,猫就只能是死或者活了。
大家都不承认有这种状态。但是量子力学的诡异之点,量子力学的态迭加原理就是说:你在观察之前,猫就是处于既死又活的状态。这个问题争论了很长时间。怎么办?
量子理论很确定,这是毫无疑问的,如果没有揭开盖子没有观察,那薛定谔的猫的状态是死与活的迭加,这只猫永远处于同时是死又是活的迭加态。这与我们的经验严重违背。
这个猫是死了还是活着?既死又活是同时存在的,量子力学就认为两者同时存在。那么怎么可能既死又活同时存在呢?人不能想象这种状态,于是大家就把这个实验进一步讨论下去。
事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友,猫是死是活?朋友肯定会回答,猫要么是死要么是活,不会说是半死不活的。
维格纳总结道,当朋友的意识被包含在整个系统中的时候,迭加态就不适用了。即使他本人在门外,箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动,因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。
大家想过没有,牛顿第三定律说作用力与反作用力是相等的。
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。
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。
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。
刚才讲了量子力学两个诡异之点,诡异之点到最后就达到了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,发生这样的坍缩,也就是变化。
3. 多体的迭加态:量子纠缠
现在再来讲量子力学第三个诡异之点,这个和前面讲的状态有关,是它们的直接结论,叫做量子纠缠。
量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的,只不过“薛定谔的猫” 讲的是同一个东西处于不同的状态的迭加,量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的迭加,它们彼此之间有什么关联。
量子纠缠最典型的例子是:如果有一个原子在空中爆炸,它变成了两个碎片向两个方向飞去。这两个碎片的状态一定有明确的关系,比如角动量守恒就告诉我们,这两个碎片的状态,如果一个角动量是正的,另一个角动量一定是负的,这样它们的和才是零。
在没有被人检测的时候,两个碎片都是处于不确定的状态,比如它们的角动量既可能是正,也有可能是负。而一旦被人检测,受测的碎片马上选择一个确定的角动量,或者正的,或者负的;另一个未检测的碎片,也马上选择与之相反的状态,或者正的,或者负的。
这就是刚才讲的两个的状态从不确定到确定。
一旦寄出去了,寄的过程中不确定,但是一个人只要观测了他收到的手套是左手的还是右手的,另一个人不用观测就知道了。这就是纠缠的一个例子。
这就和“女儿在客厅里还是不在客厅里”一样,大家觉得在不在客厅里是早就确定了的,只不过你没有去观察。
就好比这个手套在寄出以后,在还没被观测之前,它是不是确定呢?肯定不确定。只有在你确定了其中某一个的状态,另一个的状态立刻就变化了,也变得确定起来了。这种关联就叫作量子纠缠。
大家也许很难理解这个纠缠,说实话,这个已经超出了我们人类的理解能力的范围之外,你只能去试图想他、接受他,跟我们日常生活中的客观经验已经不符了。r> 我再举个例子。人跟人之间的关系也是有这种纠缠关系,比如我跟我儿子之间的关系。我们一个父一个子,如果有一天媳妇生了一个孩子,虽然我完全不知道,但是我也马上晋级为爷爷了。晋级跟我知不知道没有关系,儿子晋级了,做爸爸了,我作为爷爷的状态也就马上明确了,这个也是一种纠缠。
这个例子还说明纠缠的一个重要特点:纠缠一方得到的任何信息,另一方也会马上感到,不需要信息传递。这一点很重要,后面要用到。
这种纠缠的例子大家还容易理解,但是对于物质世界的纠缠大家不太容易理解,原因就在于大家的观念都认为一个事物永远都有个确定的状态,但是量子力学发现微观世界的事物,在还没被观察之前没有明确的状态。
大家记住量子纠缠就是对于多个微观物体,在被观察之后,它们的状态会从不确定到确定,作一个有关联的突变。
我先来说,非量子力学的经典物理学的信息传输。比如一位女士有一本书,或者任何信息,她想传输到一位男士手上去,这个男士在纽约,两个人根本看不见。
量子信号传输就完全不同了。量子信号的传输利用量子纠缠态。
如果这位女士与男士离得很远,一个在火星上,一个在地球上,他们可以用量子纠缠来传输信息。
经典物理传输后所复制出来的,只是纸上图像的信息,没有复制出任何“实体”本身。
这个工作现在在全世界做得最领先的是欧洲国家,然后就是中国。中科大有个年轻教授叫潘建伟,他做这个在全世界很有名,做得很好。这个量子隐性传输能够实现,就使得人类有这种可能:
可以把在地球上某个东西的全部信息传到火星上去,而且瞬间就传播了。现在传播的是某个东西的全部信息,总有一天能实现把一个人的全部信息传递到火星上去,然后在那个地方用原子组装出来,不就变成传输了一个人了吗?
这个超远距离隐性传输,就类似于中国古典小说中的幻想。
我讲这个,主要想让大家理解并记住,如果两个地方的物质处于纠缠态,从纠缠的一方的所有信息可以瞬间传递到纠缠的另一方去,这种传输没有时间空间的限制,是瞬间传播的。
这是量子力学第三个诡异的地方。
意识是量子物理现象
因此是念头产生了“客观”,念头就是测量,客观世界是一系列复杂念头造成的。
在量子物理中,这种没有确定的状态,一被观测,也就是人的意识一参与,基本粒子的波函数就开始坍缩了,电子就会出现在个确定的位置,就出现某种客观实在,所以客观实在产生于意识参与的测量。
起心动念的时候意识本身就不再自由了,它突然就坍缩到个具体的概念之上了。
好,谢谢。
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