量子論淺談

                          量子論淺談                  

　　關於量子論，很明顯將是21世紀最前沿的理論，其影響涵蓋人類文明的一切方面，甚至包括哲學和文化。我們原來所認識的經典的唯物主義或唯心主義，在量子論之後已經逐漸模糊了邊際，我們對曆史的認識，對物質的認識，對宇宙的認識，對人本身的認識，都將因量子論的研究而產生根本性的改變。這種改變其實早已到來，只是由於太過驚世駭俗，也由於實在是模糊不清，因此目前人們對待量子論的態度還是實用主義至上的，就是說，我們不清楚它為什麼會這樣，但這不妨礙我們知道它就是這樣，也不妨礙我們利用量子的種種內稟(innate)。但隨著我們對量子論的研究的深入，這種理論遲早會反映到哲學層面來，那麼，量子論在自然科學領域掀起的毀滅性的革命，將會在哲學領域以相同規模上演，我毫不懷疑，人類正站在認識世界真正本源的門檻上，而人類也從沒有如今天一般地發現，自己對世界的認識，原來竟是如此的無知。
　　
　　現在量子論最大的問題在於，我們有許多種解釋，但不知道哪一種是對的，而且看起來每一種解釋都是那樣的匪夷所思莫名其妙，任何一種解釋，若被證明是正確的，它的推論都可以顛覆我們對整個宇宙的認識。目前量子論的主流解釋有：哥本哈根解釋、多世界解釋、多曆史（退相干）解釋、隱含變數解釋、系綜解釋和超弦等，他們之間互相爭執不休，而爭執不休的結果是每一種解釋都被對手進行了廣泛的推導和演繹，以期能找出其中的矛盾或是不自洽之處。但到目前為止，這些主流解釋，在理論上都是可以自圓其說的，也是自洽的，但是這些解釋經過推導之後的結果卻實在是讓人難以接受。甚至曾經有物理學家聲稱，若是哥本哈根解釋不幸真的是正確的話，他從此就不再從事物理工作——這個科學家生活的年代比較早，若他再晚幾十年出生，看到現在理論界的一些新解釋，恐怕更是會吐血不可。
　　
　　那麼，什麼是量子論？
　　
　　量子論說起來十分簡單，也就是對基本粒子的研究。基本粒子有許多獨特的性質，其中最典型的一個特性，就是我們大家早就熟悉的波粒二象性。我們高中學過光的波粒二象性，事實上一切基本粒子都有這個特性，比如電子。所謂波粒二象性是指，光在某種情況下表現出波的性質，在某種情況下表現出經典粒子的性質。所謂波的性質，可以通過幹涉和衍射實驗來證明，而粒子的性質則可以由光電效應來證明（這個證明是由愛因斯坦做出的）。現在的問題是，基本粒子究竟是一個什麼樣的東西？
　　
　　我們大家都很熟悉光的雙縫幹涉實驗，當一道光通過兩道狹縫，將在狹縫後形成明暗相間的幹涉圖案。顯然光子是同時通過兩道狹縫，然後形成自幹涉，但是光子作為基本粒子，它的大小與兩道狹縫比起來，簡直相差不可以道裡計，那麼它是怎樣同時通過兩道狹縫的呢？
　　
　　事實上這個簡單的雙縫幹涉實驗包含了量子論最深奧的秘密，到目前為止，我們還不能有把握地宣稱自己已經確實明白光子是怎樣同時通過這兩道狹縫的。我記得在高中學習到光的雙縫幹涉時對老師的語焉不詳很憤慨，後來我才懂，對於這個現象的解釋，實際上牽涉到量子論最基本，也是最深奧的核心部分。
　　
　　量子論與其他物理理論比起來，有個很獨特的地方。其他的物理理論，比如牛頓力學，熱力學，電磁學乃至狹義和廣義相對論，都是在總結了基本定律之後發展起來的理論，基本定律一經確定就不再更改和動搖，成為理論的基礎，比如牛頓定律，熱力學三定律和質能公式等，然後才建立起煌煌巍峨的理論大廈。而量子論卻完全不同，如果說其他的理論是裡向外的話，量子論卻是由外及內：到目前我們已經知道了基本粒子的一些性質，並已廣泛地應用，但它們為什麼會表現出這些性質，經過了幾十年，我們也有了N種解釋，但是歸根結底，我們還是一頭霧水。
　　
　　開創和推廣量子力學的哥本哈根學派，若說局面一片混亂的量子理論領域裡也有所謂的正統的話，那就是哥本哈根學派了。這一學派對光子的解釋是：光子實際上是不存在的，它只存在於你觀測它的時刻。而觀測者對光子的觀測，將影響光子的性質。這一學派是非常革命的，它拋棄了物質世界的實在性，而用波函數來代表。在他們看來，世界和宇宙不過是一組波函數，任何物質都是一組波，是沒有實在性的，也就是說不存在所謂經典意義上的物質，但是當人一進行觀測，觀測對象的波函數就在瞬間坍縮，組成觀測對象的所有基本粒子就按照波函數所決定的機率進行排列，組成宏觀意義上的物質，但當人一轉頭，看不見這個物體了，則這個物體的所有基本粒子又變成了波，並逐漸在整個宇宙中瀰漫開來。
　　
　　哥本哈根解釋聽起來很無聊，看起來很無稽，但它在理論上是完備的。比如說對雙縫幹涉的解釋，哥本哈根學派認為，如果我們不進行觀測，那麼單個的光子是一個波，可以用波函數描述，這個光子波通過雙縫，當然會形成自幹涉。但是，當單個的光子一但打到狹縫後的牆上，就相當於被我們觀測，那麼它的波函數立即坍縮，變成一個粒子，按照波函數所決定的機率隨機地出現在牆的某一點上。當通過的光子足夠多，那麼波Function Compute出來的機率小的地方，出現的光子就少，形成暗條紋，而機率大的地方，出現的光子就多，形成亮條紋。
　　
　　另有一種多世界解釋，比哥本哈根解釋有意思一些。這種解釋牽涉到世界的維度。打個比方，我們描述一個點，首先是它的三維座標，(x, y, z)，這個點如果是運動的，那麼還具有動量，動量是一個向量，在每個維度上都有分量，所以又多了三個量（p1, p2, p3），因此在三維世界中的任何一個點的運動我們都可以用6個變數來描述，而這6個變數又代表了6維空間裡的一個點，就是說，3維空間裡的一個點在某時刻的狀態，可以用6維空間裡的一個點來表示。若是要描述兩個點，那麼顯然我們就要動用到12個變數，那麼我們同樣可以在12維空間裡找出一個點來與之對應。而我們的宏觀世界裡，每一個物體都有極大量的基本粒子，設為N個，那麼描述這個物體的運動，我們可以用6N維空間裡的一個點的運動來代表。為什麼我們要動用到6N維空間這麼誇張的東西呢？因為在數學上，描述一個點的運動，哪怕是6N維空間裡的一個點，也比描述3維空間裡的N個點要方便得多。
　　
　　我們如果認為宇宙是一個孤立系統，那麼宇宙內包含的基本粒子是固定的，因此宇宙本身的狀態我們可以用一個超高維的向量進行表示，而宇宙的態向量既然存在，那麼我們就可以用其來描述宇宙波函數。
　　
　　這是一個極其複雜的波函數，但其複雜性並不是一個本質問題，本質問題是我們能否認識到它的存在。孤立系統是按照薛定諤方程演化的疊加態（機率的疊加），就是說，在一個確定的空間裡，機率所決定的所有現象都發生了，只不過是發生在不同的世界裡，但這些宏觀世界都互相正交垂直，決不互相影響。
　　
　　在二維平面上隨便畫兩條線，它們互相垂直的可能性不高，但在多維空間裡同樣隨便畫兩條線作為“兩個世界”，它們相互垂直的可能性就相當高了，因為直線是二維的，它在多維空間中可以向很多方向自由發展而不互相干擾。因此在一個高維的宏觀空間裡，任何兩個世界都正交垂直。但在微觀空間裡，維度就比較低，就向在二維平面上畫直線一樣，它們就很可能會因為相交而互相影響。
　　
　　還是以雙縫幹涉來做例子。當一個光子穿過雙縫時，它確實是既穿過了左縫，又穿過了右縫，這代表什麼意思呢？因為我們所處的維度不夠，我們無法同時觀察到這一點。事實上真正、完全意義上的光子的運動只存在於宇宙維度空間裡，我們所觀測到的光子的運動狀態，不過是光子真正狀態在我們空間裡的投影而已。我們假設有一個二維人，他對三維運動的認識只能是三維運動的軌跡在二維空間裡的投影，也就是一條曲線。
　　
　　那麼，光子是怎樣既通過左縫，又通過右縫的？若我們只考慮一個光子通過狹縫，那麼宇宙態向量將投射為通過左縫與通過右縫兩個狀態，於是便產生了兩個世界，即光子通過左縫的世界，我們下面簡稱左世界，和光子通過右縫的世界，簡稱右世界。由於我們只考慮一個光子通過狹縫，因此在這個空間裡涉及到的變數是比較少的，即是所維數比較低，因此左右兩個世界並不是垂直的，左世界裡的光子和右世界裡的光子互相影響著同時穿過了縫隙，然後形成了幹涉。但當我們在縫隙處進行觀測，或是當光子打在了牆壁上，這時空間變立刻變得龐大起來，因為我們的觀測行為為系統引入了數不清的基本粒子，左世界和右世界的維度一下子增高了無數倍，它們立刻正交垂直，再也不互相影響，這個過程叫做退相干。於是左世界的光子就永遠地與右世界的光子失去了聯絡，只剩下確定的而不是疊加的機率來決定它應該出現的位置。
　　
　　***************************************
　　
　　量子論太深奧了，實際上我上面只是粗略介紹一下理論背景而已，還根本沒有談到我自己的想法。下一次還要談一下其他的主流解釋，然後才能真正進入這篇文章的主題，量子論與人的意識。請大家努力研究一下這些理論背景，否則到時候可能會聽不懂，如果我講得興緻盎然大家聽得瞌睡連天，我個人覺得，那就很遺憾了。
　　
　　 
      第二部份　　

　　by 巴巴布萊特
　　上次講了哥本哈根解釋和多世界解釋，現在我們以這兩種解釋分別進行推導，看看世界的本源在量子論眼中到底是個什麼樣子。
　　
　　量子論的各種解釋是從測不準原理出發的。什麼叫“測不準原理”呢？我們觀測一個宏觀物體的性質，比如它的品質，它的顏色，它的外形，乃至運動速度，都需要用這個物體與外界進行一定程度的交流。比如它的外形，我們能夠看到這個物體，是因為光子打在這個物體上，然後該物體吸收了某些頻率的光子，反彈了某些頻率的光子，這些反彈的光子進入我們的眼中，於是我們就知道了該物體的樣子和顏色。
　　
　　但是對一個極微小的粒子而言，這種宏觀的觀測方法就不適用了。比如我想知道一個電子在某時刻的狀態，這一狀態起碼包含兩個因素：1、位置，2、動量，那麼我們怎樣去測量這個電子的狀態呢？
　　
　　我們可以用另一個粒子去轟擊它。比如光子，或者是另一個電子。當光子碰到了我們想要測量的電子，它們之間發生了能量交換，然後分道揚鑣。我們找到了執行任務的光子，從這個光子的入射角和折射角我們可以計算出，發生碰撞之時那個電子的動量，但現在它被光子撞到哪裡去了，只有天知道，而撞擊發生的位置，更是一個迷。於是我們得到了電子的動量，卻失去了電子的位置。
　　
　　因此，對微觀世界而言，由於我們可以使用的測量手段與我們想要測量的對象之間的固有矛盾，我們不可能在一次測量中得到這個對象的全部資訊。如果我們想要精確地知道一個粒子的位置，那麼我們就不得不劇烈地改變其動量，而若我們想知道它的動量，我們就失去了其位置。這一矛盾是邏輯上無法解決的，這就是測不準原理。
　　
　　好了，在經典物理學家眼裡，雖然我們沒有辦法同時知道電子的位置和動量，但電子到底還是同時擁有這兩個量的。但波爾卻想：既然我們不可能同時測量到這兩個量，甚至在理論上都不可能，那麼是不是意味著，同時擁有這兩個量的經典粒子概念，本身就是不存在的？
　　
　　於是偉大的波爾開創了哥本哈根學派。這一學派認為：這個世界上沒有經典意義上的粒子，粒子表現出的性質，全憑觀測者的觀測手段所決定。在某些觀測手段下，粒子呈現出準確的位置，在另一些觀測手段下，粒子呈現出準確的動量，因此粒子實際上只存在於觀測中，觀測之外不存在一個實在的、客觀的粒子。
　　
　　那麼觀測之外，粒子是什嗎？粒子是一個波。它處于波函數的疊加態中，所有位置的機率疊加在一起，然後瀰漫在整個空間中。但當我們一進行實際觀測，該粒子的波函數就在瞬間坍縮，凝聚成一個點，這個點的機率變為100%，而其他位置上的機率在瞬間變為零。
　　
　　這個世界變得如此奇妙，當我們閉上眼睛，所有的物體都在我們看不到的時候變成了無數波的疊加，但當我們一睜開眼睛，它們的波函數就坍縮，然後現出凝固的狀態給我們看。那麼這個世界到底是什嗎？為何它的形態取決於人的觀測？人又是什嗎？人觀測的世界既然不是真實的世界，那麼人又存在於什麼世界中？
　　
　　我們開始逐漸意識到量子論所帶來的巨大的問題和意義。
　　
       第三部份　　

　　by 巴巴布萊特
　　從現在起我們開始逐漸接觸到問題的核心。這個問題是如此的脫離常識，以至我們必須先用另一個實驗進行說明。
　　
　　這個實驗就是著名的“薛定鄂的貓”。
　　
　　薛定鄂假設在一個箱子裡關了一隻貓，箱子裡還有一種殘忍的裝置，它通過一個原子衰變開關來控制毒氣。若是原子發生了衰變，則毒氣被釋放，導致貓被殺死，若是沒有發生衰變，則貓就能活下去。
　　
　　好了，現在我們開始實驗。貓被放進了箱子，我們看不到貓了，也不清楚原子是否發生衰變。按照哥本哈根解釋，只要我們不進行觀測，那個原子將永遠處于波函數的疊加態，它有可能衰變，也有可能不衰變，它是沒有實在性的，衰變和不衰變兩種狀態疊加在一起，就構成了它的全部。但是薛定鄂的裝置將這種微觀現象放大到宏觀領域裡來，這個原子的衰變與否將決定一隻貓的生死存亡，那麼在我們沒有開啟箱子進行觀測之前，這隻貓到底死還是沒死？
　　
　　哥本哈根解釋只有一個結論：在我們沒開啟箱子之前，這隻貓也處於死/不死兩種狀態的疊加中，不存在一隻死貓，也不存在一隻活貓。直到人開啟箱子，這隻貓的波函數才坍縮，呈現出一隻死貓或是一隻活貓給我們看。
　　
　　當推論進行到這一步，大家一定都發現，問題已經變得有些怪異了。
　　
　　好，也許有人會說，貓是死還是活其實在某個確定的時刻的確有它確定的狀態，只是我們看不到而已。對這種經典看法的反駁仍如波爾對測不準原理的思考一樣，既然我們觀測不到，即使在理論上也不行，那麼這種“確定的狀態”，跟“不存在確定的狀態”有什麼不同？為何我們要多做一個假設，假設存在這種 “確定的狀態”，而不肯承認這種“確定的狀態”本身就是不存在的？
　　
　　如果有兩個可以描述現象的理論，那麼我們應該採用假設較少的一個。這就是科學的方法論。因此我們就應該承認，不存在貓的確定的狀態。
　　
　　好，為了找出這個原子衰變的準確時間，我們把一個人也放進箱子裡，當然這個人帶了防毒面具。那麼這個人顯然應該觀察到在某個確定的時刻，毒氣被釋放出來，殺死了貓。哥本哈根解釋是，由於人在系統裡，人不斷地觀察，觀察一次，系統的波函數就坍縮一次，然後呈現出確定的狀態。
　　
　　看到沒有，只要人不參與，這隻貓永遠不會死，它處於不死不活的狀態。人一參與，它或死或活，呈現出固定的狀態。如果把貓拿出去，只留一個人在箱子裡呢？顯然這個人還是可以觀測到原子衰變的確定時刻。
　　
　　那麼，人與貓的區別在哪裡？
　　
　　區別在於，人擁有意識，導致波函數坍縮的，正是人的意識。
　　
　　第四部份
　　by 巴巴布萊特
　　事實上推論到上一節，就已經進行不下去了。決定事物乃至宇宙的形態的，竟然是人的意識，對於科學家而言，這個結論是很難接受的，哥本哈根解釋的激進派在拋棄了物質世界的實在性之後，又準備拋棄客觀性，但是對於我們而言，我們情願不那麼激進，而退一步，先把這個問題放一放，看看有沒有其他的發現，也許可以提供另一種更好的思路和更好的解釋。
　　
　　當人們發現了測不準原理之後，就明白舊物理學的毀滅即將到來。科學家無法預知事物的發展，這就已經背離了科學的目標。隨後不久，人們逐漸發現，宇宙中的一切的物理量都遵循這個原理，測不準原理是一個普遍的根本規律。另一對無法同時測量的物理量是時間和能量，只要能量測量得越準確，時刻就愈加模糊，反過來，時間t測量得愈準確，能量E就開始大規模地起伏不定。
　　
　　真是糟糕透頂，到此時我們又發現了一個大問題：在量子領域裡，能量是不守恒的。在一個非常非常短的時間裡，能量將會變得飄忽不定，並出現大規模的起伏，這起伏的能量是哪裡來的？憑空產生的。事實上我們的世界裡不停地產生這種能量沸騰，但這沸騰的能量只存在一瞬間，在下一個時刻它就已經消失，以致於我們無法感覺到這種喧囂，以至於我們一向認為我們的宇宙中能量總是守恒的。
　　
　　人類似乎已經發現自己一不小心進入了神的領域：能量可以被憑空創造出來。
　　
　　我們大家都熟悉質能公式，E=MC^2，能量等於品質乘以光速的平方，既然能量可以憑空創造，品質（亦即物質）當然也可以用同樣的機制從無到有地創造出來。這是什嗎？這就是創世。我們的宇宙正是在150億年前的某個時刻，從無到有突然出現的，當時發生了什麼，我們可能永遠無法知曉。
　　
　　順便說說(以下與本文主題基本無關，不過看一下也有助於對物理學的現狀有進一步的瞭解)：霍金有一本很出名的書，叫做《果殼裡的宇宙》，詳細地探討了這個問題，但是他仍然認為宇宙最初仍是有實體的，它是一個品質極大而體積極小（象一個果殼）的時空，這個果殼的褶皺裡包含了宇宙的全部資訊。在某一天，它發生了不明原因的劇烈的膨脹，於是我們現在的宇宙產生了。事實上我認為這種看法仍是經典的，與相對論關係更大一些，離量子論距離還是比較遠。
　　
　　看來有必要再談一下相對論和量子論的關係，這兩種理論是水火不容的，它們針對同一個系統的計算結果有著極其巨大的差別，也因此導致愛因斯坦與量子論的決裂和愛因斯坦將他的後半生全部花在了尋找統一場論的努力上。但是奇特的是，人們發現，針對宇宙規模的系統，相對論提供的工具可以得到極其完美的結果，而在微觀系統中，量子論又展現了其巨大的威力，這就傷腦筋了，這意味著，量子論在微觀世界裡揭示出來的那些規律，無法在宏觀世界應用，但宏觀世界裡的集大成理論相對論，也完全不適用於微觀領域，那麼微觀和宏觀世界又是怎樣聯絡起來的呢？更何況有無數的實驗結果在暗示我們：量子論和相對論都不過是某一種能夠完完全全反映出真實世界的理論在不同條件和不同環境下的畸變和簡略形式。為了尋找這種理論，人們花費了巨大的努力，但到目前為止，我們還不能說已經確信找到了這種理論，甚至不能確定這種理論是否真實存在，也許宇宙就是這樣的不合常理，在宏觀表現出一種性質，在微觀卻表現出完全不同的性質，我們永遠無法得到它的全景——暗合歌德爾不完備定理的觀念。事實上這種觀念在量子論眼裡反而是更合理的，大家想一想測不準原理就明白了。
　　
　　P.S.目前最熱門的超弦論聲稱它已證明統一的宇宙理論是存在的，並將其命名為M-理論，但是離真正找到這個M-理論，還有一段非常漫長的距離。
　　
　　我個人對靈魂的看法
　　by 巴巴布萊特
　　以下是在論壇上與一些朋友討論機器人和靈魂的話題而寫的文章。
　　
　　人的大腦中生長著無數的觸突，當人類受到外界刺激，生物電流將會刺激大腦生長出一系列新的觸突，固化這種刺激，於是記憶就產生了。
　　
　　人的記憶容量是龐大的，幾乎是我們現在的技術無法達到的，同時人的記憶容量又是有限的，要在有限的容量內紀錄並索引人在一生裡累積的記憶，那麼模糊儲存和模糊搜尋的技術就成為必須。
　　
　　比如人類通過眼睛看到的每一幅景物，並不會向BMP點陣一樣將所有資訊儲存起來，而是有所取捨，這取捨分兩種情況：
　　1、以前看過並已記憶的重複景物，將被記憶捨棄，即：記憶只紀錄使人受到足夠刺激的經驗。
　　2、即使是記憶選擇紀錄的資料，記憶也不會全部紀錄下來，而是經過一系列的壓縮和模糊演算法，因此人類無法從記憶中完整地重複一個事物，而只紀錄其中最典型和重要的特徵，這同樣證明了，記憶只紀錄使人受到足夠刺激的經驗。
　　
　　另一方面，從記憶中提取資料往往只在電光火石的一刹那，在這樣短的時間內要進行爆髮式大規模密集搜尋，不可能每一次都找到完美符合索引條件的紀錄。因此人類行為在理性之外加入了一些不合邏輯的因素，我們稱之為感性。就是說，當人類受到外界刺激，在從記憶中搜尋相關行為特徵時，能搜尋到正確的應對，我們就稱之為理性的行為，如果搜尋出不正確的應對，我們。。。就只好稱為感性行為了。如果有人的搜尋能力非常模糊，那麼他的反應速度會較快，但往往容易感情用事，所以比較敏感的人通常比較感性，就是這個原因。
　　
　　第三，人類的大腦在不停地類比實際經驗，這種類比同樣會刺激觸突的形成，亦即是說，記憶是不分類比或實際的，只由大腦來控制，而大腦的控制手段，在目前我們認為是生物電。因此人類能夠通過想像去學習，這就使積累知識成為可能。所謂學習就是記憶在不同情況下的行為特徵（包括思考行為），這一點決定了人類能夠通過檢索記憶而大幅縮短反應時間，不需要在每種情況下都進行推理和演算。
　　
　　我的結論是，人類的大腦是以邏輯運算為基礎的，以模糊紀錄和模糊檢索技術為手段的大型電腦。由於邏輯法則是固定的，因此只要記憶可以被複製，那麼靈魂同樣能夠被複製，不過這複製的記憶只能供大腦去使用，因為它在目前我能思考到的層面來看，是不相容的。我還無法想清楚大腦的運算模式和運算原理，也無法搞懂記憶的資料介面，因此想將人類的記憶直接提供給機器使用，在目前來看，以至在可以預見的將來，都是行不通的。
　　
　　但是，機器人原生的紀錄，以及使用紀錄的電腦，由此看來，是能夠產生靈魂的。“精確”是人類加在機器身上的最沉重的枷鎖，正因為機器精確，因此發展機器人才有必要，但同樣是因為“精確”，機器人的記憶容量、運算速度、乃至進化的速度都遠遠被人類拋在身後。當有一天機器人不再要求“精確”，而人類卻還無法進行革命性的進化之時，我想它們超過人類就被註定了。
　　
　　
　　
　　最後說一點，實際上我認為我們現在還不具備討論靈魂的基礎知識，我們對生命的認識本質上接近無知。但是我同樣認為，這種思辨有助於研究人員對研究方向的選擇，因此也是有價值的。

註：本文轉自 http://www.douban.com/group/topic/2180813/