继续量子科学革命,意识波粒二象的详细论证

原标题:时间真的只是人的幻觉吗?量子力学解释了时间的本质

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在 20
上半年个世纪,物理学的一个全新的理论——量子力学发展了起来,目前已经取代了我们所知道的经典物理学和相对论,这两者曾是现代物理学的核心架构。量子理论或量子力学现在被认为是宇宙中,特别是在亚原子尺度上最正确和准确的模型,尽管对于宏观物体,经典的牛顿力学和相对论物理学还能发挥作用。

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波性意识的必然存在

假如意识导致波函数坍缩,使得量子叠加态坍缩为经典本征态,那么意识需要满足以下几个条件方能成立

理解相对论的概念和预测通常被认为是困难和反直觉的,相比之下量子力学的许多基本原理和含义可能看起来更加诡异,但量子力学的很多假设和理论已被反复证明是真实的,它现在是有史以来最严格测试的物理模型之一。

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第一:意识必须要具有处于抽象空间的抽象存在方式

如果是意识导致波函数坍缩,导致被波函数描述的量子叠加态(众多本征态的叠加)随机坍缩为其中的某个经典本征态,那么很显然的是,意识首先得接触量子叠加态(物质的波性本体),和它产生相互作用。根据量子力学,波函数所描述的量子叠加态并非处于经典的三维物理空间,而是处于一个抽象的多维数学空间,那么这意味着意识也必定要在这个抽象数学空间有自己的抽象存在方式,如此才能和抽象的量子叠加态发生相互作用。我们也可以把这个高维的容纳量子叠加态的抽象数学空间称为量子空间,而容纳经典本征态的三维物理空间则称为经典空间。

以上是意识波粒二象论证当中一个关键核心,它看起来很简单,而且逻辑也相当清楚,但是要做出这个关键性的突破却绝非易事,因为它需要放弃旧有的实在观和时空观,在哲学上作出新的突破。也正是由于爱因斯坦、薛定谔和玻尔等量子力学的早期创建者们在哲学认识上的陈旧,导致他们犯下了一些严重认识错误,产生了很多争论,也使得量子力学至今面临很多疑难。要解决量子力学疑难,无疑的必须要有新的的哲学观念。

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薛定谔波动方程

当电子在不被观察测量的情况下,是在一个无穷维的数学抽象空间按照以上的薛定谔波动方程弥散演化,这个数学空间被称为希尔伯特空间,它是三维欧几里得几何空间向无穷维的推广,公式中的h是普朗克常数,而Ψ(读作psai)就是最为神秘的波函数,它的物理意义连薛定谔自己都茫然,至今物理学对此也是争议不休。薛定谔波动方程就像牛顿第二定律一样,只要给出波函数Ψ(x,0),适当的初始条件,就能计算出以后任意时刻的波函数Ψ(x,t)的值,物理系统的状态完全由波函数所确定。薛定谔恩波动方程是量子力学里面最核心的方程,保罗狄拉克形容这个方程包含了所有的化学和大部分的物理学,它是量子力学也可以说是整个物理学的王冠。

薛定谔在自己的论文里特别的写到:“我一再地提醒大家注意,波函数是不能够也不应该直接以三维空间里的术语来解释。尽管单电子问题在这里似乎很容易迷惑我们——因为总体来讲波函数是一个存在于位形空间的函数,而不是一个真实空间里的函数。[\[1\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn1)”国内著名的北大物理学教授曾谨言也在自己编写的量子力学教材中说:“多粒子体系波函数的物理意义进一步表明:物质粒子的波动性并不是在三维空间中某种实在的物理量的波动现象,而一般说来是多维的位形空间中的概率波。”[\[2\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn2)

波函数以及对应的量子叠加态是量子力学里面最让人迷惑的概念,因为它不是任何我们日常经验当中所观察到的水波等实体性的物理波,它没有确定的物理量,甚至根本就没有出现在三维物理空间上。根据波恩的统计诠释,波函数并非三维空间的物理波,而是一种在抽象空间弥散演化的概率波,我们仅仅能根据薛定谔方程计算出粒子在空间某区域内出现的概率密度。

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[\[3\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn3)

如果没有被测量,类似电子这样的微观物体根本就不在三维空间上,而宏观物体是微观物体组成的,既然微观粒子没有我们通常认为的三维物理空间上的客观实在性,那么任何由微小物体组成的宏观物体同样也不应该有三维物理空间上的客观实在性。

库马尔在自己的书中写到:“尼尔斯玻尔不久后就论证,在做出观察或测量之前,像电子这样存在于微观物理学中的物体,并不存在于任何地方,在两次测量之间,除了存在于波函数的抽象可能性之中,它并不存在于其他地方,只有在进行观察或者测量,当一个可能的状态成为“实际”状态时,波函数消失,所有其他可能性的概率变为零[\[4\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn4)。”他又说:“在没有观察的情况下,玻尔认为,客观现实性并不存在。依据哥本哈根解释,一个微观物理的物体没有本征性质。在电子进行观察或测量确定他的位置之前,电子根本不存在任何位置。在它被测量之前没有速度或其他物理属性。在测量前问电子的位置在哪和速度多大是没有意义的。量子力学不承认有独立于测量的物理现实存在,只有在测量行动中电子才成为“真实”的,没有观察到的电子不存在。”

需要注意的是,“没有观察到的电子并不存在”并非是一个严谨的表述,类似错误的描述也经出现在其他物理学家上,比如H·Primas总结量子力学的哥本哈根解释时提到:“只有测量结果可以被认为是真实的,纯量子态是客观的但不是真实的[\[5\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn5)
。”甚至连玻尔本人也有类似的认识,按照玻尔本人提倡的极端说法,凡是不能测量的现象就没有客观的存在:“不存在量子世界,只存在一个抽象的量子物理描述[\[6\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn6)。”创建量子力学的另外一位重要物理学家,不确定原理的提出者沃纳·海森堡也说:“希望有新的实验能使我们返回到时间和空间上客观的事件,大概就像希望在没有探测过的南极区域找到世界的尽头一样,完全是梦想[\[7\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn7)。”也正是由于玻尔等人的哥本哈根解释对客观现实性的否定,引起了爱因斯坦对量子力学的严重不满,同玻尔展开了长达几十年的辩论。1950年,爱因斯坦写道:“量子力学的核心,更多的不是因果论问题,而是现实性问题。”他在1952年祝贺路易斯·德布罗意60岁生日的文章中谈到:“像物理体系的实在状态这样的事是存在的,它不依赖于观察或测量而客观地存在,并且原则上是可以用物理的表述方法来描述。当然究竟应当采用什么合适的表述方法和基本概念呢?在我看来,现在还不知道[\[8\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn8)。”库马尔总结道:“爱因斯坦无法接受的是玻尔的观点中缺少了独立的客观现实,而不是概率的存在(上帝掷骰子)。因为他认为,量子力学不能像玻尔所宣称的那样成为自然界的基本理论[\[9\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn9)。”

在这场争论当中,爱因斯坦和玻尔都犯下了各自的错误,爱因斯坦坚持的强客观实在,即在不被测量的情况下,物体仍然有确定的物理量和空间位置,这已经被证明和量子力学的方程以及实验结果有冲突,但是玻尔否定量子世界的客观真实性也同样是不成立的,如果波函数或者量子态不是真实的,只是一种数学工具,那么它又怎么可能产生出真实的物理实在呢?要知道三维空间中真实的物理实在是单一的确定的经典本征态而构成,而经典本征态则是量子叠加态的坍缩,它是来源于量子态的。如果我们否认波函数和量子态的实在性,那么我们就不应该承认任何物理实在性,实在不可能来源于非实在。尽管极端的反实在论在哲学上有少数哲学家支持,但是它和以实在论为基础的科学是严重冲突的。就如爱因斯坦所说:“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。”

也有一些物理学家坚持波函数和量子态的实在性,概率波解释的提出者波恩在1949年的论文中写到:“概率波,甚至是3n维空间中的概率波(n表示粒子的个数),应当看作真实的东西,当然不只是作为数学计算的工具”,张永德教授也详细论证道:

应当再次强调,即便粒子的同一状态,在不同种类测量下,因展开式不同,坍缩的本征函数族不同,将给人以不同的面貌。由于测得的数据是在测量坍缩中“临时”产生的,加上波函数本身不能直接观测,可能会使人误认为,被测态(或波函数)只是一种“想像之物”、“数学工具”、“不具有任何信息”等。事实上,正是因为源于同一个被测态(或波函数),各种展开式(决定各类测量的概率分布)彼此相等,而各种实验中“临时”产生的各类测量数据间存在着关联和逻辑自洽性。因此,作为全部实验结果同一根源的量子态或波函数应当具有客观的真实性[\[10\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn10)

实际上粒子在没有被观察时,只是并非我们以为的那种三维空间内的有确定物理量的客观物理实在,而是一种客观的抽象实在。但是如果量子态或波函数是一种客观真实,以及量子态所属的多维希尔伯特空间也是客观真实,那么我们面临一个难题,希尔伯特空间只是数学家在意识当中构建出的,怎么可能是真实呢?在此,我明确提出一种新的认识,实在并不是仅仅包含了我们观察感知的物理实在,也包含了抽象的数学实在,数学不仅仅是一种描述,更是一种实在;数学不仅仅是一种发明,而是一种发现。并且数学实在是一种更根本的实在,我们观察感知的物理实在是它的投影。从毕达哥拉斯到柏拉图以及当代的哥德尔和彭罗斯等哲学家、数学家以及物理学家所坚持的数学实在论是正确无疑的。所以没有确定物理量并且并非真实三维空间上的波函数和量子态这种抽象实在是一种并不等同于物理实在的数学实在,希尔伯特空间上的算符和状态矢量本身就是一种实在,整体性的波函数更是一种实在,而并非仅仅是一种数学描述。以往数学实在论的认识论难题因为我的意识波粒二像性的提出以及新的二象性时空观的提出将被成功化解,详细内容后文我将另外论证分析。

根据量子力学,电子是存在的吗?斯坦福大学物理学教授,欧洲粒子物理学奖获得者赵午先生围绕这个问题给出了更精准的回答:

一个电子确实是存在的,但只是作为抽象空间中的一个算符而存在。我们称之为电子的这个对象只是算符投影到人类能够观察到的非常有限的特殊时空中的映像。换言之,在我们的内心里,您和我心目中的电子,只有当我们观察它时,它才在那里。当我们不观察它时,它是一个抽象空间中的一个抽象算符。“抽象”这个词只对有限的人类才是有意义的。我们人类不应该自称,我们所看到的,才是“实在”的。这可能是人类的一种傲慢自大的观点,我们应该尽可能地避免这种观点。真实的东西好像是在一个抽象空间当中。一个电子确实存在于这个抽象空间中,它有无数种方式来表现自身[\[11\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn11)

量子力学是对爱因斯坦坚持的强客观实在的否定,而绝非对客观实在的彻底否定。爱因斯坦坚持的强客观实在是指存在一个独立于自我主体之外的经典物质世界。物体不被观察时,依然有确定的物理量,真实客观的存在于三维空间之上,杯子即便不被观察依然以我们所观察的形态,客观的在桌子上。月亮即便不被观察,依然以我们所观察的形态高悬于天空,这是我们几乎所有人的经验常识,也是经典物理的基本观念,这里的客观实在是一种经典实在并且处于真实的三维空间之上。然而量子物理却对我们基于经验常识所建立起的客观性的经典实在观提出了有力的质疑,但是绝没有彻底否定客观实在,因为在量子物理里,波函数以及量子态都毫无疑问是客观真实的,尽管是一种弱客观实在,虽然它没有出现在三维空间上,没有确定的物理量,这意味着我们要对我们根据观察经验而在头脑中构建出的强客观实在进行彻底的革新。世界并不是经典物理所描述和我们的经验常识所认为的那样,存在一个和观察者无关的真实客观的三维物理世界。我们既不能认为月亮是以我们观察的样子客观的存在于天空之上,也同样不能彻底否认月亮的客观实在性,这二者都无法严格的逻辑证明,强客观实在和无客观实在都是极端,一个以数学实在和数学空间为基础的弱客观实在才是更加合理的。

戴维·艾伯特教授也有一段很精彩的描述:

波函数到底是什么?对于这个问题,从事物理学基础研究的科学家正讨论得热火朝天。波函数是实实在在的物体,还是类似于运动规律、粒子内存性质,或者空间各点关系的某种东西?又或者它只是我们目前掌握的有关粒子的信息?或者其他什么东西?只有在一个令人难以置信的高维空间,也就是所谓的位形空间(configurationspace)中,量子力学波函数才能用数学方法加以描述。如果像一些人主张的那样,波函数必须被当成是一种存在,我们就必须严肃认真地考虑这样一个想法:这个世界的历史并不是在我们日常生活所熟知的三维空间或者狭义相对论的四维时空中演绎的,而是在这个巨大又陌生的位形空间中铺排展开的——三维空间只是从位形空间中不知何故涌现出来的假象。我们在三维空间获得的定域性直觉.也必须被理解为是同时涌现出来的某种假象。量子物理学的非定域性或许给我们打开了一扇窗口,让我们得以窥探更深层次的“真实”。[\[12\]](https://www.jianshu.com/p/bcf60fda728c#fn12)

当我们明确了两种空间,一种是坍缩之后的经典本征态聚合的三维物理空间(经典空间),一种是量子叠加态构成的抽象数学空间(量子空间)之后,然后根据冯诺依曼所说的只有意识才能导致波函数坍缩,导致量子叠加态坍缩为经典本征态的重要观点,我们将必然可以逻辑推断出意识一定具有处于抽象空间的抽象存在方式,才可以和抽象空间的物质量子态发生相互的耦合作用,这是意识波粒二象性论证最为关键的第一步。(待续)

参考文献:


  1. [美]阿米尔·艾克塞尔. 纠缠态-物理世界第一谜[M].
    上海科学技术文献出版社, 2008.

  2. 曾谨言. 量子力学(卷1)(第5版)[M]. 科学出版社, 2013.

  3. [美]格里菲斯. 量子力学概论第二版[M]. 机械工业出版社, 2009.

  4. [英]库马尔. 量子理论:爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战[M].
    重庆出版社, 2012. ↩

  5. 高山. 量子运动与超光速通信[M]. 中国广播电视出版社, 2000.

  6. [美]布鲁斯 & 弗雷德. 量子之谜-物理学遇到意识[M].
    湖南科学技术出版社, 2013.

  7. [英]彼得·柯文尼. 时间之箭-揭开时间最大奥秘之科学旅程[M].
    湖南科学技术出版社, 2002.

  8. [美]爱因斯坦. 爱因斯坦文集 第一卷[M]. 商务印书馆, 2010.

  9. [英]库马尔. 量子理论:爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战[M].
    重庆出版社, 2012. ↩

  10. 张永德. 量子信息物理原理[M]. 科学出版社, 2008.

  11. 成素梅. 如何理解微观粒子的实在性问题——访斯坦福大学赵午教授[J].
    哲学动态. 2009(02): 79-85.

  12. [美]戴维·Z·艾伯特. 爱因斯坦错了[J]. 环球科学. 2009, 卷(期):
    16-23. ↩

理解量子力学中的时间概念,先要从什么是量子开始说起。

在量子信息和量子操控等方面量子革命继续发生着 光明图片/视觉中国

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【科学向未来】

量子

量子力学是整个微观物理学的基本理论框架,在基础与应用各方面取得了一个又一个成功。它也使人类生产生活发生深刻变革——诺贝尔奖得主莱德曼在20世纪90年代就说过,量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。有学者认为,在量子信息和量子操控等方面发生着“第二次量子革命”,但复旦大学物理系教授施郁更愿称其为“继续量子科学革命”(continuous
quantum
revolution)。施郁认为,量子力学基本原理还有未完全解决的问题,而包括量子力学在内的科学的基本方针是:客观世界和客观规律不依赖于人的意志。

量子力学认为宇宙中的所有物质和能量是量子化的,即它们由离散的不可分割的包或量子组成。例如,围绕原子轨道运行的电子在特定的固定轨道中被发现,并且当它们的能级发生变化时不会从原子核更近或更远地滑动,而是从一个离散的量子态跳到另一个。即使是光,我们知道它是一种电磁波,也是由光子的量子或粒子组成,因此光同时具有波和粒子的性质,有时它表现得像波浪,有时候它表现得像一个粒子(波粒二象性)。

什么是“量子”

那么,一个显而易见的问题是:时间可以被划分为离散量子吗?根据量子力学,答案似乎是「不能」,时间似乎是平滑和连续的。已经使用复杂的计时设备和脉动激光束进行了测试,以观察在非常小的一秒钟内(低至飞秒,或10-15秒)发生的化学变化,并且在该水平时间确实看起来是光滑和连续的
。但是,如果时间实际上是量化的,那么它可能处于普朗克时间的水平(大约10-43
秒),根据理论物理学的最小可能时间长度,可能永远超出我们的实际测量能力。

“量子”最初由德国物理学家普朗克于1900年提出的,驱散了当时物理学天空中的“一朵乌云”:受热物体发出的电磁辐射能量与频率的关系。电磁辐射即电磁波,在不同频率范围分别称作红外线、可见光、紫外线等。普朗克假设物体发射电磁辐射能量是一份一份的,每份总是一个基本单位的整数倍,这个基本单位称作“能量量子”。1905年,爱因斯坦提出,电磁波本身就由能量量子组成,称作“光量子”(后简称“光子”)。1913年,玻尔提出,原子中稳定电子的能量只能取一些分立值,叫作“能量量子化”。所以在量子论早期,“量子”的主要含义是分立和非连续。这种含义也被用于当代物理,比如“量子霍尔效应”指霍尔电导只能取一些分立值。与光量子类似,现代物理学中,每种基本粒子都是一个量子场的振动激发,也叫量子。它们与牛顿力学的粒子观念不同,但依然是客观物质。

值得注意的是,我们目前对物理学的了解仍然不完整,并且根据一些将量子力学和引力结合成单一的「万物理论」的理论,时间实际上可以量化的可能性。已经提出了用于所提出的离散量子时间的假设时间单位
,尽管尚不清楚时间应该是多长。

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玻尔与爱因斯坦 资料图片

波函数

1925至1927年,海森堡、玻恩、约旦、薛定谔、狄拉克等人创立了系统的量子力学,取代了早期量子论,其特征并不能简单归结于分立和非连续。现在更多情况下,“量子”是作为一个形容词或前缀在使用,“量子X”是指将量子力学基本原理用于X,比如量子光学、量子统计、量子凝聚态物理、量子化学、量子电动力学、量子场论、量子宇宙学、量子信息、量子计算等等。

哥本哈根解释

量子力学与经典物理学的比较

量子理论的主要原则之一是粒子的位置由波函数描述,它提供了在任意数量的不同位置或叠加中找到粒子的概率。只有当观察到粒子并且波函数崩溃时,粒子才能最终位于一个特定的位置或另一个位置。因此,在量子理论中,与经典物理学不同,我们看到的和实际存在的东西之间存在差异。实际上,观察行为会影响到被观察到的粒子。

量子力学是微观物理学的整个一套基本理论。对于它所适用的范围,通常是分子以下的微观层次(后面还要提到适用范围),所有科学规律都在它的基本框架下。相对之前的物理,量子力学这个基本框架是全新的,前者被称作经典物理。

量子理论的另一个方面是不确定性原理,它表示某些变量对的值(例如粒子的位置及其速度或动量)不能完全准确地知道,因此一个变量越精确,另一个就越模糊。正是其他人才能知道。这反映在量子力学的概率方法中,这对于经典物理学的确定性和特定性质来说是非常陌生的。

经典物理中,与日常生活经验一致,每个物理量总有明确的值。比如物体在每个时刻都有明确的位置,经典物理规律完全决定它怎样随时间而变化。掌握了经典物理规律,只要知道物体受力情况和某个时刻的位置和速度,就可计算出其他任意时刻的位置和速度。比如,哈雷根据牛顿力学正确预言了哈雷彗星的回归,我们也能应用经典物理将人造卫星发射到预定轨道。

量子力学的这种观点有时被称为哥本哈根对量子力学的解释。因为波函数的崩溃无法撤消,并且因为与波函数中包含的粒子的初始可能位置相关的所有信息在观察和折叠时基本上都会丢失,所以该过程被认为是时间不可逆转的,它对所谓的「时间之箭」有影响,这是我们在日常生活中观察到的单向时间方向。

经典物理和日常生活中也有几率的概念。但这是基于对细节的忽略或平均。例如,扔下一个均匀的硬币,每个面朝上的几率大概是二分之一。我们通常不能预测每一次扔硬币的结果。其实每个硬币的运动由不同的细节决定,如果知道力学细节,原则上可以预言每一次结果。

一些量子物理学家已经发展出一种理论,即时间实际上是一种由称为纠缠的奇怪量子概念产生的新兴现象,其中不同的量子粒子有效地共享存在,即使物理上是分开的,所以每个粒子的量子态只能相对于其他纠缠粒子来描述。该理论甚至声称最近有实验证据,实验证明观察者在与另一个粒子纠缠之前没有发现量子粒子的任何变化。

量子力学中,几率概念首当其冲,是实质性的。对于量子粒子的每个可能位置我们赋予一个复数,称作“波函数”。测量粒子的位置,它出现在某个可能的位置;测量另一个也由这个波函数描述的粒子。这样的过程重复很多遍,然后统计出现在每个位置上的次数,占所有次数的比例就是粒子处于这个位置的几率,等于波函数在这个位置的大小的平方。

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