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          2. 量子力學能證明物質決定意識嗎?不能,但怎么解釋?

            [ 錄入者:zhangms | 時間:2017-04-18 14:29:15 | 作者: | 來源:新浪科技 | 瀏覽:9388次 ]

            來源:科學人公眾號

            到底是因為有圖片,所以你才看到它,還是因為你想到了它,它才讓你看見?圖片來源:The Epoch Times

            量子力學的世界很神奇,但還沒神奇到支持意識決定,和靈魂存在。

            ——回答由朱清時文章引起的兩個疑問

            緣起 

            我們生活的這個世界充滿了奇跡,我們一生在小小的地球上就會遇上難以計數的美好和不美好的事物,更不用說整個宇宙了。普通人看到的是五光十色,孩子也許能看到更多,因為他們的好奇心更重,自己會為萬物命名。一個孩子長大成人之后可能會因為習慣了周遭的事物對奇跡視若無睹,而經過專業訓練的專家卻知道一切都在某些法則之下運行。世界是有序的,而我們可以理解這些秩序,這本身就是奇跡。

            所以西方人將物理定律中的定律(law)和人世間的律法(law)用同一個詞匯表達。天為什么是藍的?石頭為什么堅硬?鐵燒熱了為什么是紅的,隨著溫度的增加為什么從紅色變成白色?……所有這些,背后是量子力學的規律。

            從冷冰冰的無機世界到生動的動物世界,現象變得越來越復雜,原則上沒有任何現象不能被科學所解釋。當然,也有一些未解釋的現象,會啟發我們發展新的科學。比如,人的意識就是一個奇跡中的奇跡,人的喜怒哀樂同樣如此。有些人在理性中尋找答案,有些人從宗教中尋找答案。有一些模糊地帶,暫時不能夠說是科學可以站立的領域,于是各種宗教甚至超自然說法就會變得有一定影響力。但是,已經被科學解釋的現象,卻不能夠拿來支持宗教和其他什么非科學學說

            量子、量子糾纏、量子通訊……這些詞匯越來越熱,主要原因也許是量子技術的科學實驗進展相關報道越來越多,傳播速度的提高以及公眾對科學越來越大的好奇心也增加了這些詞匯的熱度。

            在出版了《給孩子講量子力學》之后,我在簽售過程中發現不論是成人還是孩子,像“量子糾纏”這樣的詞匯會脫口而出,也有人發問量子世界觀是否與佛教世界觀相似,以及量子力學是否支持人類靈魂存在。

            我又發現他們提出這樣的問題和近些年流行的兩篇朱清時先生的文章有關。最早的一篇文章是談弦論與佛學的關系的,標題是《物理學步入禪境——緣起性空》,已經有八年了。前兩年,又有一篇特別標注為“朱清時院士”的文章在朋友圈中流傳,題為《客觀世界很有可能并不存在》,這篇文章對普通人的影響更大,以至于我妹妹將文章發給我,我回答說不要信。

            我寫這篇文章的出發點就是回答這兩個問題:量子世界觀和佛教世界觀是否相似?量子力學是否支持人類靈魂的存在?我這里先說出我的結論,量子力學是量子力學,佛學是佛學,也許我們可以從哲學的角度探討兩者之間的相似性,但兩者確實是獨立無關的。并且,量子力學并不支持靈魂存在,更不支持靈魂是不朽的。

            我這里集中討論《客觀世界很有可能并不存在》(以下簡稱《客觀》)一文中的兩個主要觀點,一:沒有意識就沒有客觀世界;二,靈魂就是量子信息。

            沒有意識也會有量子世界

            《客觀》文中先說沒有意識就沒有客觀世界,又說客觀世界并不存在。

            我先引用一下朱清時先生的主要論點之一,他說:

            “量子力學就像說你的女兒既在客廳又不在客廳,你要去看這個女兒在不在,你就實施了觀察的動作。你一觀察,這個女兒的存在狀態就坍縮了,她就從原來的,在客廳又不在客廳的疊加狀態,一下子變成在客廳或者不在客廳的唯一的狀態了。所以量子力學怪就怪在這兒:你不觀察它,它就處于疊加態,也就是一個電子既在A點又不在A點。你一觀察,它這種疊加狀態就崩潰了,它就真的只在A點或者真的只在B點了,只出現一個。”最后,他得出結論:“所以波函數,也就是量子力學的狀態,從不確定到確定必須要有意識的參與,這就是爭論到最后大家的結論。”他還說:“意識是物質世界的基礎,意識才使物質世界從不確定到確定。

            當然,用“你的女兒”作為被觀測對象是為了形象以及夸張,事實上,在量子力學中,微觀客體才會處于量子態中,比如一個原子。而幾乎所有宏觀客體并不處于量子態,原因很簡單,因為一個宏觀客體總是不斷地與其他客體接觸,接觸之后不免互相作用,這種作用,其實就是類似朱先生說的“觀察”,宏觀客體一旦與別的物體接觸,就不會處于量子態中,特別地,不會處于“既在客廳又不在客廳”這種量子疊加態中(在客廳是一個量子態,不在客廳是另一個量子態)。

            其實,要將你女兒置于既在客廳又不在客廳這種狀態,實驗物理學家現在還做不到,因為只要空氣或者其他類似的環境存在,你的女兒馬上就只能選擇一種狀態:在客廳,或者不在客廳,不會在客廳又不在客廳。為什么會這樣呢?我們稍后解釋。

            《客觀》將人的意識拔高到只有意識才會造成量子態的崩潰,這是第一個誤導。假如只有意識才能造成“波函數塌縮”,那么我們真的會懷疑沒有意識確實沒有客觀世界。

            接下來,我們仔細討論一下意識與物質世界的關系。

            朱文的一個中心論點是物質世界與意識不可分開,也就是說,沒有意識就沒有物質世界。如果他是對的,倒是一勞永逸地解決了宇宙學家的一個終極問題:我們這個宇宙中為什么存在意識?因為在他看來,意識必須存在,否則就沒有物質世界。是先有意識才有物質世界,所以,如果你問我們這個世界為什么存在意識,你就沒有學會量子力學

            事情有這么簡單嗎?當然沒有這么簡單。

            在物理學中,當我們談論一個客體時(比如一個電子,一只貓,或“你的女兒”),我們要為這個客體賦予一些量。我們談電子好了。電子有三個最重要的量,第一個是質量。不論意識去不去測量,電子的質量是固定的,大約是10 的負27次方克; 其次是電荷。怎么去測量電子的電荷呢?很簡單,讓一個運動的電子穿過磁場,看電子路徑的彎曲程度就能測量它的電荷了。同樣,不論我們去不去測量這個電荷,這個電荷永遠不變。電子的第三個重要性質是自旋,它就像一個小陀螺。電子的自旋和其質量以及電荷一樣,總是不變的。

            最后,來到核心。電子是粒子,所以電子可以有位置和速度。現在,朱文認為量子力學起作用了。當我們不去測量電子的位置和速度時,電子位置是不確定的,也就是說,電子是這么一個古怪的粒子,它可以同時處于不同的位置。這正是量子力學與經典力學的不同之處。

            電子可以同時處于不同的位置不等于電子不存在,或者,當我們不去測量它的位置時,不等于說電子不存在。只能說,電子的物理狀態很奇特,它可以處于不同位置狀態的疊加之中。既然電子的質量、電荷以及自旋與測量無關,我們就沒有理由說沒有意識它就不存在。我們只能說,不測量一個電子的位置時,我們不知道它的位置,或者,電子可以處于不同位置的疊加態中。我給你一克電子,我清楚地知道這克電子里有一千億億億個電子,這是永遠不變的,一千億億億個電子不會憑空消失,甚至連一個電子也不會憑空消失。

            至于朱文的客觀世界的概念,大約還包含每個電子在一個給定時刻的位置,而我們恰恰認為,這是古典物理學給我們帶來的錯誤認知,電子,以及任何其它基本粒子,就不是古典物理學世界中的那種粒子,必須在給定時刻有一個固定的位置。

            我們在上面以電子為例談了量子世界與古典世界的同與不同。我們接著談,測量和意識到底是個什么關系?為什么測量會讓電子的位置顯示出來?

            最近,我去貝志城家吃飯賞櫻花,我就和幾位客人討論櫻花。我說,我們觀賞櫻花,櫻花當然就被看到了。我們不觀賞櫻花,櫻花還在那里,與你看不看無關。這是為什么呢?

            看櫻花,就是一種測量。測量,在現代物理學里,是兩個系統糾纏。比如我去稱體重,我的身體就和體重秤糾纏起來了。體重秤的指針指在70公斤,這是指針的狀態,而我身體的體重是我身體的狀態。我的體重和指針的方向糾纏在一起了,這形成了一個測量。

            再比如說,我們將一個電子打到一個熒屏上,熒屏的一個地方亮了,我們就得知電子的位置在那個地方。這是什么意思呢?電子的位置與熒屏發光的位置糾纏在一起了。即使沒有人去看,這個糾纏也是存在的。有了人去看,不過是有人確定地看到了這個糾纏。現在的情況是,三個系統糾纏在一起了:電子的位置,熒屏發光的位置,以及人眼接收到了熒屏發光位置發出的光子……我們看到,這三個系統不過是糾纏在一起,并沒有誰先誰后的問題,也沒有哪個系統更重要的問題。我們還可以類似地推論下去:人眼接收到光子,在視網膜上產生電信號,通過神經網絡進入人的大腦……這個鏈條可以很長,最后,才是人的意識。

            現在問題來了,當我們談論意識時我們究竟在談論什么?在人類揭開意識之謎之前,我們只能模糊地談論意識。比如說,一只猴子有意識嗎?如果有,那么猴子也可以意識到電子的存在,只不過它不知道電子是個什么概念。如果猴子沒有意識,那么,在智人出現之前,電子就不存在?我估計即使一個學佛的人,也不會接受這個觀點:在智人出現之前,電子不存在,地球不存在,太陽不存在……

            接下來我再談談為什么當我們測量電子的位置時,電子的位置就是固定的。其實,這和我們使用什么儀器有關,我們用熒光屏,電子打到熒光屏上和上面的熒光物質發生相互作用,使得熒光屏的一個原子被激發從而發光。電子能同時讓兩個地方發光嗎?不能。這是因為電子是個基本粒子,它與原子發生作用時只能是局域的。我們現在明白了,為什么當我們用熒屏測量電子的位置時,它的位置就會被固定下來,只是,量子力學告訴我們,電子不是經典世界中的電子,它的位置可以出現在這里,也可以出現在那里,但一旦出現,只能在一個地方出現。

            量子力學的世界是個神奇的世界,這個世界再神奇,也不會神奇到沒有意識就不存在。它只是告訴我們,一個粒子可以處于不同位置的疊加態中,甚至任何物體可以處于不同位置的疊加態中。另外,電子同時具備確定位置和確定速度的狀態不存在,這種狀態不存在也不等于電子不存在,更不等于沒有意識電子就不存在。否則我們會問一個悖論性的問題:在人類出現之前,宇宙存在嗎?

            量子力學還有一個特點,就是當一個系統很大時,這個系統表現得像古典物理中的系統。例如,當我們談論薛定諤的貓時,盡管原則上貓可以同時處于生和死的狀態,但由于貓太大了,貓通過呼吸和空氣發生作用,或者貓的身體和外界接觸,貓就會肯定地處于生的狀態,或肯定地處于死的狀態,幾乎不會同時處于生和死的狀態。在量子力學中,與這個現象相關的術語叫退相干:一個系統如果和一個特別大的系統接觸后,這個系統會很快地選擇一個我們熟悉的古典狀態,而不再同時處于兩個量子態的疊加之中。薛定諤的貓要么生要么死,同樣,當我們測量電子的位置時,由于熒屏是個很大的系統,電子會很快處于一個固定位置的狀態。

            以上的道理也解釋了貝志城院子里的櫻花本來就開在那里,因為有空氣,有陽光,有土地,與我們看不看無關。

            沒有人類的測量,量子態也會退相干,也就是會塌縮,所以,朱文的主要結論之一“所以波函數,也就是量子力學的狀態,從不確定到確定必須要有意識的參與,這就是爭論到最后大家的結論。”并不正確

            靈魂存在嗎?

            前面我們看到,意識只是眾多“測量”的可能性之一。但《客觀》一文中有一段話將意識上升到非常重要的地位,我們看看: 

            “就是電子這些東西,在你沒有測量的時候,它處處都存在,也處處不存在,一旦你測量,電子就有個固定狀態出來了。意識也是這樣,如果你看到這朵花,一下子動念頭了,動念頭實質上就是作了測量。你用鼻子作了測量發現是香的,你眼睛進行測量發現是紅色的而且美麗,你動意念去測量它,發現它很令人愉快。

            于是這些測量的結果,也就是念頭的結果,一下子使你產生了進一步的念頭:這是一朵玫瑰花,就認出它來了。

            人意識的發動過程實際上是通過動念進行測量,然后產生念頭。這時候念頭產生出來了,實質是通過測量得出的幾個我們制造出來的概念。這時意識不再自由,它突然坍塌到一個概念‘玫瑰花’上。因此是念頭產生了‘客觀’,念頭就是測量,客觀世界是一系列復雜念頭造成的。說得更深一步,《楞嚴經》講‘性覺必明,妄為明覺,本覺明妙,覺明為咎’,是什么意思呢?整個物質世界的產生,實際上在意識形成之初,宇宙本體本來是清凈本然的,一旦動了念頭想去看它了,這念頭就是一種測量,一下子就使這個‘清凈本然’變成一種確定的狀態,這樣就生成為物質世界了。《楞嚴經》最早、最清楚地把意識和測量的關系說出來了。”

            如果大家沒有讀到我在上一節中對觀測的分析,很可能就被這段話誤導了,以為沒有意識,熒光屏也不會被打到的電子發光,也就是說,我們的“念頭”太重要了。這當然是錯的。我們動念與否,電子肯定會和熒光屏上的熒光物質產生作用,這樣它的位置就固定了。同樣,無論我們動念與否,一朵玫瑰花肯定是一朵玫瑰花,因為它長在玫瑰樹上,沐浴在陽光下,玫瑰樹還會和周圍的空氣產生作用,吸進二氧化碳呼出氧氣,這些作用已經使得玫瑰花成為它本來的模樣,不論我們是否動念去看它。

            接下來我們再分析朱文關于靈魂的論證。他關于靈魂的解釋,建立于人的大腦中的意識可能與糾纏有關的認識上。下面,我們看看量子糾纏是什么意思。

            我喜歡用一對手套的比喻來解釋什么是量子糾纏。考慮有一對手套,別人將這對手套分成兩只分別裝在兩個盒子里。在打開這兩個盒子之前,我們不知道哪個盒子里的手套是左手的,哪個盒子里的手套是右手的。現在,我們將一個盒子送到月亮上,一個盒子留在手里。如果我們打開手中的那個盒子,發現盒子里裝的是右手手套,那么我們可以確信月亮上的盒子裝的是左手手套。假如月亮上有一個人也打開月亮上盒子,當然他會發現盒子里裝的是左手手套。這就說明兩只手套是糾纏的,也就是說一只是右手另一只是左手。這個現象并不奇怪,因為一對手套總是這樣。

            現在,奇怪的事情發生了,在量子世界中量子手套左右手并不確定,也就是說每只手套處于不確定狀態既可以是左手也可以是右手,也就是說處于疊加狀態。在打開盒子之前,手套的左右手特征并不確定。現在,我們同樣將兩只手套裝在兩個盒子里,將一個盒子送到月亮上,另外一個盒子留在手里。我們將留在手中的盒子打開,手套可能是左手的也可能是右手的,假如說我們打開之后看到手中的手套是右手的,在遙遠的月亮上的那只手套本來也不確定左右手,可是當我們看到留在手中的位置是右手的時候,此刻月亮上的那只手套就變成左手的;如果我們手中的手套是左手的,此刻月亮上的那只手套立刻就成為右手的。量子手套和普通手套不一樣的地方在于,普通的手套不管你打開不打開它的左右手一定是確定的,而量子手套并不確定,但是如果我們觀察一只手套確定之后另外一只也就確定了,看起來好像有瞬時傳遞的效果。普通手套并沒有瞬時傳遞效果,因為即使我們不觀察,它們的左右性質早就固定了。

            人類的大腦如何產生意識是一個難題,朱文引用的彭羅斯的微管量子假設并沒有得到科學實驗的證實:

            “彭羅斯和哈梅羅夫認為,在人的大腦神經元里有一種細胞骨架蛋白,是由一些微管組成的,這些微管有很多聚合單元等等,微管控制細胞生長和神經細胞傳輸,每個微管里都含有很多電子,這些電子之間距離很近,所以都可以處于量子糾纏的狀態。

            在坍縮的時候,也就是進行觀測的時候,起心動念開始觀測的時候,在大腦神經里,就相當于海量的糾纏態的電子坍縮一次,一旦坍縮,就產生了念頭。”

            接著這篇文章用隱形傳輸的概念論證意識可以和宇宙中別的地方存在量子糾纏,這樣那個地方也就存在意識。這個論證跳躍的地方太多,下面我仔細分析哪些地方是跳躍的。

            前面說過,彭羅斯假設沒有得到實驗證實。即使我們假設類似彭羅斯假設是正確的,假設這些分子可以處于量子態,但這些量子態只存在于一個人的大腦中,并不一定互相糾纏,也不會和大腦之外的其他東西糾纏,這就否定了一個人的大腦和宇宙空間中其他什么東西糾纏。我們已經看到朱文關于靈魂論證的兩個跳躍:一個跳躍是一個人大腦中很多不同分子(或微管中很多電子)之間的糾纏,另一個跳躍說大腦中這些分子和宇宙中其他部分糾纏。下面是朱文關于大腦和宇宙其他地方的什么糾纏的部分:

            “按照彭羅斯和哈梅羅夫的理論,我們的大腦中真是存在海量的糾纏態電子的話,而且我們的意識是這些糾纏態電子坍縮而產生的,那么意識就不光是存在于我們的大腦神經系統細胞之中,不只是大腦神經細胞的交互,而且也形成在宇宙之中,因為宇宙中不同地方的電子可能是糾纏在一起的。

            這樣一來,人的意識不僅存在于大腦之中,也存在于宇宙之中,在宇宙的哪個地方不確定。量子糾纏告訴我們,一定有個地方存在著人的意識,這是量子糾纏的結論。

            如果人的意識不光存在于大腦之中,也通過糾纏而存在于宇宙某處,那么在人死亡的時候,意識就可能離開你的身體,完全進入到宇宙中。”

            這一段話跳躍得實在太大了,當我的父母生下我的時候,我的大腦居然是和宇宙中別的什么糾纏的。注意,我們在一生中還會不斷學習,這些知識會儲存在我們的大腦中。如果我們相信上面的“論證”,我學習的時候,別的什么地方的某種東西也在學習,因為我和那個東西是糾纏的,實在不可思議。

            朱文說通過量子隱態傳輸,人的意識在人死后可以離開身體,所以靈魂存在,這是另一個論證跳躍。其實,量子隱態傳輸是一個十分困難的事情,科學家在實驗室也只能做到將不多的光子或原子傳輸到別的地方去。人的大腦含有巨量的分子原子,比阿伏伽德羅常數還要大(阿伏伽德羅常數就是一克氫中含的氫原子個數,大約是六千萬億億),要將人的大腦傳輸出去,或者大腦中處于量子態的分子傳輸出去,是一個巨大的工程。

            這里順便解釋一下什么叫量子隱態傳輸,我們還是用量子手套或量子鞋做比喻。我把一個粒子比喻成鞋,我想把右腳鞋送到月亮上去,但量子不可克隆,我怎么送?沒有辦法送不可克隆的東西。隱形態傳輸研究了多年,想出了一個絕妙的辦法。我先找一對量子鞋,一定是一只左一只右,我把其中一只送到月亮上,我不知道左右,但是量子糾纏告訴我們一定是一只左一只右,現在我把月亮的鞋變成我原來想送的鞋,就是第三只皮鞋,是我本來想送上去的。我不送,因為我已經送了一只鞋,一對量子鞋,一只留在我手里,另外一只送到月球上。現在拿第三只鞋不管是左右,我想送到月球上,把第三只鞋跟我手里其中一只比較,如果全是右的,顯然月球上的是左腳,就讓月球上的鞋翻過來。如果比較的結果是一左一右,可見本來想送的鞋應該和月亮上的那只一樣,月亮上的那只就不用做任何改變。說起來很簡單,道理很深。

            你看,要將一只量子鞋傳輸到月亮上,我必須還得準備另外一對量子鞋,而且月亮上還得有人。如果我打算將一億個量子鞋傳輸出去,就要另外準備一億對處于糾纏狀態的量子鞋。現在,如果我打算將我的大腦傳輸出去,我就得準備兩倍于我的大腦物質的東西,它們還必須處于糾纏狀態。之后,實驗人員還得將我的大腦和他手里的物質做對比,這是一個多么復雜的工程。

            總結一下,第一,即使我相信我的大腦是量子態,或我的大腦中的一部分是量子態,它也不會和宇宙中其他什么東西糾纏,這就像我們在實驗室制備一個處于量子態的電子,它是獨立的,不會和遙遠的什么東西糾纏。第二,如果我想在我死的的時候將我的意識傳遞出去,我必須請我的朋友準備好兩倍于我的大腦的物質,這兩部分互相糾纏,然后將其中一部分送到別的地方,將其中另一部分和我的大腦做對比。這樣下來,即使我的“靈魂”被保留了,也是高科技人工的結果,而不是大自然的結果

            意識是如何產生的?傳統認知科學、心理學認為意識無非是我們大腦中神經元的集體作用的結果,神經元之間通過放電互動,看上去應該和量子力學沒有任何關系。也許,隨著大腦科學以及物理學之間有機互動發展,人們會發現大腦中存在量子過程,并且這些量子過程在意識發生的過程中起到非常重要的作用。即使如此,人類的大腦中的量子過程并不會和宇宙中任何其他地方的量子過程糾纏在一起,就像一個氫原子中的電子肯定不會和一個遙遠的氫原子中的電子發生糾纏一樣。

            人類在未來也許會實現量子計算機,也許會實現宏觀物體的量子傳輸,甚至會將人類的意識保存起來,但這和自然界中的“靈魂”沒有任何關系

            結語

            我們這個時代非常奇怪。當科學技術越來越發達時,越來越多的人依賴科技帶來的各種便利,因此科學的話語權越來越大,使得一些人將科學看成一種萬能的工具。另一方面,人們生活節奏的加快以及隨之而來的壓力,驅使一部分人到宗教那里尋找精神依靠。科學話語權霸主的地位,讓某些宗教人士以及偏好宗教的人到科學這里尋找“依據”,有些人甚至說:“科學的盡頭是宗教”、“當科學家爬到山峰時,佛學大師早就等在那里了”,等等。宗教和科學爬的本來不是一座山。

            費曼在一篇文章里說,科學與宗教的區別是,前者的核心是不確定性,后者的核心是確定性。比如說,解釋一個現象的科學學說是臨時的,是需要越來越多的證據的,所以永遠是統計性質的。在物理學中,我們往往說某個現象的證據是幾個標準誤差,換句話說,只是十分可能的,而不是百分之百確定的。理論和模型也是如此,當科學家需要的時候,牛頓力學被修正為相對論力學,諸如此類。宗教則相反,一個斷言是百分之百正確的。當然,佛教是一個獨特的宗教,哲學成分很大。即使如此,量子力學也不能拿來支持某些說法,例如世界是虛幻的,靈魂是存在的。

            讓科學的歸科學,宗教的歸宗教,才是宗教和科學相處的最好方式。

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