量子力学科普文章

量子力学 撰文|李淼（中山大学教授） ●●● 一、缘起 我们生活的这个世界充满了奇迹，我们一生在小小的地球上就会遇上难以计数的美好和不美好的事物，更不用说整个宇宙了。普通人看到的是五光十色，孩子也许能看到更多，因为他们的好奇心更重，自己会为万物命名。一个孩子长大成人之后可能会因为习惯了周遭的事物对奇迹视若无睹，而经过专业训练的专家却知道一切都在某些法则之下运行。世界是有序的，而我们可以理解这些秩序，这本身就是奇迹。 所以西方人将物理定律中的定律（law）和人世间的律法（law）用同一个词汇表达。天为什么是蓝的？石头为什么坚硬？铁烧热了为什么是红的，随着温度的增加为什么从红色变成白色？……所有这些，背后是量子力学的规律。 从冷冰冰的无机世界到生动的动物世界，现象变得越来越复杂，原则上没有任何现象不能被科学所解释。当然，也有一些未解释的现象，会启发我们发展新的科学。比如，人的意识就是一个奇迹中的奇迹，人的喜怒哀乐同样如此。有些人在理性中寻找答案，有些人从宗教中寻找答案。有一些模糊地带，暂时不能够说是科学可以站立的领域，于是各种宗教甚至超自然说法就会变得有一定影响力。但是，已经被科学解释的现象，却不能够拿来支持宗教和其他什么非科学学说。 量子、量子纠缠、量子通讯……这些词汇越来越热，主要原因也许是量子技术的科学实验进展相关报道越来越多，传播速度的提高以及公众对科学越来越大的好奇心也增加了这些词汇的热度。 在出版了《给孩子讲量子力学》之后，我在签售过程中发现不论是成人还是孩子，像“量子纠缠”这样的词汇会脱口而出，也有人发问量子世界观是否与佛教世界观相似，以及量子力学是否支持人类灵魂存在。 我又发现他们提出这样的问题和近些年流行的两篇朱清时先生的文章有关。最早的一篇文章是谈弦论与佛学的关系的，标题是《物理学步入禅境——缘起性空》，已经有八年了。前两年，又有一篇特别标注为“朱清时院士”的文章在朋友圈中流传，题为《客观世界很有可能并不存在》，这篇文章对普通人的影响更大，以至于我妹妹将文章发给我，我回答说不要信。 我写这篇文章的出发点就是回答这两个问题：量子世界观和佛教世界观是否相似？量子力学是否支持人类灵魂的存在？我这里先说出我的结论，量子力学是量子力学，佛学是佛学，也许我们可以从哲学的角度探讨两者之间的相似性，但两者确实是独立无关的。并且，量子力学并不支持灵魂存在，更不支持灵魂是不朽的。 我这里集中讨论《客观世界很有可能并不存在》（以下简称《客观》）一文中的两个主要观点，一：没有意识就没有客观世界；二，灵魂就是量子信息。 二、没有意识也会有量子世界 《客观》文中先说没有意识就没有客观世界，又说客观世界并不存在。 我先引用一下朱清时先生的主要论点之一，他说： “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。”最后，他得出结论：“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。”他还说：“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。” 当然，用“你的女儿”作为被观测对象是为了形象以及夸张，事实上，在量子力学中，微观客体才会处于量子态中，比如一个原子。而几乎所有宏观客体并不处于量子态，原因很简单，因为一个宏观客体总是不断地与其他客体接触，接触之后不免互相作用，这种作用，其实就是类似朱先生说的“观察”，宏观客体一旦与别的物体接触，就不会处于量子态中，特别地，不会处于“既在客厅又不在客厅”这种量子叠加态中（在客厅是一个量子态，不在客厅是另一个量子态）。 其实，要将你女儿置于既在客厅又不在客厅这种状态，实验物理学家现在还做不到，因为只要空气或者其他类似的环境存在，你的女儿马上就只能选择一种状态：在客厅，或者不在客厅，不会在客厅又不在客厅。为什么会这样呢？我们稍后解释。 《客观》将人的意识拔高到只有意识才会造成量子态的崩溃，这是第一个误导。假如只有意识才能造成“波函数塌缩”，那么我们真的会怀疑没有意识确实没有客观世界。 接下来，我们仔细讨论一下意识与物质世界的关系。 朱文的一个中心论点是物质世界与意识不可分开，也就是说，没有意识就没有物质世界。如果他是对的，倒是一劳永逸地解决了宇宙学家的一个终极问题：我们这个宇宙中为什么存在意识？因为在他看来，意识必须存在，否则就没有物质世界。是先有意识才有物质世界，所以，如果你问我们这个世界为什么存在意识，你就没有学会量子力学。 事情有这么简单吗？当然没有这么简单。 在物理学中，当我们谈论一个客体时（比如一个电子，一只猫，或“你的女儿”），我们要为这个客体赋予一些量。我们谈电子好了。电子有三个最重要的量，第一个是质量。不论意识去不去测量，电子的质量是固定的，大约是10的负27次方克；其次是电荷。怎么去测量电子的电荷呢？很简单，让一个运动的电子穿过磁场，看电子路径的弯曲程度就能测量它的电荷了。同样，不论我们去不去测量这个电荷，这个电荷永远不变。电子的第三个重要性质是自旋，它就像一个小陀螺。电子的自旋和其质量以及电荷一样，总是不变的。 最后，来到核心。电子是粒子，所以电子可以有位置和速度。现在，朱文认为量子力学起作用了。当我们不去测量电子的位置和速度时，电子位置是不确定的，也就是说，电子是这么一个古怪的粒子，它可以同时处于不同的位置。这正是量子力学与经典力学的不同之处。 电子可以同时处于不同的位置不等于电子不存在，或者，当我们不去测量它的位置时，不等于说电子不存在。只能说，电子的物理状态很奇特，它可以处于不同位置状态的叠加之中。既然电子的质量、电荷以及自旋与测量无关，我们就没有理由说没有意识它就不存在。我们只能说，不测量一个电子的位置时，我们不知道它的位置，或者，电子可以处于不同位置的叠加态中。我给你一克电子，我清楚地知道这克电子里有一千亿亿亿个电子，这是永远不变的，一千亿亿亿个电子不会凭空消失，甚至连一个电子也不会凭空消失。 至于朱文的客观世界的概念，大约还包含每个电子在一个给定时刻的位置，而我们恰恰认为，这是古典物理学给我们带来的错误认知，电子，以及任何其它基本粒子，就不是古典物理学世界中的那种粒子，必须在给定时刻有一个固定的位置。 我们在上面以电子为例谈了量子世界与古典世界的同与不同。我们接着谈，测量和意识到底是个什么关系？为什么测量会让电子的位置显示出来？ 最近，我去贝志城家吃饭赏樱花，我就和几位客人讨论樱花。我说，我们观赏樱花，樱花当然就被看到了。我们不观赏樱花，樱花还在那里，与你看不看无关。这是为什么呢？ 看樱花，就是一种测量。测量，在现代物理学里，是两个系统纠缠。比如我去称体重，我的身体就和体重秤纠缠起来了。体重秤的指针指在70公斤，这是指针的状态，而我身体的体重是我身体的状态。我的体重和指针的方向纠缠在一起了，这形成了一个测量。 再比如说，我们将一个电子打到一个荧屏上，荧屏的一个地方亮了，我们就得知电子的位置在那个地方。这是什么意思呢？电子的位置与荧屏发光的位置纠缠在一起了。即使没有人去看，这个纠缠也是存在的。有了人去看，不过是有人确定地看到了这个纠缠。现在的情况是，三个系统纠缠在一起了：电子的位置，荧屏发光的位置，以及人眼接收到了荧屏发光位置发出的光子……我们看到，这三个系统不过是纠缠在一起，并没有谁先谁后的问题，也没有哪个系统更重要的问题。我们还可以类似地推论下去：人眼接收到光子，在视网膜上产生电信号，通过神经网络进入人的大脑……这个链条可以很长，最后，才是人的意识。 现在问题来了，当我们谈论意识时我们究竟在谈论什么？在人类揭开意识之谜之前，我们只能模糊地谈论意识。比如说，一只猴子有意识吗？如果有，那么猴子也可以意识到电子的存在，只不过它不知道电子是个什么概念。如果猴子没有意识，那么，在智人出现之前，电子就不存在？我估计即使一个学佛的人，也不会接受这个观点：在智人出现之前，电子不存在，地球不存在，太阳不存在…… 接下来我再谈谈为什么当我们测量电子的位置时，电子的位置就是固定的。其实，这和我们使用什么仪器有关，我们用荧光屏，电子打到荧光屏上和上面的荧光物质发生相互作用，使得荧光屏的一个原子被激发从而发光。电子能同时让两个地方发光吗？不能。这是因为电子是个基本粒子，它与原子发生作用时只能是局域的。我们现在明白了，为什么当我们用荧屏测量电子的位置时，它的位置就会被固定下来，只是，量子力学告诉我们，电子不是经典世界中的电子，它的位置可以出现在这里，也可以出现在那里，但一旦出现，只能在一个地方出现。 量子力学的世界是个神奇的世界，这个世界再神奇，也不会神奇到没有意识就不存在。它只是告诉我们，一个粒子可以处于不同位置的叠加态中，甚至任何物体可以处于不同位置的叠加态中。另外，电子同时具备确定位置和确定速度的状态不存在，这种状态不存在也不等于电子不存在，更不等于没有意识电子就不存在。否则我们会问一个悖论性的问题：在人类出现之前，宇宙存在吗？ 量子力学还有一个特点，就是当一个系统很大时，这个系统表现得像古典物理中的系统。例如，当我们谈论薛定谔的猫时，尽管原则上猫可以同时处于生和死的状态，但由于猫太大了，猫通过呼吸和空气发生作用，或者猫的身体和外界接触，猫就会肯定地处于生的状态，或肯定地处于死的状态，几乎不会同时处于生和死的状态。在量子力学中，与这个现象相关的术语叫退相干：一个系统如果和一个特别大的系统接触后，这个系统会很快地选择一个我们熟悉的古典状态，而不再同时处于两个量子态的叠加之中。薛定谔的猫要么生要么死，同样，当我们测量电子的位置时，由于荧屏是个很大的系统，电子会很快处于一个固定位置的状态。 以上的道理也解释了贝志城院子里的樱花本来就开在那里，因为有空气，有阳光，有土地，与我们看不看无关。 没有人类的测量，量子态也会退相干，也就是会塌缩，所以，朱文的主要结论之一“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。”并不正确。 三、灵魂存在吗？ 前面我们看到，意识只是众多“测量”的可能性之一。但《客观》一文中有一段话将意识上升到非常重要的地位，我们看看： “就是电子这些东西，在你没有测量的时候，它处处都存在，也处处不存在，一旦你测量，电子就有个固定状态出来了。意识也是这样，如果你看到这朵花，一下子动念头了，动念头实质上就是作了测量。你用鼻子作了测量发现是香的，你眼睛进行测量发现是红色的而且美丽，你动意念去测量它，发现它很令人愉快。 于是这些测量的结果，也就是念头的结果，一下子使你产生了进一步的念头：这是一朵玫瑰花，就认出它来了。 人意识的发动过程实际上是通过动念进行测量，然后产生念头。这时候念头产生出来了，实质是通过测量得出的几个我们制造出来的概念。这时意识不再自由，它突然坍塌到一个概念‘玫瑰花’上。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。说得更深一步，《楞严经》讲‘性觉必明,妄为明觉,本觉明妙,觉明为咎’，是什么意思呢？整个物质世界的产生，实际上在意识形成之初，宇宙本体本来是清净本然的，一旦动了念头想去看它了，这念头就是一种测量，一下子就使这个‘清净本然’变成一种确定的状态，这样就生成为物质世界了。《楞严经》最早、最清楚地把意识和测量的关系说出来了。” 如果大家没有读到我在上一节中对观测的分析，很可能就被这段话误导了，以为没有意识，荧光屏也不会被打到的电子发光，也就是说，我们的“念头”太重要了。这当然是错的。我们动念与否，电子肯定会和荧光屏上的荧光物质产生作用，这样它的位置就固定了。同样，无论我们动念与否，一朵玫瑰花肯定是一朵玫瑰花，因为它长在玫瑰树上，沐浴在阳光下，玫瑰树还会和周围的空气产生作用，吸进二氧化碳呼出氧气，这些作用已经使得玫瑰花成为它本来的模样，不论我们是否动念去看它。 接下来我们再分析朱文关于灵魂的论证。 他关于灵魂的解释，建立于人的大脑中的意识可能与纠缠有关的认识上。下面，我们看看量子纠缠是什么意思。 我喜欢用一对手套的比喻来解释什么是量子纠缠。考虑有一对手套，别人将这对手套分成两只分别装在两个盒子里。在打开这两个盒子之前，我们不知道哪个盒子里的手套是左手的，哪个盒子里的手套是右手的。现在，我们将一个盒子送到月亮上，一个盒子留在手里。如果我们打开手中的那个盒子，发现盒子里装的是右手手套，那么我们可以确信月亮上的盒子装的是左手手套。假如月亮上有一个人也打开月亮上盒子，当然他会发现盒子里装的是左手手套。这就说明两只手套是纠缠的，也就是说一只是右手另一只是左手。这个现象并不奇怪，因为一对手套总是这样。 现在，奇怪的事情发生了，在量子世界中量子手套左右手并不确定，也就是说每只手套处于不确定状态既可以是左手也可以是右手，也就是说处于叠加状态。在打开盒子之前，手套的左右手特征并不确定。现在，我们同样将两只手套装在两个盒子里，将一个盒子送到月亮上，另外一个盒子留在手里。我们将留在手中的盒子打开，手套可能是左手的也可能是右手的，假如说我们打开之后看到手中的手套是右手的，在遥远的月亮上的那只手套本来也不确定左右手，可是当我们看到留在手中的位置是右手的时候，此刻月亮上的那只手套就变成左手的；如果我们手中的手套是左手的，此刻月亮上的那只手套立刻就成为右手的。量子手套和普通手套不一样的地方在于，普通的手套不管你打开不打开它的左右手一定是确定的，而量子手套并不确定，但是如果我们观察一只手套确定之后另外一只也就确定了，看起来好像有瞬时传递的效果。普通手套并没有瞬时传递效果，因为即使我们不观察，它们的左右性质早就固定了。 人类的大脑如何产生意识是一个难题，朱文引用的彭罗斯的微管量子假设并没有得到科学实验的证实： “彭罗斯和哈梅罗夫认为，在人的大脑神经元里有一种细胞骨架蛋白，是由一些微管组成的，这些微管有很多聚合单元等等，微管控制细胞生长和神经细胞传输，每个微管里都含有很多电子，这些电子之间距离很近，所以都可以处于量子纠缠的状态。 在坍缩的时候，也就是进行观测的时候，起心动念开始观测的时候，在大脑神经里，就相当于海量的纠缠态的电子坍缩一次，一旦坍缩，就产生了念头。” 接着这篇文章用隐形传输的概念论证意识可以和宇宙中别的地方存在量子纠缠，这样那个地方也就存在意识。这个论证跳跃的地方太多，下面我仔细分析哪些地方是跳跃的。 前面说过，彭罗斯假设没有得到实验证实。即使我们假设类似彭罗斯假设是正确的，假设这些分子可以处于量子态，但这些量子态只存在于一个人的大脑中，并不一定互相纠缠，也不会和大脑之外的其他东西纠缠，这就否定了一个人的大脑和宇宙空间中其他什么东西纠缠。我们已经看到朱文关于灵魂论证的两个跳跃：一个跳跃是一个人大脑中很多不同分子（或微管中很多电子）之间的纠缠，另一个跳跃说大脑中这些分子和宇宙中其他部分纠缠。下面是朱文关于大脑和宇宙其他地方的什么纠缠的部分： “按照彭罗斯和哈梅罗夫的理论，我们的大脑中真是存在海量的纠缠态电子的话，而且我们的意识是这些纠缠态电子坍缩而产生的，那么意识就不光是存在于我们的大脑神经系统细胞之中，不只是大脑神经细胞的交互，而且也形成在宇宙之中，因为宇宙中不同地方的电子可能是纠缠在一起的。 这样一来，人的意识不仅存在于大脑之中，也存在于宇宙之中，在宇宙的哪个地方不确定。量子纠缠告诉我们，一定有个地方存在着人的意识，这是量子纠缠的结论。 如果人的意识不光存在于大脑之中，也通过纠缠而存在于宇宙某处，那么在人死亡的时候，意识就可能离开你的身体，完全进入到宇宙中。” 这一段话跳跃得实在太大了，当我的父母生下我的时候，我的大脑居然是和宇宙中别的什么纠缠的。注意，我们在一生中还会不断学习，这些知识会储存在我们的大脑中。如果我们相信上面的“论证”，我学习的时候，别的什么地方的某种东西也在学习，因为我和那个东西是纠缠的，实在不可思议。 朱文说通过量子隐态传输，人的意识在人死后可以离开身体，所以灵魂存在，这是另一个论证跳跃。其实，量子隐态传输是一个十分困难的事情，科学家在实验室也只能做到将不多的光子或原子传输到别的地方去。人的大脑含有巨量的分子原子，比阿伏伽德罗常数还要大（阿伏伽德罗常数就是一克氢中含的氢原子个数，大约是六千万亿亿），要将人的大脑传输出去，或者大脑中处于量子态的分子传输出去，是一个巨大的工程。 这里顺便解释一下什么叫量子隐态传输，我们还是用量子手套或量子鞋做比喻。我把一个粒子比喻成鞋，我想把右脚鞋送到月亮上去，但量子不可克隆，我怎么送？没有办法送不可克隆的东西。隐形态传输研究了多年，想出了一个绝妙的办法。我先找一对量子鞋，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，但是量子纠缠告诉我们一定是一只左一只右，现在我把月亮的鞋变成我原来想送的鞋，就是第三只皮鞋，是我本来想送上去的。我不送，因为我已经送了一只鞋，一对量子鞋，一只留在我手里，另外一只送到月球上。现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较，如果全是右的，显然月球上的是左脚，就让月球上的鞋翻过来。如果比较的结果是一左一右，可见本来想送的鞋应该和月亮上的那只一样，月亮上的那只就不用做任何改变。说起来很简单，道理很深。 你看，要将一只量子鞋传输到月亮上，我必须还得准备另外一对量子鞋，而且月亮上还得有人。如果我打算将一亿个量子鞋传输出去，就要另外准备一亿对处于纠缠状态的量子鞋。现在，如果我打算将我的大脑传输出去，我就得准备两倍于我的大脑物质的东西，它们还必须处于纠缠状态。之后，实验人员还得将我的大脑和他手里的物质做对比，这是一个多么复杂的工程。 总结一下，第一，即使我相信我的大脑是量子态，或我的大脑中的一部分是量子态，它也不会和宇宙中其他什么东西纠缠，这就像我们在实验室制备一个处于量子态的电子，它是独立的，不会和遥远的什么东西纠缠。第二，如果我想在我死的的时候将我的意识传递出去，我必须请我的朋友准备好两倍于我的大脑的物质，这两部分互相纠缠，然后将其中一部分送到别的地方，将其中另一部分和我的大脑做对比。这样下来，即使我的“灵魂”被保留了，也是高科技人工的结果，而不是大自然的结果。 意识是如何产生的？传统认知科学、心理学认为意识无非是我们大脑中神经元的集体作用的结果，神经元之间通过放电互动，看上去应该和量子力学没有任何关系。也许，随着大脑科学以及物理学之间有机互动发展，人们会发现大脑中存在量子过程，并且这些量子过程在意识发生的过程中起到非常重要的作用。即使如此，人类的大脑中的量子过程并不会和宇宙中任何其他地方的量子过程纠缠在一起，就像一个氢原子中的电子肯定不会和一个遥远的氢原子中的电子发生纠缠一样。 人类在未来也许会实现量子计算机，也许会实现宏观物体的量子传输，甚至会将人类的意识保存起来，但这和自然界中的“灵魂”没有任何关系。 四、结语 我们这个时代非常奇怪。当科学技术越来越发达时，越来越多的人依赖科技带来的各种便利，因此科学的话语权越来越大，使得一些人将科学看成一种万能的工具。另一方面，人们生活节奏的加快以及随之而来的压力，驱使一部分人到宗教那里寻找精神依靠。科学话语权霸主的地位，让某些宗教人士以及偏好宗教的人到科学这里寻找“依据”，有些人甚至说：“科学的尽头是宗教”、“当科学家爬到山峰时，佛学大师早就等在那里了”，等等。宗教和科学爬的本来不是一座山。 费曼在一篇文章里说，科学与宗教的区别是，前者的核心是不确定性，后者的核心是确定性。比如说，解释一个现象的科学学说是临时的，是需要越来越多的证据的，所以永远是统计性质的。在物理学中，我们往往说某个现象的证据是几个标准误差，换句话说，只是十分可能的，而不是百分之百确定的。理论和模型也是如此，当科学家需要的时候，牛顿力学被修正为相对论力学，诸如此类。宗教则相反，一个断言是百分之百正确的。当然，佛教是一个独特的宗教，哲学成分很大。即使如此，量子力学也不能拿来支持某些说法，例如世界是虚幻的，灵魂是存在的。 让科学的归科学，宗教的归宗教，才是宗教和科学相处的最好方式。