王向斌：少空談哲學的物質意識，多關注具體的科學概念

圖片來自墨子沙龍

作者按：

許多人樂於人雲亦云，只問所謂原則立場不問事實。例如，過去某人為論證「大幹**主義建設」，就果敢採用了「畝產**萬」斤的論斷。如果誰質疑那個論斷，必被扣上「反對**主義建設」的帽子。

一些科普人士也不例外。他們會振振有詞的告訴你，只要原則正確，就沒必要挑剔論據上的瑕疵。然而在我看來，原則正確，人云亦云喊幾句口號那是人人都會的事，而論據專業嚴謹才是科學家們真正被期待的科普本質工作，不然要你幹嗎？當然，這不太容易做到，尤其是對試圖跨領域指點江山者。

最近，一篇以捍衛科學尊嚴為目標的科普雄文（以下簡稱《捍衛》）橫空出世，批評朱清時院士的一些佛學，意念與量子物理的論斷。該文的論點肯定會受到大多數人的認同，然而其論據卻在概念上有不確切之處。下面就《捍衛》一文涉及到的一些說法作一個科普。

撰文 | 王向斌（量子密碼理論專家，清華大學物理系教授，傑青，長江學者）

量子糾纏能跨多遠距離？

《捍衛》文中說：「人類的大腦中的量子過程並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。」我覺得這個論斷應該不是該文作者經過理論證明後的結論，而應該是他憑想像隨便說說的。

若是泛泛而論，在說「人類的大腦中的量子過程並不會和宇宙中任何其他地方的量子過程糾纏在一起」時，不知可曾考慮過諸如「兒走千里母擔憂」和「但願人長久，千里共嬋娟」之類的事實沒有。

而《捍衛》文章中又說，「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。」觀測體重是這樣，那麼當一個人夜深人靜時仰望星空觀測星體呢？按《捍衛》作者的觀點，身體和體重秤會因觀測體重而糾纏，那麼人腦究竟能否因觀星而與遙遠星體糾纏？

再來看下所謂的「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」。《捍衛》的作者不是量子信息專業的，他可能對這個領域的一些常識性的東西不了解。相隔遙遠的兩個原子，可以通過光子為媒介實現糾纏。這個不但有理論，而且有實驗，例如：若干年前發表於Science上的實驗。實驗中用到的獨立光源遠程干涉技術，目前最遠距離至少有404公里，用在MDIQKD實驗上。除此以外，還可以採用先分發光子糾纏對而後對各地光子和原子態作SWAP操作，則相隔遙遠的兩個原子（或其中的電子）完全可以糾纏。這個距離在原理上的上界值不知道，但是量子衛星的糾纏分發距離已達千公里。

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單量子態測量與塌縮：現有量子理論並未說明其機制

朱清時院士《客觀世界可能並不存在》的關鍵論據是量子力學自身並未給出塌縮的來源機制，而朱把這個歸結為意識。這樣的歸結，並無實驗支持。為了批評《客觀》，《捍衛》作者聲稱塌縮的機制是清楚的：退相干，即塌縮就是被測系統與宏觀系統糾纏上了。國際上確實有一些學者試圖用複合系統演化來解釋測量過程，然而，這個演化（子系統退相干）過程與量子態塌縮完全是兩碼事。

考慮單次測量，測量完成之後被測系統的物理量具有確定值，被測系統自身也立刻處於一個明確的本徵態上。這就是說，測量完成後，任何被測系統在所測的物理量相應的空間中都得是一個純態，即不能與任何別的東西糾纏。而《捍衛》作者退相干即坍縮的說法與此基本事實矛盾。事實上，以退相干（與大系統糾纏）觀點去解釋量子測量，只能給出關於測量的系綜統計結果，即諸如大量粒子的平均值之類，但是無法解釋單次測量結果，即無法解釋量子塌縮。

雖然在一些其他一些領域，由於只在乎系綜統計結果，所以在實際計算中你可以用退相干過程來獲得那個測量統計結果，在那裡不需要管單量子態塌縮的具體結果。 但是，在量子信息領域，我們經常要用到單次測量的結果，即真正涉及到量子塌縮。例如，量子態隱形傳輸，你要傳1000個未知態，你就需要1000次貝爾測量的具體結果並根據每個具體結果對遠處粒子做相應的操作。在這種情況下，只知道那總數為1000的測量結果的統計分布是沒有意義的。

再回到朱清時院士意念說和《捍衛》的反駁。對於這一問題，我認為，朱清時院士對於量子塌縮的概念的總結是正確的（但是我不同意他隨之而來的意念說）。而迄今為止量子物理學自身並不能解釋塌縮的真正來源機制，這也是事實。但是基於這些，院士給出的那個意念決定塌縮依然只是一個猜想，這個猜想從來未獲得嚴肅科學實驗支持。

對於院士的猜想，我想給個類比：「圓周運動需要向心力和初速度。萬有引力定律自身未解釋月球繞地運動的初速度的來源」。此時院士猜想「來源於上帝之手」。再看《捍衛》作者的說法。他對於量子塌縮概念的理解是錯的（按他的表述，我甚至懷疑他都根本沒有量子塌縮的概念，即對單量子態的單次測量的具體結果），他的這個錯誤的理解實際上是在說「測量過程根本無需塌縮，因而院士的意念說沒有存在的基礎」。對於《捍衛》作者的這個說法，我再用那個月球初速度問題做個類比。他的說法就像是在說：「圓周運動根本不需要初速度，因此上帝之手沒有存在的基礎。科學歸科學，宗教歸宗教」！

如前所說，除非獲得實驗證實，我並不接受朱清時院士的意念說。但是，朱清時院士說的量子塌縮是存在的，而且至今量子理論沒有回答塌縮的來源機制，這些是基本事實。不能以罔顧基本事實的方式去高舉捍衛科學的大旗。

量子態隱形傳輸：最精妙點是可以傳輸任意未知態

《捍衛》對量子態隱形傳輸作了大量類比，例如說左鞋，右鞋。然而他忽略了最精妙的地方：可以傳輸任意未知態，即左鞋和右鞋的任意未知的線性疊加態。

若僅限於《捍衛》文中的那種情況，即被傳輸態非左即右，那這個量子態隱形傳輸沒有任何價值：完成這種平庸任務根本無需預置糾纏態。對被傳輸態測量一下看看是左或右，通知遠端製備一個左或右即可。

但是如果被傳輸態是一個任意未知態呢？原則上你無法測出它是哪個態，（儘管你可以測量，可測量獲得的態並非測量前的態），但是我依然可以通過預置量子糾纏將其傳至遠方而不移動其實物本身。相當於什麼經典類比呢？——在地月預置兩堆瓦礫，它們是糾纏的。可以在不搬動大廈本身的情況下把任意形狀的大廈從地球傳至月球，甚至，我們在全過程中都不必知道那大廈是什麼形狀。

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線性疊加原理的普遍性

《捍衛》作者文中還說「在物理學中，當我們談論一個客體時（比如一個電子，一隻貓，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。

怎麼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。「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。」

看看它們的上下文，《捍衛》作者的這些描述看似意圖要說：物理系統並非所有物理量的值都是不確定的，比如一個電子的質量就是確定的，電子不會憑空消失。我覺得《捍衛》作者還是缺乏對線性疊加原理的真正理解。如前段所說，這個原理不是說任何系統只能處於疊加態，是說它可以處於疊加態因而相應物理量沒有確定值。（當然它也可以處於非疊加態即本徵態因而相應物理量有確定值）。就《捍衛》作者所述的電子而言，他其實是在說，當系統處於電子數為確定值狀態（本徵態）時，那不論你測量與否，那裡的電子數就是那麼多。這個固然沒有問題，但是別忘了，一個系統的電子數也可以處於疊加狀態，例如一個電子與零個電子的疊加態。在這種情況下，你的確會因為測量而改變電子數，你會因為測量而發現根本沒有電子或者發現有一個電子。

如果真正理解了線性疊加原理，我們就會看到，《捍衛》作者文中的這一段，事實上根本不能從任何意義上構成反駁《客觀》一文的論據。不懂專業的人可能覺得這一段給力，那是因為他們不了解粒子數也會有線性疊加態，或者說，不了解線性疊加原理的普遍性。

總結《客觀》一文，朱清時院士的論證是：

（1）物理系統可以處於這樣一個疊加態：其某物理量的值原則上就是不確定的。

（2）對該物理量測量了，疊加態會塌縮而該物理量擁有一個確定值。

（3）塌縮是意念決定的。

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當我們把院士的論證歸結為上述3點後，任何基本概念清楚的人，只可能反對其第（3）點，而（1）（2）兩點本來就是對的，根本無需反對，也不可能成功地反對。

然而《捍衛》作者像是要對院士的論證進行全面的逐條反對，不但反對其（3），也反對其（1）和（2）。他通過忽略線性疊加的普遍性反對（1），而藉助量子塌縮的錯誤概念又輕易地反對了（2），再用哲學問題「人類歷史之前世界是否存在」反對（3）。

《客觀》一文的意念說是存疑的，但是為此而去盲目地逐條反駁該文的所有論據，恰恰會導致公眾不知道要害在哪裡。你可能因此而成功地讓公眾拒絕意念說，但也會導致公眾對疊加和塌縮等概念形成誤解。

結語

有些人擅長於指明原則方向，卻短於說清楚具體科學問題。倘若只是追求哲學立場正確，給大家指明哲學原則就好，並不必須涉及具體科學問題。若要涉及，那就先搞清楚具體科學問題所涉及到的基本概念和基本事實，而不是高舉立場正確的大旗釋放錯誤的科學概念。

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原載微信公眾號《墨子沙龍》，《知識分子》獲授權刊載。

製版編輯：陳婧嫻丨

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