朱清時先生：再談物理學步入禪境（四）◎意識是物質世界的基礎

量子力學的一個基本原理，是說組成物質世界的微觀粒子，如電子，質子，中子或原子，等等，可能處在疊加態，這種狀態是不確定的。為簡單計，以下我們只以兩個狀態的疊加態為例，這些討論不難推廣到多個狀態的疊加。例如一個粒子可以同時處於兩個不同地點，既在A點存在，又在B點存在，電子的狀態是在A點又在B點的不同狀態的疊加，或者說，粒子的狀態是「在」和「不在」的疊加。粒子的這種混合狀態，叫做「疊加態」。

學過大學物理的人都知道這個原理，然而有幾個真正懂得它的含義呢？你真正懂得了，一定會感受到觀念上的巨大震撼。這裡我們就來層層剖析它的含義。

首先，不同狀態的這種疊加是很詭異的。

舉例說，昨天我發現身上手機沒了。因為昨天晚上在家裡用過，今天在辦公室沒用過，所以它可能在家裡，也可能在辦公室。

究竟手機在哪呢？大家憑經驗會說：它「要麼在家裡，要麼在辦公室」，或者換種表述方法，「它要麼在家裡，要麼不在家裡」，總之二者只能其一。然而量子力學卻說：它「既在家裡，又在辦公室」，或者換種表述方法，「它既在家裡，又不在家裡」，總之兩個狀態同時存在。它處於「在家裡」和「在辦公室」兩個態的疊加，或者「在家裡」和「不在家裡」兩個態的疊加。

有人會說，「在家裡與不在家裡」，或者「在家裡與在辦公室」是兩對互相衝突的狀態，怎麼可以「既在家裡又不在家裡」，或者「在家裡又在辦公室」呢？回答是，這正是微觀粒子的詭異之處，他們的兩個衝突的狀態，可能同時存在。

你會想：手機是否在家裡，粒子是否在A點，你一看不就明白了嗎？看的結果只能是「在與不在」二者取一呀！

量子力學更詭異之處在於，你只要去看它在不在，你就實施了有意識的觀察動作。你一有意識地觀察，它的存在狀態就從原來的「在A點又在B點」的疊加狀態，一下子變成「在A點」或者「在B點」的唯一的狀態了。

聰明的人會反問：既然你不觀察它，你怎麼知道它既在A點又在B點呢？這是在微觀世界中被大量實驗確證的事實，其中一個最著名的實驗就是干涉實驗。

2002年，《物理世界》雜誌評出十大經典物理實驗，「楊氏雙縫實驗用於電子」名列第一名。費曼認為，楊氏雙縫電子干涉實驗是量子力學的心臟，「包括了量子力學最深刻的奧秘」。

圖~1：雙縫干涉實驗 — 水波（或光波）（圖片來自網路）

如果有一個波（例如水波或光波），從圖~1（a）左邊的點光源發出來，根據惠更斯原理，波面上的每一點都是一個子波源，因此經過兩條狹縫之後的波，可看作是位於兩條狹縫處的子波源所發出的兩列波的疊加。「波的疊加」意味著「振幅的疊加」∶如果兩列波到達同一位置時，振動方向相同，疊加後振幅增大；反之，如果振動方向相反，互相抵消，使得疊加後振幅減小，甚至抵消為零。因為疊加後的振動在不同位置的增大或抵消，便形成了屏幕上明暗相間的干涉條紋。圖~1（a）右邊是干涉條紋的照片，圖~1（c）表示的是光波在屏幕上的強度分布。我們看到的曲線p是一條上下振動的圖像，這對應於明暗相間強度變化的干涉條紋。

如果你看到干涉條紋，你就知道你觀察到的是個波，它的兩個子波是在兩個狹縫同時出現的，也就是這個波既在A點又在B點，因為只有這樣的情況，波才能出現干涉。注意這裡的關鍵是「同時」。如果在A點和在B點的兩個波不同時，就等於分別將一條狹縫遮住，作兩次單縫實驗，這兩次單縫實驗的結果都沒有條紋，單縫實驗光強度的分布，即波動振幅的平方，分別由（b）中的曲線p1和p2表示。單縫實驗光強度的分布，即波動振幅的平方，分別由（b）中的曲線p1和p2表示。

比較圖~1（b）、（c）中的曲線∶p1、p2是兩次單縫實驗的強度分布，p是雙縫實驗的強度分布。顯然，p並不等於p1、p2的簡單疊加，事實上，它是單縫實驗的振幅疊加後的平方。這是波動的特點，也是干涉條紋的來源。

如果我們不用波，而是用我們熟知的宏觀粒子來做同樣的雙縫實驗，結果如何呢？我們設想用一挺機關槍向狹縫掃射（圖~2（a）），子彈的發射服從經典概率統計規律∶一粒一粒發射出來，而又穿過狹縫到達屏幕的子彈中，50％的幾率是通過第一條縫而來，50％的幾率通過第二條縫而來。假設每個打到屏幕上的子彈形成一個亮點的話，發射一定數目的子彈之後，在屏幕上就有了一個亮點聚集而成的圖像（圖~2（a）右）。這個圖像不同於波動的情形，它不是明暗相間的干涉條紋，而是從中心到兩邊，亮度逐漸下降的圖像，如圖~2（c）的曲線p所示。

圖~2：雙縫干涉實驗 — 子彈（圖片來自網路）

類似於波動雙縫實驗，我們也可以分別將狹縫之一關閉，對另一個開縫做兩次子彈單縫實驗，實驗結果的兩條亮度分布曲線由圖~2（b）中的p1、p2表示。比較圖~1（b）和圖~2（b），不難看出，子彈單縫實驗結果與水波單縫實驗結果是相同的。然而，兩種情形的雙縫實驗結果完全不同。子彈雙縫實驗的結果p，是兩個單縫實驗結果p1和p2的簡單疊加，這是由概率的疊加性決定的。

總結以上所述，水波的雙縫實驗結果是相干疊加，體現水的波動性；子彈的雙縫實驗結果是非相干疊加，體現子彈的粒子性。

現在我們用電子槍代替機關槍，用電子來做雙縫實驗。用電子槍將電子一個一個地朝著狹縫發射出去。如圖~3所示∶

圖~3：雙縫干涉實驗 — 電子（圖片來自網路）

電子單縫實驗的結果如圖~3中的（b），曲線p1、p2與水波和子彈時一致。然而，電子雙縫實驗的結果p卻是與水波的一樣，出現了干涉條紋！

這個結果令經典物理學家們感到意外，因為，實驗中的電子，和機槍發射子彈一樣，是由電子槍一個一個發射出去的。既然是粒子，它的宏觀軌道行為，應該和子彈沒有實質的差別。雙縫實驗時，雖然兩條縫都是打開的，但是每一個電子，應該象一個子彈那樣，只能通過其中的一條縫到達屏幕。這樣，結果就應該和子彈的結果一樣，是非相干疊加。

實驗觀察結果顯示，電子的確是像子彈那樣，一個一個到達屏幕的，如圖~4所示，對應於到達屏幕的每個電子，屏幕上出現一個亮點。但是，隨著發射的電子數目的增加，接收屏上的結果顯示出了確定的干涉圖案。這說明每個電子同時通過了兩條狹縫，然後自己和自己發生了干涉！

圖~4：電子雙縫干涉實驗（圖片來自網路）

也許有人會說∶每個電子到底是穿過那條狹縫過來的，我們應該可以測量出來。於是，物理學家們便在兩個狹縫口放上兩個粒子探測器，以判定電子每次穿過哪個狹縫。這時，奇怪的事又發生了∶兩個粒子探測器從來沒有同時響過，並且，干涉條紋立即消失。無論我們使用什麼測量方法，一旦要觀察電子通過哪條狹縫，就都是這個結果。

因此，雙縫實驗結果表明∶電子的行為既不等同於經典粒子，也不等同於經典波動，它兼有粒子和波動的某些特性，這就是波粒二象性。實驗發現電子同時穿過了兩條狹縫，即處於一種疊加態，既在位置A，又在位置B。如果我們設法去觀察電子的位置，那麼它馬上改變自己的行為，只出現在位置A或位置B。所有微觀粒子的行為都與電子一樣。

微觀世界的這個詭異之處震動了人類最聰明的大腦，在20世紀爆發了人類思想史上最深刻的關於物質世界本質的論戰。愛因斯坦提出了一些深刻的問題，波爾用量子力學做出了回答。這場論戰並未結束，愛因斯坦深邃的思想揭示出物質世界的令人瞠目結舌的本質。

根據愛因斯坦提出的問題，薛定諤在1935年發表了一篇論文，題為《量子力學的現狀》，在論文的第五節，他編出了下面這個現在被稱作「薛定諤的貓」的理想實驗，試圖將微觀不確定性變為宏觀不確定性，微觀的迷惑變為宏觀的佯謬，以引起大家的注意。物理學家們對此佯謬一直眾說紛紜、爭論至今。

把一個放射性原子放在一個不透明的箱子中，讓它保持這種衰變與不衰變的疊加狀態。在箱子里放一種結構巧妙的精密裝置，每當原子衰變放出一個中子時，它就激發一連串連鎖反應，最終打破箱子里的一個毒氣瓶，把同時在箱子里的一隻貓毒死。要是原子沒有衰變，那麼貓就活著。

按照量子物理的幾率解釋，我們沒有觀察時，那個原子處在衰變與不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定，所以貓的狀態也不確定，只有當我們開箱察看，狀態才最終確定，要麼貓死掉，要麼它活著。問題是：在我們沒有打開箱子之前，這隻貓處在什麼狀態？量子力學認為，它和我們的原子一樣處在疊加態，即這隻貓陷於一種死與活的疊加狀態。

這樣一來，就不僅微觀粒子是沒有確定狀態，現在宏觀的貓也變成了沒有確定狀態了。一隻貓同時又是死的又是活的，即處在不死不活的疊加狀態，這與常識太不一致了。

這個實驗雖然簡單，卻比愛因斯坦提出過的其它問題更尖銳，因為它把量子效應放大到了我們的宏觀世界中，在人類生活的尺度上把物理過程與觀察聯繫起來了。

1963年諾貝爾物理獎金獲得者尤金·維格納（Eugene Wigner）對於人們一直爭論不休的「薛定諤的貓」問題，又作了一個很尖銳的補充，加上了一個所謂的「維格納的朋友」。

「維格納的朋友」是他所想像的某個人，他戴著防毒面具也同樣呆在箱子里觀察這隻貓。維格納本人則退到房間外面不去觀測箱子里到底發生了什麼。現在，對於維格納來說，他對房間里的情況一無所知，幾率解釋認為他的在箱子里的朋友處於一個「看見貓活著」和「看見貓死亡」的混合疊加狀態。可是，當他事後詢問那位朋友的時候，後者肯定會説自己要麼是「看見貓活著」，要麼是「看見貓死亡」，一定會否認這種混合疊加狀態。

維格納認為，當朋友的意識被包含在整個系統中的時候，疊加態就不適用了。即使他本人在門外，箱子里的波函數還是因為朋友的觀測而不斷地被觸動，因此只有活貓或者死貓兩個純態的可能。他說，意識可以作用於外部世界，使波函數坍縮，因為外部世界的變化可以引起我們意識的改變，根據牛頓第三定律，作用與反作用原理，意識也應當能夠反過來作用於外部世界。他把論文命名為《對於意識與物體問題的評論》（Remarks on the mind-body question），收集在他1967年的論文集里。

「薛定諤的貓」問題只是所有量子力學體系的測量問題的一個特例。馮·諾伊曼（John Von Neumann）是現代計算機的奠基人之一，他也為量子物理學建立了嚴格的數學基礎。他指出，我們在測量中使用的那些儀器，本身也是由狀態不確定的粒子組成的，因此儀器也有自己的量子狀態。當我們用儀器去觀察時，就把儀器本身也捲入到這個模糊疊加態中去了。

例如，我們想測量一個電子是通過了左邊的狹縫還是右邊的。我們用一台儀器去測量，並用指針搖擺的方向來報告這一結果。但是，因為這台儀器（記為A）本身也有自己的量子狀態，如果我們不觀測這台儀器，它的量子狀態也可能是一種模糊的疊加態。在用這台儀器測量電子之後，雖然電子的量子疊加狀態坍縮了，但左與右的疊加卻被轉移到了儀器A那裡。現在是儀器A又處於指針指向左還是右的疊加狀態。假如我們再用儀器B去測量那台儀器A，A的量子疊加狀態又坍縮了，它的狀態變成確定，可是B又陷入模糊不定中。總之，當我們用儀器去測量儀器，這整個鏈條的最後一台儀器總是處在不確定疊加狀態之中，這叫做「無限後退」（infinite regression）。換句話說，假如我們把用於測量的儀器也加入到整個系統中去，這個大系統的量子狀態從未徹底坍縮過。

可是，當我們看到了儀器報告的結果後，不確定狀態「無限後退」的過程就結束了，我們的意識不會處於疊加狀態。難道人類意識（Consciousness）的參與才是量子狀態坍縮的原因？難道只有當電子的隨機選擇結果被「意識到了」，它才從各種量子狀態的幾率疊加變成一個確定的狀態？而只要它還沒有「被意識到」，電子便總是留在不確定的狀態，只不過從一個地方不斷地往最後一個測量儀器那裡轉移罷了。造成「坍縮」的原因，難道是我們的意識？

一台儀器無法「意識」到自己的指針是指向左還是指向右，所以它必須陷入左與右的混合態中；一隻貓無法「意識」到自己是活著還是死了，所以它可以陷於死與活的混合態中。但是，我們可以「意識」到電子究竟是左還是右，我們是生還是死，所以一旦我們的意識參與後，混合疊加態徹底坍縮了，世界就變成了現實，以免給我們的意識造成混亂。

自然科學總是自詡為最客觀、最不能容忍主觀意識的，現在量子力學發展到這個地步，居然發現意識和物質世界不可分開，意識促成了物質世界從不確定到確定的轉移！

科學家們受到的震撼正如愛因斯坦的名言中說的：「就好像人的腳下被抽空，看不到哪裡有什麼可靠的基礎，沒辦法在那上面建立什麼。」

愛因斯坦的傳記作家回憶道：「有一次和愛因斯坦同行，他突然停下來，轉身問我是否真的相信，月亮只有在我去看它的時候才存在？」

因為世間萬物都是由原子組成的，如果不去觀察，這些原子都是處在不確定的疊加狀態的。月亮也是由原子組成的，所以如果我們不去看月亮，一個確定的、客觀的月亮是不存在的。但只要觀察，那一大堆粒子就從不確定狀態變成無數確定的狀態，一輪明月便又高懸空中。

整個宇宙也是一樣。在沒有人類的意識觀測之前，宇宙在百億年中都處於渾沌狀態，每個粒子都以波函數的形式存在，並無確定的狀態和清晰的圖像。好比近視眼看到的周圍世界只是模糊不清的一片那樣。在人類有意識地觀測之時，萬物突然從不確定坍塌到確定的狀態，宇宙才突然呈現出清晰的圖像。就像戴上眼鏡，外界突然清晰呈現那樣。

本文轉自「大風網站」

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