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物质的实在性存在于观察中

2011.09.01

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量子力学的哲学意义——物质的实在性存在于观察中
2011-08-31 08:15
转载自 梵境佛光
最终编辑 巫峡版张弛

 

不存在一个与我们的精神世界并行的客观独立的物质世界,我们所描述的物质世界是依赖于我们的精神世界而存在的,量子之间显现的超距同谋是个体生命意识活动的综合反映。世界的实在性扎根于个体生命的感受和理解中。

传统物理学把原子、电子等看成是实在的粒子,它们有固定的体积,占有一定大小的空间,有自己的性质和规律。无论人是否观察它们,由微观粒子构成的物质世界总是一如既往的存在着,并按自身的规律周而复始地运转。理论上,如果我们彻底掌握了物质世界的定律,并且完全知道宇宙在某一时刻的状态,便能依此语言宇宙中将要发生的每件事。这种科学宿命论的观点在研究物体热辐射时受到了挑战。

按照传统的定律,一个热物体必须在所有的频率等同地发出电磁波(诸如无线电波、可见光或X射线)。而这意味着辐射的总能量也必须是无限的。这荒谬的结论显然与事实不符,我们知道,当加热铁块时,开始看不出它发光。随着温度不断升高,铁块变得暗红、赤红而最后成为黄白色。其他物体加热时发出的光的颜色也有类似的随温度而改变的现象。这似乎说明在不同温度下物体发出不同频率的电磁波。实际上,实验证明,在任何温度下,物体都向外发射各种频率的电磁波。只是在不同温度下发出的电磁波的能量按频率有不同的分布,所以才表现为不同的颜色。

为了解释热物体辐射的能量在不同频率上分布的这种特征,1900年,科学家普朗克提出,只有假设物体以离散包或离散方式发射电磁辐射,才能对这些特征方式作出说明。这离散的包就是最后被称为量子的波包,每个量子具有确定的能量,波的频率越高,其能量越大。这样,在足够高的频率下,辐射单个量子所须要的能量比所得到的还要多。因此在高频下辐射被减少了,物体辐射能量的速率也变成有限了。

1905年,量子假说受到了爱因斯坦的支持,它成功地说明了光电效应。在这种效应中,光束能从金属表面置换出电子。为了解释这个过程,爱因斯坦被迫将光束看成是后来称为光子的离散的粒子流。光的这种描述似乎完全根传统的观点相冲突,按照传统的观点,光(与所有的电磁波一样)由连续的电磁波组成,它们依据著名的麦克斯韦电磁理论传播。光的波动性早在1801年就被托马斯.杨用著名的“双逢”实验予以证实。

“双逢”实验



然而,波粒二象性并不局限于光。当时,物理学家们也关注原子的结构。尤其是,他们为电子围绕一个核却又不发生辐射所困惑。因为从麦克斯韦电磁理论知道,沿弯曲路径运动的粒子一定会辐射电磁能,如果辐射是连续的,那么原子的轨道电子就会迅速损失能量而螺旋式地落进核内。

1913年波尔提出:原子的电子也是量子化的,即量子化的电子可以处于某些固定的能级上而不损失能量。当电子在能量级之间跳跃时,电磁能以分离的量被释放或吸收。事实上,这些能量包就是光子。不久,人们就明白了:不仅电子,而且所有的亚原子粒子都具有类似的似波性,显然,由牛顿所表述的传统力学定律,以及麦克斯韦电磁定律,在原子和亚原子的微观世界中完全失效了,为了说明这种波粒二象性,到20世纪中期,一个新的力学体系――量子力学――由薛定谔和海森伯独立地发展起来了。

新理论成效壮观,它很快地帮助科学家们说明了原子结构、放射性、化学键以及原子光谱的细节(包括种种电磁效应)。这个理论经过一些人的精细加工,最终导致对于核结构与核反应、固体的电性质与热学性质、超导性、某些坍缩恒星的稳定性,以及更多的未列举事例,作出了令人满意的说明。量子力学也促成了包括电子显微镜、激光器和品体管在内的实际硬件尽可能大的发展。极端灵敏的原子实验已经以令人惊讶的精确度证实了存在着徽妙的量子效应。50年来,未发现任何实验否定量子力学的预言。然而,这个以科学上史无前例的精细程度正确地描述着世界的理论,却是建立在一种深刻的与不稳定的佯谬之上。

象光子这样的物体,既可以显示出似波性又可以展示出粒子性,使光子产生衍射和干涉图像,如同水波一样,这是光的似波性。但是,在光电效应中,光子却又如同粒子一样把电子从金属中敲出来,在这个效应中,光的粒子模型似乎更合适些。

波动性和粒子性的共存,很快就导致了关于自然界的一些令人吃惊的结论。在双逢实验中,当把光源的强度衰减到非常小,以至于在某一时刻仅一个光子向实验装置运动。自然地,每一个光子都到达屏幕上一个确定的电点,它可以作为一个微粒被记录下来。别的光子到达别的地方,留下各自的痕迹。乍看起来,此效应似乎是随机的,但随着斑点的增多,一个有条理的由斑点组成的干涉图案就会逐渐形成。因此,每一个光子单独看起来似乎是自由的,它可以随机到达屏幕上的任意点,但当大量的光子分别先后穿过此系统时,从整体上看,所有的光子总是以几率的方式合作建立起干涉图案。好像是每个光子都知道在它之前的全部光子所经过的路径或已经形成的图案。

现在,如果两孔之一被挡住,那么光子的行为就会戏剧性地改变了,实际上干涉图案消失了。这个干涉图案是不可能从两个只有单缝存在的装置所记录的图像的叠加中得到的。仅当两孔同时开着时,才有干涉。因此,情况似乎是每个光子以某种方式,独个地计及到开着双孔还是单孔?但是,如果它们是不可分割的粒子,它们怎能做到这一点呢?从粒子来看,每个粒子仅能从一个缝穿过,它却“知道”另一个缝的开启情况,究竟是怎么“知道”的呢?

之后的一系列实验都表明:在光子、电子和其他粒子的微观世界中,存在一种不确定性要素。1927年海森伯以其著名的不确定性原理量化了这种不确定性。这原理的一种表述与试图同时测量一个量子物体的位置和运动有关。为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必须测量它现在的位置和速度。我们的视觉系统是通过光的反射来观察物体的,显而易见的办法是将光照射到这粒子上,一部分光波被粒子散射开来,由此指定它的位置。然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离――即波长更小的程度,所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在,由普朗克的量子假设,人们不能用任意少的光的量,至少要用一个光量子。这量子会扰动这个被测量的粒子,并且以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且,位置测量得越准确,所需的波长就越短,用于测量的量子的能量就越大,这样被测量的粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然。海森伯指出:粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量――普朗克常数。并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。

宏观物理世界的确定性是由微观世界的不确定性以概率的形式支持的。似乎有一种不被意识所知的整体的能力将微观量子连接为一个整体的存在,这隐藏的能力使量子向我们显现某些幽灵式的同谋和协作。只是在量子的位置和动量的关联上,向我们显现一些可把握的规律。在阿斯派克特实验中,量子的这种同谋超越了光速的限制,也可以说是超越了时空的限制。或许,量子在本质上有不为人知的更整体的存在状态,而向我们显现的只是这整体存在浮出水面的一些小岛。

所有这一切意味着什么呢?按照波尔的观点:询问一个电子“实际”是什么的问题,是没有意义的。或者至少,当您提出这个问题时,物理学家不可能给予回答。他宣称:物理学不告诉我们世界是什么,而是告诉我们关于世界我们能够谈论什么。这意味着关于世界的本质我们不能在当前的物理学中找到答案。

根据波尔的思想:关于宏观和微观、整体和部分之间关系的传统观念,被根本地改变了。他宣称:在你弄懂一个电子正在干什么之前,你必须指明全部实验条件。比方说你要测量什么?你的仪器是怎样组装的?所以,微观世界的量子实在无法摆脱地根宏观世界的组织缠绕在一起。换句话说,离开了同整体的关系,部分是没有意义的。

不确定性和模糊性是量子所固有的,而不仅是我们对于它不完全感知的结果。这一点是与传统观念相违背的,我们知道许多不可预言的系统:如气候变化、股票市场等。但根据传统的观点,这些事物的不可预知性是因为我们不具有足够的信息以计算出它们的行为。

即使在量子理论诞生100年以后的今天,大多数人对我们周围世界的理解仍然停留在传统物理学的层次上,就像量子力学问世以前大多数科学家所认为的那样:我们周围的世界是独立存在的。就是说。它是由物体(如桌子、椅子、行星、原子)组成的。这些物体就在那里存在着,不管我们观察它们与否。按照这种哲学,宇宙是这些独立存在的物体的集合,它们合在一起就构成了事物的整体。原则上,只要我们把观察事物的过程中对事物的扰动缩减到足够小的程度,那么在我们对事物的观察之前和之后,物体实际应该具有同一的或连续的动力学属性( 如位置、动量和能量)。于是原子和电子只不过是一些“小东西”,它们与“大东西“的差别仅在于尺度的不同,在别的方面,其实在性的地位没有本质上的不同。

这个关于世界的图像比较符合我们通常对自然常识的理解,所以容易被人接受。爱因斯坦称它为“客观实在“,也就是说:外部事物的实在性地位并不依赖于一个有意识的个体的观察。然而恰恰是这个看似无可厚非的常识观念,波尔运用量子的哥本哈根解释的哲学向它提出了挑战。

波尔认为:在对某个量子物体实行依此测量之前,就把一组完全的属性委归于它,那是没有意义的。比如,我们要选择测量某个量子物体的位置或是动量,则不可能在测量之前该粒子就具有这些量的特定值。如果我们决定测量位置,其结局是粒子在某处。反之,如果我们测量动量,就可以得到一个运动着的粒子。在第一种情况中,测量完成之后,粒子就不具有可知的动量属性;在后一种情况中,粒子则无定域。

从量子波的存在状态即不确定状态中,可以测得无数的位置和动量的属性。只是测量的结果都不会超出普朗克常数的限定。因此,我们可以把量子波的状态理解为无数可确定状态的叠加。我们知道,用于测量的设备本质上也是由量子组成的量子系统,因此,在我们的测量过程中,被测量的量子波会与测量设备的量子系统进行耦合,然后缩编成具体实在的状态。一个量子波会缩编到何种具体实在的状态,则取决于测量它的测量系统。

因此,只有在做了一次特定的测量或观察之后,我们才能有意义地谈论单个量子的物理属性。但从量子的层面,我们很难给测量系统划清一个明确的界限。因为宏观上的每一个测量设备,在量子的层面上都与其周围的物体不可分割地纠缠在一起。实际上,我们完全可以把被测量的量子物体与测量它的设备看成是一个量子系统。如此一来,观察在量子物理中所起的关键作用就会显现出来。从某种意义上说,正是我们的观察才导致量子的波态骤然塌缩和改变。这听起来就像是“精神支配物质“的思想。似乎是当实验人员观察到测量的结果时,改变了的心理状态以某种方式反馈给实验设备,从而反馈给量子系统,使其改变它的态。简言之,物理态作用改变心理状态,而心理状态又反作用于物理态。

如果我们只是测量一组简单的动力学属性,就可以把一个单一的设备当作测量系统;但如果要准确解释某个量子的行为在天气变化中的具体作用,就必须先建立关于天气的宏观的解释。因此,虽然通过局部的行为可以预测宏观的变化,但局部必须通过整体来获得解释和意义。而整体的意义则只能以生命个体的感性为基础,由生命个体的意识来建立和把握。更进一步地推论,我们可以得出下面的结论:我们不可能通过微观粒子来理解世界的存在。对于宏观世界,我们只能通过向内探索感受和意识的本质,才能获得根本上的理解。

整体和宏观的意义是我们意识分别和认知的结果。如果离开意识的分别,世界上也就没有同异、部分和整体的差别。因此,所谓宏观世界就是我们意识的分别和感受所形成的世界,部分依据宏观世界才能获得解释的意思就是说:象电子、光子这样的微观量子只能在我们的意识中得到解释,量子世界所隐含的整体性规律与我们的精神认知相对应。换句话说:不存在一个与我们的精神世界并行的客观独立的物质世界,我们所描述的物质世界是依赖于我们的精神世界而存在的,量子之间显现的超距同谋是个体生命意识活动的综合反映。世界的实在性扎根与个体生命的感受和理解中。

我们在这里并不想对量子力学的哲学解释做过多的纠缠,毕竟科学界在量子力学的解释上还存在着很多分歧。但鉴于量子力学所取得的重大成就,我们完全有理由把它当作一种客观的现象。在对这些现象的观察中和思索中,我们会得到一些新的启示:比如物质世界的不确定性和非实在性;世界的整体性和不可分割性;以及意识的能动性。这些启示在我们从新建立世界观、人生观以及对真理的认识和信仰的过程中,会起到重大的作用。 

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