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悟道(一)——量子力学

 不好意思,又是很长的一篇。这是过去写的量子力学那部分,重新整理一下。分出小段,希望能减轻各位看时的痛苦。这部分不适合寻求实用内容的网友,不关乎孩子读经、学琴、健康、吃饭这些具体事情,时间紧的朋友可以完全忽略,以后我会尽量多聊一些有实用价值的话题。这些只适合有时间有闲心不怕世界观受冲击的人来读。我自己对这些科普东西很感兴趣,但是估计很多人都会觉得枯燥,或许觉得我以另一种方式又说了长篇深奥的废话。总之放在这里,说不好意思,我是极真诚的。有时候,我都怀疑我哥哥是否每个字都看了!

我尽量做到严谨准确,但是毕竟是外行,如有任何错误不当之处,恳请专业人士指出,我好及时改正。先谢谢了!另外,文中提到的书多数都能买到,但是基本都很专业,比这篇文章枯燥很多倍。如想了解量子物理,推荐曹天元的《量子物理史话——上帝掷骰子吗》这一本就够了,写得非常生动,适合非专业的读。

 

好了,请备好茶点饮料、系好安全带、深呼吸,这就出发了!我在结尾处等着各位!

 

量子力学与世界观

通过学习,我发现量子力学并不是我以为的那样新的学科。

 

19001214,德国物理学家普朗克发表了一篇论文,从此宣告了量子的诞生。量子物理的主要基本理论,早在二十世纪的二十年代就已被奠定下来。

 

量子论在实验室里被反复验证,无一例外,无懈可击。在实践中,量子论也已经得到了广泛的应用。半导体、晶体管和集成电路、激光技术、材料科学及纳米技术、对超导体和超流体的研究、对原子核以及夸克和胶子的研究、对核能的开发、对行星和黑洞的研究,等等,无数个领域,都受益于量子力学。

 

在量子论的基础上,又发展出了粒子物理学、量子工程学、量子色动力学、量子电动力学、量子生物学、量子信息学、量子宇宙学等等新的学科。

 

量子论继相对论之后,开创出了物理学的新纪元,把我们带入了新物理学。

 

可是,尽管有了这些伟大的成就,有趣的是,到目前为止,科学家们对量子论的争议仍然没有结束。就是说,对于一些在实验室里经过反复验证的量子世界的现象,科学家们仍然不能给出一个一致的解释。科学家们常常在各种解释之间举棋不定。一方面,新的解释在继续被提出,另一方面,或许现在所有的解释都不正确。所以量子力学的发展远远还没有划上句号。

 

自诞生以来,量子力学也给科幻小说、科幻电影带来了无尽的灵感。夸张点说,量子力学重新发明了现代科幻这个文学品种。科幻中比较常见的题材,比如平行宇宙、时间旅行、量子远程传物和量子计算、纳米时代等等,都以量子物理为依据。前几年看过一个电影叫“SlidingDoors”,讲的就是女主角在追赶地铁的一瞬间进入了平行宇宙、或者叫多世界——赶上地铁的她和没赶上地铁的她分别开始了不同的人生。

 

科学发展的速度自然是越来越快,作家的想象力都不一定能追赶上科学家的想象力和智力。据2003年出版的《新量子世界》一书,“量子计算正在变成现实,小规模的量子远程传物试验实际上已经成功了。”如果查阅2011年的最新资料,我们一定能发现量子力学领域又有了许多新的进展。

 

不过,尽管已经有了近一个世纪的如此蓬勃、辉煌的发展,量子力学对于普通百姓来说,仍然是很陌生的。如果你不是大学物理系的学生,不是从小就对物理感兴趣的人,恐怕你很难说对量子力学有多少了解。或许是因为它太奇妙,难以用数学公式以外的语言去准确描述,或许因为很多现象还没有最终的权威解释,总之,人们可能大致听说过万有引力和相对论,但是提到量子力学,我们所知甚少。

 

在发达国家,大众了解最新科学进展的机会比较多,公众的基本科学素养也比较高。我们随着生活水平的提高,也有越来越多的人更加关注科学技术的新发展。目前国内已经能看到越来越多的科普译著了。一位著名的俄裔美籍科学家,乔治.伽莫夫,曾写过一本著名的科普小说,来解释量子物理。这本书现在又出了新版,中译本叫《物理世界奇遇记》。湖南科技出版社曾翻译出版了一套《第一推动丛书》,都是优秀的科普著作。

 

中国的曹天元所著的《量子物理史话——上帝掷骰子吗》也是一本生动的量子物理发展史介绍。这本书最初是在网上写的,当时很快就受到无数网友的热情关注。可见,即便是在物质时代,科学依旧魅力不减。正如作者在后记中所说:“虽然时代变迁,带来了无边的喧嚣和烦躁,但人们心中对自然的好奇和向往,却终究不曾更改。”

 

21世纪将是许多科学领域都获得巨大发展的时代:生物信息学、基因工程等等,而量子物理更将在其中扮演重要角色。正如著名的理论物理学家兼作家保罗.戴维斯所预言:“19世纪是机器时代,20世纪将会作为信息时代写进历史。我相信21世纪将会是量子时代。”

 

生活在这样一个时代的我们,自然应该对这一朝气蓬勃的学科有所了解。

 

我相信,量子物理对我们的意义不只体现在科学研究和工业发展上的,还体现在世界观上。2500年前,古希腊的科学就起步于对自然进行哲学探索。其后的历史上,重大的科学发现都曾影响了人们的世界观。比如500年前哥白尼的太阳中心说,就曾给人们的世界观、给宗教和哲学都带来了极大的震撼。设想一下,如果我们现在仍然认为太阳是围着地球转,我们一定会觉得自己很愚昧。同样,我们可以由此推想,如果我们对新科学不了解,那么我们对世界的认识会是多么表面、多么粗浅。

 

当然有人可能想,不管谁围着谁转,我们每天还是得照样过柴米油盐的日子,有什么不同呢?知道这些又有什么用呢?的确,我们依旧要过平常日子,但是我想,同样是在吃饭、走路、上课、上班、谈情说爱、带孩子,如果对世界有了更清晰更真切的认识,那么同样还是在做这些事,我们脑子里的想法和态度、我们心里的感受都会有所不同。所以我觉得世界观还是很重要的,它决定了你将是怎样的一个人,将怎样走过你的这一生。

 

理查德.费曼是当代美国著名的物理学家,他讲过这样一个趣事:“我们印象最深刻的重大发现之一是,能够让恒星不断发光的能量来源是什么。发现这一来源的几个人中的一人,一天晚上正在跟他的女朋友在野外散步,突然意识到恒星上一直不断发生着的核反应一定是恒星发光的原因。这时,他的女朋友说:‘看呀,闪闪的星星多么漂亮啊!’他说:‘是啊,现在这一刻,我是世界上唯一一个知道星星为什么发光的人。’他女朋友只是嘲笑了他。她对在那个时刻跟世界上唯一知道星星为什么发光的人出去散步毫无感觉。孤独是令人伤心的,但是世界就是这样的。”[1]

 

呵呵,虽然我们不一定能改变别人眼中的世界,但是我相信,知道星星为什么发光的人所看到的星星,一定另有一番景致!

 

 

客观现实的不存在

物理学家们研究世界的一个基本方法,就是去研究构成这个世界的材料。科学家们把这个世界像拆积木一样越拆越小,希望把材料分割到最后,看看世界究竟是由什么构成的。量子力学研究的就是原子以下的电子、质子、中子等等基本粒子层次的微观世界。量子的意思就是能量的最小单位。

 

当科学家们把世界拆分到最后,发现了什么呢?

 

-粒二象性

在上个世纪20年代,一位出身法国贵族家庭、有着“王子”头衔的博士生,德布罗意,在他的博士毕业论文里宣称,电子在运动时,必然伴随一个波。也就是说,电子这个基本粒子,实际上竟然是一个波!他凭着这个博士毕业论文直接得了诺贝尔奖!后人把这个波称为“德布罗意波”。

 

1927年,美国的两位科学家,戴维森和革末,与科学家G.P.汤姆逊共同通过实验证明了电子的波动性。他们也因此获了诺贝尔奖。有趣的是,30年前,G.P.汤姆森的父亲,J.J.汤姆森,因为发现了电子,这一自然界中的新的基本粒子,而获了诺贝尔奖!

 

电子,究竟是粒子还是波?这就引出了人们做了多年的、有许多改良版本的、著名的双缝实验!

 

几乎任何一本讲量子力学的书里,都会提到这个著名的双缝实验,这里就不赘述。这个实验的结果是:电子既是粒子、同时又是波!当我们给电子留出一条缝时,它就以粒子的形式出现,当我们给它留出两条缝时,它就变成了波!

 

这一现象被总结为“波-粒二象性”。

 

究竟在每个具体的时刻它以哪种身份出现,那完全取决于我们的观测方式!(呵呵,关于量子力学,我不得不使用很多惊叹号!)我们在实验室里采取不同的观测方式,就得到不同的结果。至于说它是怎么知道我们给它准备的是一条缝还是两条缝,这个谜科学家们至今也没彻底解开!

 

 

不确定性原理

1932年,物理学家沃纳.海森堡因发现不确定性原理而获诺贝尔奖。这一原理奠定了量子力学的理论基础。

简单地说,不确定性原理是指:在量子层次上,由于研究对象过于微小,所以我们的任何测量都不可避免地给被测量的物体带来干扰。具体说,表达微观粒子有两个数据:动量和位置。其中,我们测量到的动量越准确,我们得到的位置就越模糊;反之亦然。

 

原则上讲,就是说,即便未来若干个世纪以后,当测量技术无比发达时,我们也永远无法同时得到一个粒子的精准的动量与位置。

 

在亚原子领域,不存在精准的科学。有的只是概率、或然率、倾向、波函数。量子力学所能做到的,只是准确地算出一个粒子存在于某个位置的概率。

 

而这种不确定性,完全是由于我们的测量行为所导致的。

 

 

这些实验和原理给科学家们上了深刻的一课,那就是:根本不存在绝对客观的现实!过去所谓的客观现实,准确地说,只是我们以某种观测手段所看到的现实,丝毫也不客观!

 

其实这个结果远不是量子力学中最让人惊诧的理论。量子力学的开山鼻祖尼尔斯.波尔有句名言:“如果谁不为量子论感到困惑,那他就是还没懂量子论。”后面提到的很多结论都将使我们大开眼界。而这个不存在客观现实的结论是相对好理解的。

 

让我们这样想吧:我们的所谓客观世界,严格意义上讲,只是以我们的感官所能感知到的世界而已,并不客观。专业一点地说:“所谓视觉不过是对穿过我们眼睛微孔的电磁辐射进行取样,而且择取的只是很宽的电磁波谱中很窄的色谱段。我们的听觉监测耳鼓附近的耳压,味觉提供对空气中撞击我们的鼻膜的古怪气味的化学分析。”[2] “当一个人说‘我看到一把椅子’时,他的意思仅仅是他利用椅子散射来的光建立一个椅子的心理图像或模型”。[3]总之,这些感官得出的数据综合在一起,构成了我们所体验到的世界。

 

因此,这个世界只是人类主观意义上的世界。我们不知道世界在外星人眼里是什么样,但起码它在其他动物的眼里就一定不是我们所感觉到的样子,正如庄子在《齐物论》里所论述的那样。

 

至于说绝对的客观世界究竟是什么样,这个问题本身被认为是没有意义的。因为任何一种描述,都是基于某种观测手段。

 

由此得出的进一步的结论就是:观测者不能独立于被观测的事物而存在。没有绝对的观测者或旁观者,因为任何一种观测行为,必然扰动了观察对象。所以在量子力学的意义上,观测者都是参与者。

 

推而广之,我们体验到的一切,不是外在的客观世界,而只是我们跟世界互动的结果。这个世界不是由种种事物组成的,而是由种种互动、关系所组成的。主体跟客观世界永远都是不可分隔的。我们生活在一个紧密结合的、以无比微妙的形式在生生不息地互动着的世界里。

 

整个宇宙是一个不断互动的整体,而我们人类在其中扮演着重要的参与者和创作者的角色。

 

 

唯物还是唯心

很多人了解了量子力学后就会产生关于唯物和唯心的困惑。究竟是唯物正确还是唯心正确?可别指望物理学家们回答这类问题。他们喜欢依据事实说话,哲学在很多科学家看来属于空谈,他们不愿陷入其中,所以他们通常对这些问题都竭力避免回答。

 

不过,尽管如此,量子物理学家们用数学公式和逻辑推理出来的很多结论,已经相当不可思议了,足以挑战我们凡人的想象力。

 

 

薛定谔的猫

 根据量子力学的主流学派哥本哈根派,一个粒子在被测量之前,是没有一个确定的状态的,它的各种可能性混合叠加在一起,它以一种波函数的状态漫延于空间中。当它被测量的一瞬间,也就是被人的意识关注的那时起,它的波函数即刻坍缩,它变成了实在物体。

 

著名物理学家薛定谔在1935年的论文里提出一个著名的思维实验:既然宏观世界是由微观粒子构成的,那么我们假想一只猫,被放在置有可随机开关的毒气瓶的箱子里。猫究竟是死还是活,我们只有打开箱子才知道。那么根据哥本哈根解释,在我们没打开箱子观测时,原则上讲,猫应该处于死活叠加的模糊状态!一旦我们打开箱子,有了人的意识在观测它,那么,猫的死活两种状态中的一种的波函数立刻坍缩,另一种就成了现实!

 

这一假想激起了人们无尽的思考,其后的几十年里一直有科学家提出各种解释,说明猫为什么不是同时又死又活的。

 

对此,一直反对量子力学的爱因斯坦曾说:“我宁愿相信当我不去看的时候,月亮依旧在天上挂着!”爱因斯坦这句话其实是有几分无奈的,因为他致死也没能驳倒量子力学。

 

 

延迟实验

1979年,物理学家约翰.惠勒提出了一个“延迟实验”的构想。这个实验构想在其后的几年里,分别被两个大学里的科研小组所做的实际实验所证实。

 

这个用光子和反射镜所做的实验得出了一个奇怪的结论:我们可以在事情发生后再来决定它应该怎样发生!听起来很挑战你的逻辑思维吧?你可以不相信哥本哈根学说,但这一根据哥本哈根学说而设计的实验,在实验室里已被一再证实!

 

科学家们依此推理,发现宇宙的起源也可以有一个离奇却又合理的解释了:是我们这些高等生物的出现、我们的观测,创造了宇宙。这个说法被称为“参与性宇宙”模型。惠勒还特意亲自画了一个生动的示意图:一个大眼睛,从宇宙中拐了出来,回望着宇宙,造成了亿万年前宇宙的诞生。他把这叫做“自指的宇宙”。

 

我们人类的存在,反过来又创造了使得我们生存的宇宙?!这听起来比任何唯心的说法都更过分!

 

似乎是,浸泡在数学公式里的科学家们,用最唯物的方式得出了最唯心的结论!

 

 

或许,随着科学发展到现在,连哲学概念都要与时俱进、重新定义了。或许,唯心和唯物分别,至此都变得没有太大的意义。“物”的本质,追踪到最后,已经变得不那么实在:科学家们发现了虚粒子、虚光子、暗物质和暗能量;微观粒子有着难以捉摸的不确定性;超弦理论认为粒子实际不过是振动的弦;物质的根本元素更接近光和能量……而唯心的“心”也变得越来越实在了。意识、思维被认为是能产生一定频率的。目前一些科学家正在投身于对意识的前沿的研究工作。

 

或许,人类即将走过唯物和唯心的纷争,取而代之的是对世界真相的更全面、更深刻的认识。

 

 

人的作用

维格纳的朋友

物理学家尤金.维格纳是一位严肃的权威的物理学家,曾在1963年获得过诺贝尔物理奖。

 

在“薛定谔的猫”的基础上,他提出另一个思维实验“维格纳的朋友”:他想象,让自己的一位朋友戴上防毒面具,也跟猫一起待在箱子里。那么,等事后维格纳问这位朋友看到了什么,是否看到了猫的死活叠加的状态,他相信朋友一定会否认这一点。他认为,由于这位朋友的出现,由于一个人的意识被包括在了这个系统中,有了人的观测,于是猫的一个波函数就坍缩了,叠加状态就不存在了。他总结说,人的意识无疑在触动波函数中担当了一个重要的角色。

 

维格纳在他1967年出版的论文集中,以简单明了的方式解释到:意识可以作用于外部世界并使波函数坍缩,这并不奇怪。外部世界的变化可以引起我们意识的改变,那么,根据牛顿第三定律,作用与反作用原理,意识也应当能够反过来作用于外部世界。

 

当然他的实验只是思维实验,他的说法也只是他推理出的结论。

 

 

DNA幻影效应

美国人格雷格.布莱登在他的畅销书《无量之网》中,介绍了一个由两位俄罗斯量子生物学家,弗拉迪米尔.普普宁和彼得.格瑞尔菲所做的实验。这个实验最初发表在一份俄罗斯的学术期刊上。[4]1995年,普普宁在美国又复制了该实验,发表了同样的实验结果。

 

简单地描述,这个DNA幻影效应实验是这样的:科学家们先制作了一个真空的试管。当然试管里没有了空气,但是还剩下了光子。他们用一种设备能准确探测到试管里的光子的位置。经探测,他们发现里面的光子就像他们所预测的那样,是随机分布的。

 

然后他们把人的DNA样本放进试管中。这时,奇怪的现象发生了:试管中的光子不再随机分布,光子在生命体存在的情况下进行了重新排列!这似乎说明了人类的DNA对于组成这个世界的基本元素具有直接的影响!

 

随后,实验者把DNA从试管中取出。人们认为,这时,光子会恢复原来的随机分布状态。但是,另他们惊讶的是,这些光子依然有序地排列着,就如同人的DNA依旧存在其中一样!

 

对此,人们找不到现有的任何理论,能够解释DNA和光子是以怎样的方式在联系着。或许,试管里除了光子以外,还有其他东西填充了整个空间,从而使光子得以保留在有序排列的位置上?普普宁总结到,他和其他研究人员“不得不接受这样一个实验前提,即有某种新的场域结构存在。”[5]

 

 

这个“DNA幻影效应”实验似乎证明了前面维格纳以及其他科学家的推论,即,有意识的人的存在能对外界世界产生一定的影响。至于究竟是以怎样的方式影响的,现在只能说科学家刚刚触到了冰山的一角。

 

目前,对于意识的研究正在各个领域进行。超个人心理学、另类疗法医学、神经学、生物学、物理学等各学科的科学家都在从自己的角度出发,探索人类跟外界的互动关系。

 

我曾看到一本《布达佩斯俱乐部全球问题最新报告——第三个1000年》,书的附录中就有一篇是“来自心灵和意识新科学的见解”,其中介绍了一些意识领域研究的实验。这本书的作者欧文.拉兹洛是美国著名系统哲学家、广义进化论和全球问题专家。他曾两次获诺贝尔和平奖提名。

 

在这里提到他的书,是因为他讲这些意识领域的研究,并不是为了哗众取宠、满足人们的猎奇心理,而是为了使人们增强责任感和使命感。

 

我相信,我们了解自己的潜在的力量,了解自己跟世界的更深层的关联,这可以使我们对自己的思想和言行更敏感、更警觉,使我们有意识地去过上更有爱心、更有责任感的生活。

 

 

补充:这个链接介绍了2011年中国科研人员通过实验证实了新形式的不确定原理:http://www.cas.ac.cn/ky/kyjz/201110/t20111012_3361553.shtml



[1] (英)安东尼.  帕特里克.沃尔特斯,《新量子世界》(The New QuantumUniverse),p184

[2] (美)弗兰克.维尔切克,《存在之轻——质量、以太和力的统一性》(The Lightness ofBeing),p4

[3] 斯蒂芬.霍金,《大设计》(The GrandDesign),p39

[4] 弗拉迪米尔.普普宁,“用激光相干光谱研究DNA溶液的波动态”,《雷比蒂夫物理学中心期刊》第11-12期(1992),p23-30

[5] 弗拉迪米尔.普普宁,“DNA幻影效应:真空结构中新场域的直接测量”(1995

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