量子力学中,电子双缝干涉实验和延迟选择量子擦除实验的实验结果都提示我们,物质不是宇宙的唯一,甚至物质基于意识而存在。当我们越用严密的逻辑去分析,就越无法把意识的作用排除在外。
然而,只承认物质的自然科学主义信仰者并不死心。他们想尽一切办法,绕过最直观最有力的哥本哈根诠释,用各种基于只承认物质的思想,费尽一切力气在否定意识的作用的前提下解释电子双缝干涉实验,结果还是徒劳无功。其中比较有代表性的理论是就是退相干理论。
退相干理论本身逻辑问题不大,问题在于只承认物质的自然科学主义信仰者利用这个理论偷换了概念。
退相干理论承认波和叠加态的存在,与哥本哈根诠释不同之处就在于避开了观察者的观测。其理论认为,电子双缝干涉实验中,处于各种概率叠加态的电子与周围物质环境的接触导致了退相干。即量子相干性“泄露”到环境中,因为环境是巨大且复杂的,我们无法从内部完全观测和掌握整个宇宙的全局,所以没有办法观测到相干性。这个说法在逻辑上讲得通,也被一些实验所证实,比如在有微弱光线的环境中做电子双缝干涉实验,随着光的增加,干涉变得越来越不明显,因为光子也是环境,电子和光子接触之后导致了退相干。
退相干理论认为宏观环境也有叠加态,也可以干涉,只是不明显,我们观测不到。这可能也是事实。为什么说宏观环境也有叠加态呢?让我们来了解一下薛定谔的猫这个思想实验。由著名物理学家薛定谔于1935年提出。在一个密封的箱子中,有一只猫,一个铁锤,一个开关,一个毒气瓶,还有放射性元素。如果放射性元素发生了衰变,就会触发开关,开关打开之后,铁锤就会落下砸碎毒气瓶,释放出毒气,猫就被毒死了;如果放射性元素没有发生衰变,猫就不会被毒死。而根据量子力学中的叠加态原理,我们无法确定放射性元素是否发生了衰变,放射性元素一直处于衰变与没有衰变的叠加态,衰变与不衰变的概率都是50%。既然这样,那么开关就处于“开和关”的叠加态,那只猫自然也会处于“生和死”的叠加态。
薛定谔提出这一思想实验,正是为了指出宏观世界中不可能存在“既死又活”的猫,从而通过归谬法反推并质疑量子力学中的不确定性、叠加态原理以及哥本哈根诠释的不完备性。然而,以后很多基于精密科学仪器的实验,特别是量子纠缠实验,都证实了粒子的叠加态是真实存在的。既然如此,通过薛定谔这个思想实验,反而可以让我们推论出宏观物质的叠加态是真实存在的,而不是薛定谔所认为的不存在。
只是猫也是观察者。所以用猫做实验不太合理。比较合理的实验可以这样设计:把猫换成灯泡。放射性元素衰变时触发开关,打开灯泡。那么没有打开箱子时,灯泡处于发光和不发光的叠加态。
灯泡必须存在叠加态,而不可能一直都是确定态。假设灯泡是否发光从头到尾都是确定的,那么就可以反推粒子是否衰变也是从头到尾都是确定的,这样的情况与量子纠缠实验的结果不相符。量子纠缠实验的结果是:粒子的确定态在被观测的那一刻才被确定(退相干解释为观测即与环境接触,这时候发生退相干,所以退相干也承认粒子在一段时间内处于叠加态)。灯泡就是一个宏观物体,所以这个思想实验明确告诉我们,宏观物质的状态也可以处于叠加态。后来一些真实的实验也证实了宏观物质存在叠加态。比如2023年,研究人员利用超导量子比特与压电效应,成功让一个质量约16微克,包含约100万亿个原子的机械振荡晶体处于两种不同运动模式的叠加态。这是目前制备出的质量最大的宏观物质叠加态。
但叠加态的本质是什么?只有波才会有叠加态。电子双缝干涉实验中,波就是粒子所有可能出现位置的叠加态,直到电子的波到达屏幕的那一刻,才变成了只有一个位置。我们的肉眼从来没看见过这种叠加态的波。我们之所以知道有波的存在是通过粒子的排列状态去判断出来的。波和粒子是不同的概念。如果一定要说粒子是汇集在一处的波我也没意见,汇集在一处和弥漫在空间中依然是不同的概念——我们只能看到汇集在一处的而看不到弥漫在空间中的。只有在我们看不见的弥漫在空间中的状态下,波才会互相干涉。汇集在一处的,不管我们称之为波或粒子,不会发生干涉。能够发生干涉是因为“粒子”同时出现在很多不同的位置,是“位置概率分布”和“位置概率分布”之间的干涉;粒子只有唯一一个确定位置的时候,概率变成100%,如何干涉呢?叠加态虽然有正交的情况,但本身一直就带有可以干涉的属性(不同状态各有概率就可以干涉);在波和粒子中,可以干涉的,只能是波。所以叠加态只能是一种波!在前面的思想实验中,发光的灯泡和不发光的灯泡互相叠加,本质上就是一种宏观物质的波。
那么关于退相干理论的问题来了:量子相干性“泄露”到环境中,让整个大环境处于叠加状态,但我们观测不到大环境的相干性,这个说法可以理解,没有太大问题;但是大环境既然处于叠加态,那么就说明大环境是概率波而不是我们在现实中看到的由基本粒子所组成的物质!波是什么时候、如何变成我们看得见的粒子的?这个问题退相干理论没有回答!
我们想要知道的是波是如何变成基本粒子的,哥本哈根诠释回答了这个问题;而退相干理论告诉我们的却只有:为什么波的干涉变得不明显了。
双缝干涉实验中,有些科学家想以退相干理论来代替哥本哈根诠释,然而这两者所解答的问题根本不属于同一范畴。这不是很荒谬吗?
到底是什么让只承认物质的自然科学主义信仰者一看到退相干理论就欢呼胜利呢?
只要承认有叠加态,那么就难以绕过观察者意识的问题!
冯·诺依曼是物理学家,也是逻辑学专家。他对这个问题的分析,才是更加彻底而严密的。
冯·诺依曼认为:在量子力学中,当一个测量仪器去测量量子时,仪器就会和量子发生纠缠,变成叠加态。如果人去看仪器,人的眼睛和大脑也会跟着变成叠加态。只要遵循物理定律,这个叠加状态就会在“量子→仪器→身体”之间无限传递下去。
虽然物理世界可以无限叠加,但人的主观意识是确定的。人不可能同时体验到“看到A”和“看到B”两种状态,只能感知到一个确定的结果。这就意味着,无限叠加的物理链条必须在某个地方停下来。
冯·诺依曼通过数学计算发现,无论把这个“停止叠加”的节点设定在仪器上、眼睛上,还是大脑上,最终计算出的物理结果都是完全一样的。既然结果相同,根据“如无必要,勿增实体”的原则,就不需要在物理中间环节强行设定停止点。
最合理的逻辑推论就是,把停止叠加的节点一直往后推,直到物理世界的尽头——即人的意识产生感知的那一刻。因此,是观察者的意识最终导致了量子叠加态的坍缩。
所以冯·诺依曼基于客观证据和逻辑分析,在其1932年出版的量子力学教科书《量子力学的数学基础》中提出:“波函数坍缩可能源自观察者意识”。
这个分析直接、有力地推论出观察者意识在整个过程中的作用!
退相干理论本身的逻辑很好,只是不究竟。正因为退相干理论的逻辑没有太大的漏洞,所以可以被实验证实。在有光线的环境中做电子双缝干涉实验,随着光的增加,干涉变得越来越不明显,这就是实验对退相干理论的支持。但只是用退相干理论来解释这种实验现象确实并不究竟彻底。之所以“退相干”了,是因为观察者意识到在这样的环境中,电子碰到光子的概率很大,其中必定会有互相碰撞的情况。意识依然是最终的决定者!
前面所说的箱子里的灯泡的思想实验,我再修改一下设计:把箱子换成一个绝对黑暗的房间,人就在房间里,看不到任何光线。其他还是不变:粒子衰变触发开关让灯泡发光。如果在房间里的人看不到任何光线,就说明灯泡没有被打开。这时候灯泡不再处于发光和不发光的叠加态,被确定为不发光的状态,那么粒子当然也就被确定为没有衰变的状态了。在粒子的叠加态变成确定状态的过程中,没有任何物质的碰撞,包括没有任何粒子和光子、人眼和光子的碰撞,但是叠加态变成确定态还是发生了。说明与环境的接触不是关键,没有环境接触也可以!观察者仅仅通过对一片黑暗的判断就能导致叠加态变成确定态,其本质还是意识的作用!
所以,就算有了退相干理论,只承认物质的自然科学主义信仰者还是无法否定意识在其中所起到的关键性作用!利用退相干理论代替哥本哈根诠释,只不过是一种迷惑人的手段而已。
量子理论的创始人普朗克在一次演讲中说:“作为一个把毕生都奉献给最清晰头脑才能研究的科学——物质研究的人,我可以告诉你一个我关于原子的研究结果:没有物质这么回事,所有的物质只有在一种力量的影响下才得以创造和存在。这力量使一个原子粒子振动,并支撑这个最微小的原子太阳系。我们必须假定这力量背后存在一个意识和智能心智。这个心智就是所有物质的母体。”