01.04 “薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

“如果人類有了更強的觀測手段,薛定諤的貓的模態並非不能觀測……”朋友在飯桌上的一席話差點嗆到我,我想對他說,你太在意那隻貓的生死了,完全沒有理解這隻與芝諾烏龜,拉普拉斯獸、麥克斯韋妖齊名的物理學界四大神獸對於整個人類科學的意義何在。

自1088年歐洲第一所大學誕生“自然魔法”的教學標誌著以實驗為基礎的當代自然科學登上歷史舞臺,到之後文藝復興奠定了人本主義,所有現當代科學最堅實的根基就是這個宇宙、這個世界是物質的,而意識不過是附著於人類這個物種上產生的東西,除了腦科學,意識這個概念甚至都不在自然科學的研究範疇之中。

然而薛定諤的貓這個隱喻卻打開了一個潘多拉魔盒,人類細思恐極的發現這將通往《三體》中要了葉文潔女兒楊冬半條命的那個結論:物理學並不存在,而這與三體人的智子一毛錢關係都沒有。

一切都是由薛定諤意識中產生的這隻該死的貓引起的。

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

當我們不觀察時,月亮是不存在的

作為量子理論的先驅並戲劇性的變成其死敵的薛定諤,很多人並不知道這隻已經逐漸成為量子理論圖騰的貓其實是他為了嘲笑哥本哈根學派,用來反對量子論而設定的一個思想實驗。

他在1935年為了響應愛因斯坦對於量子理論的攻擊也發表了一篇論文,題為《量子力學的現狀》(Die gegenwartige Situation in der Quantenmechanik),文章極盡諷刺刻薄,一副與哥本哈根學派誓不兩立的樣子。

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

在論文的第5節,薛定諤描述了那個常被物理學界視為噩夢的實驗。哥本哈根學派不是說,在沒有測量之前,一個粒子的狀態模糊不清,處於各種可能性的混合疊加。比如一個放射性原子,它何時衰變是完全概率性的。只要沒有觀察,它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中,只有確實進行了測量,它才能隨機選擇一種狀態出現嗎?

很好,那麼讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子(薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置)中讓它保持這種疊加狀態。,每當原子衰變而放出一箇中子,它就激發一連串連鎖反應,最終結果是打破箱子裡的一個毒氣瓶,而同時在箱子裡的還有一隻可憐的貓。事情很明顯:如果原子衰變了,那麼毒氣瓶就被打破,貓就被毒死。要是原子沒有衰變,那麼貓就好好地活著。

但這樣一來,顯然就會有以下的自然推論:當一切都被鎖在箱子裡時,因為我們沒有觀察,所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定,所以它是否打碎了毒氣瓶也不確定。而毒氣瓶的狀態不確定,必然導致貓的狀態也不確定。只有當我們打開箱子察看,事情才最終定論:要麼貓死掉了,要麼它活蹦亂跳。但問題來了:當我們沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀態?似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態,也就是說,這隻貓當時陷入一種又死又活的混合狀態。

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

奇哉怪哉。現在就不光是原子是否是幽靈的問題了,現在貓也變成了幽靈。一隻貓同時又是死的又是活的?它處在不死不活的疊加態?這未免和常識太過沖突。

薛定諤的實驗把量子效應放大到了我們的日常世界,現在量子的奇特性質牽涉到我們的日常生活了,牽涉到我們心愛的寵物貓究竟是死還是活的問題。這個實驗雖然簡單,卻比之前愛因斯坦的攻擊要辛辣許多,甚至連哥本哈根學派都不得不承認:是的,當我們沒有觀察的時候,那隻貓的確是又死又活的。

但這個推論如果成立,那麼不僅僅是貓,一切的一切,當我們不去觀察的時候,都是處在不確定的疊加狀態的,因為世間萬物也都是由服從不確定性原理的原子構成的。

因此,在物理學派內部一直有一個非常極端的論調:“當我們不觀察時,月亮是不存在的。”因為月亮也是由不確定的粒子組成的,所以如果我們轉過頭不去看月亮,那一大堆粒子就開始按照波函數彌散開去。於是乎,月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定,它逐漸“融化”,變成概率波擴散到周圍的空間裡去。當然這麼大一個月亮完全“融化”成空間中的概率是需要很長很長時間的,不過問題的實質是:要是不觀察月亮,它就從確定的狀態變成無數不確定的疊加。不觀察它時,一個確定的、客觀的月亮是不存在的。但只要一回頭,一輪明月便又高懸空中,似乎什麼事也沒發生過一樣。

如果月亮是如此,那麼整個宇宙呢?

無限復歸

事實上,到這裡為止,還沒有失控,雖然那時候物理學家們已經有些覺得不對勁了。

貓處於死/活的疊加態?人們無法接受這一點,最關鍵的地方就在於:經驗告訴我們這種奇異的二重狀態似乎是不太可能被一個宏觀的生物(比如貓或者我們自己)所感受到的。貓當然不能告訴我們它當時在箱子裡到底處於什麼狀態,那如果把一個會說話的人放入箱子裡面去。這個人如果能生還,他肯定無比堅定地宣稱,自己從頭到尾都活得好好的,根本沒有什麼半生半死的狀態出現。可是,這次不同了,因為他自己已經是一個觀察者了啊!他在箱子裡不斷觀察自己的狀態,從而不停地觸動自己的波函數坍縮!

奇怪,為什麼我們對貓就不能這樣說呢?貓也在不停觀察著自己啊。貓和人有什麼不同呢?難道區別就在於,一個可以出來憤怒地反駁量子論的論調,另一個只能“喵喵”叫嗎?令我們吃驚的是,這的確可能是至關重要的分別!人可以感覺到自己的存活,而貓不能,換句話說,人有能力“測量”自己活著與否,而貓不能!人有一樣貓所沒有的東西,那就是“意識”!因此,人能夠測量自己的波函數使其坍縮,而貓無能為力,只能停留在死/活疊加任其發展的波函數中。

意識!這個字眼出現在物理學中真是難以想象。

這太荒謬了,這個時候馮·諾依曼出場了,沒錯,就是那個在現代計算機、博弈論、核武器和生化武器等領域內的科學全才之一,被後人稱為“現代計算機之父”、“博弈論之父”的天才,他給出了一個更為刺激的結論。

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

每當我們觀測時,系統的波函數就坍縮了,按概率跳出來一個實際的結果,如果不觀測,那它就按照方程嚴格發展。這是兩種迥然不同的過程,後者是連續的,在數學上可逆的、完全確定的,而前者卻是一個“坍縮”,它隨機,不可逆,至今也不清楚內在的機制究竟是什麼。這兩種過程是如何轉換的?是什麼觸動了波函數這種劇烈的變化?是“觀測”嗎?

馮·諾伊曼敏銳地指出,我們用於測量目標的那些儀器本身也是由不確定的粒子組成的,它們自己也擁有自己的波函數。當我們用儀器去“觀測”的時候,這隻會把儀器本身也捲入到這個模糊疊加態中去。怎麼說呢,假如我們想測量一個電子是通過了左邊還是右邊的狹縫,我們用一臺儀器去測量,並用指針搖擺的方向來報告這一結果。但是,令人哭笑不得的是,因為這臺儀器本身也有自己的波函數,如果我們不“觀測”這臺儀器本身,它的波函數便也陷入一種模糊的疊加態中!諾伊曼的數學模型顯示,當儀器測量電子後,電子的波函數坍縮了不假,但左/右的疊加只是被轉移到了儀器那裡而已。現在是我們的儀器處於指針指向左還是右的疊加狀態了!假如我們再用儀器B去測量那臺儀器A,好,現在A的波函數又坍縮了,它的狀態變得確定,可是B又陷入模糊不定中……總而言之,當我們用儀器去測量儀器,這整個鏈條的最後一臺儀器總是處在不確定狀態中,這叫作“無限復歸”(infinite regression)。從另一個角度看,假如我們把用於測量的儀器也加入到整個系統中去,這個大系統的波函數從未徹底坍縮過!

可是,我們相當肯定的是,當我們看到了儀器報告的結果後,這個過程就結束了。我們自己不會處於什麼荒誕的疊加態中去。當我們的大腦接受到測量的信息後,波函數就不再搗亂了。

奇怪,為什麼機器來測量就得疊加,而人來觀察就得到確定結果呢?難道說,人類意識(Consciousness)的參與才是波函數坍縮的原因?只有當電子的隨機選擇結果被“意識到了”,它才真正地變為現實,從波函數中脫胎而出來到這個世界上。而只要它還沒有“被意識到”,波函數便總是停留在不確定的狀態,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。在諾伊曼看來,波函數可以看作希爾伯特空間中的一個矢量,而“坍縮”則是它在某個方向上的投影。然而是什麼造成這種投影呢?難道是我們的自由意識?

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

換句話說,因為一臺儀器無法“意識”到自己的指針是指向左還是指向右的,所以它必須陷入左/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/活的混合態中。但是,你和我可以“意識”到電子究竟是左還是右,我們是生還是死,所以到了我們這裡波函數終於徹底坍縮了,世界終於變成現實,以免給我們的意識造成混亂。

延遲實驗

如果說“意識”使得萬事萬物從量子疊加態中脫離,成為真正的現實的話,那麼我們不禁要問一個自然的問題:當智能生物尚未演化出來,這個宇宙中還沒有“意識”的時候,它的狀態是怎樣的呢?難道說,要等到第一個“有意識”的生物出現,宇宙才在一瞬間變成“現實”,而之前都只是波函數的疊加?但問題是,“智慧生物”本身也是宇宙的一部分啊,難道說“意識”的參與可以改變過去,而這個“過去”甚至包含了它自身的演化歷史?

很快就有人證明了這個結論。1979年是愛因斯坦誕辰100週年,在他生前工作的普林斯頓召開了一次紀念他的討論會。在會上,愛因斯坦的同事,也是玻爾的密切合作者之一約翰·惠勒(John Wheeler)提出了一個相當令人吃驚的構想,也就是所謂的“延遲實驗”(delayed choice experiment)。根據哥本哈根解釋,當我們不去探究電子到底通過了哪條縫,它就同時通過雙縫而產生干涉,反之,它就確實地通過一條縫,順便也消滅了干涉圖紋。然而,惠勒通過一個戲劇化的思維實驗指出,我們可以“延遲”電子的這一決定,使得它在已經實際通過了雙縫屏幕之後,再來選擇究竟是通過了一條縫還是兩條!

想象你去看電影,雖然你對電影內容一無所知,但很明顯,既然已經剪完上映,說明這部電影早已殺青。但走到電影院門口的時候,你卻被告知,只要你從左門進去,就會發現是吳秀波主演,而只要從右門進去,它就會是胡歌主演的。換句話說,這部電影當初的主演是誰,可以由你換個場次來決定!

延遲實驗表達的是同樣的意思。雖然聽上去古怪,這卻是哥本哈根派的一個正統推論!惠勒後來引用玻爾的話說,“任何一種基本量子現象只在其被記錄之後才是一種現象”,光子是一開始還是最後才決定自己的“歷史”,這在量子實驗中是沒有區別的,因為在量子論看來,歷史不是確定和實在的——除非它已經被記錄下來。更精確地說,光子在通過第一塊半透鏡到我們插入第二塊半透鏡之間“到底”在哪裡,它是個什麼,這是一個沒有意義的問題。我們沒有權利去談論這時候光子“到底在哪裡”,因為在觀測之前,它並非是一個“客觀真實”。

在惠勒的構想提出5年後,馬里蘭大學的卡洛爾·阿雷(Carroll O.Alley)和其同事當真做了一個延遲實驗,其結果真的證明,我們何時選擇光子的“模式”,這對於實驗結果是無影響的!與此同時,慕尼黑大學的一個小組也作出了類似的結果。

這下徹底亂了!

意識決定物質

這樣稀奇古怪的事情說明了什麼呢?這說明,宇宙的歷史說不定可以在已經發生後才被決定究竟是怎樣發生的!

目前宇宙似乎是在以一個“恰到好處”的速度在膨脹。只要它膨脹得稍稍快一點,當初的物質就會四散飛開,而無法凝聚成星系和行星。反過來,如果稍微慢一點點,引力就會把所有的物質都吸到一起,變成一團具有驚人密度和溫度的大雜燴。而我們正好處在一個“臨界速度”上,這才使得宇宙中的各種複雜結構和生命的誕生成為可能。這個速度要準確到什麼程度呢?大約是1055分之一,這是什麼概念?你從宇宙的一端瞄準並打中在另一端的一隻蒼蠅(相隔300億光年),所需準確性也不過1030分之一。類似的驚人準確的宇宙常數,我們還可以舉出幾十個。

在薛定諤的貓實驗裡,如果我們也能設計某種延遲實驗,我們就能在實驗結束後再來決定貓是死是活!比如說,原子在一點鐘要麼衰變毒死貓,要麼就斷開裝置使貓存活。但如果有某個延遲裝置能夠讓我們在兩點鐘來“延遲決定”原子衰變與否,我們就可以在兩點鐘這個“未來”去實際決定貓在一點鐘的死活!

這樣一來,宇宙本身由一個有意識的觀測者創造出來也不是什麼不可能的事情。雖然從理論上說,宇宙已經演化了幾百億年,但某種“延遲”使得它直到被一個高級生物觀察之後才成為確定。我們的觀測行為本身參與了宇宙的創造過程!這就是所謂的“參與性宇宙”模型(The Participatory Universe)。宇宙本身沒有一個確定的答案,而其中的生物參與了這個謎題答案的構建本身!

你肯定很奇怪:為什麼宇宙恰好以這樣一個不快也不慢的速度膨脹?人擇原理的回答是:宇宙必須以這樣一個速度膨脹,不然就沒有“你”來問這個問題了。因為只有以這樣一個速度膨脹,生命和智慧才有可能誕生,從而使問題的提出成為可能!從邏輯上來說,顯然絕對不會有人問:“為什麼我們的宇宙以一個極快或者極慢的速度膨脹?”因為如果這個問題的前提條件成立,那這個“宇宙”不是冰冷的虛空就是灼熱的火球,根本不會有“人”存在於此,也就更不會有類似的問題被提出。

“薛定諤的貓”揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質

參與性宇宙是增強版的人擇原理,它不僅表明我們的存在影響了宇宙的性質,甚至我們的存在創造了宇宙和它的歷史本身!可以想象這樣一種情形:各種宇宙常數首先是一個不確定的疊加只有被觀測者觀察後才變成確定。但這樣一來它們又必須保持在某些精確的範圍內,以便創造一個好的環境,令觀測者有可能在宇宙中存在並觀察它們!這似乎是一個邏輯循環:我們選擇了宇宙,宇宙又創造了我們。這件怪事叫作“自指”或者“自激活”(self-exciting),意識的存在反過來又創造了它自身的過去!

這彷彿就是最後的結論,我們的這個宇宙竟然是由於我們的意識才產生或者說變成現在這個樣子的。


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