量子物理中,“意识”导致波函数坍缩,这里“意识”到底指什么?
量子物理中,“意识”导致波函数坍缩,这里“意识”到底指什么?
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此"意识"指包括波函数等所描述的概率性-或然性世界观。
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这个问题延伸到量子力学的边缘之外了。
最主流的解释,“观察”导致波函数坍缩,意识不属于科学。但是,再深入一层,“意识”导致波函数坍缩,却正是量子力学和经典物理边界的核心问题之一。
以下说的“观察”,指用仪器记录,拍摄,量子世界,波长不在人眼范围,无处观看。
老老实实从波函数说起。
微观粒子的运动状态可以完备地用量子态表述,量子态是希尔伯特空间中的一个态矢量。这个态矢量就是波函数。在量子力学中,一个波函数可以完全定义一个微观粒子的全部运动状态。
当这个波函数不被“观察”的时候,它如何用永恒存在的运动不断演化呢?通过薛定谔方程,我们可以得知它的能量,动量,角动量,波长,波包信息,振动频率等等经典物理信息。因此,量子态是一个确定的、连续变化的、由决定论方程严格预测的状态函数。
但是我们“观察”波函数时,我们看到的不是波函数,而是上面提到的这些可观测量。每一个可观测量都对应着一系列的本征态和本征值,观察的结果就只可能是这些本征值之一。
本征值是对应可观测量,可以产生确定观察结果的量子态。本征值由粒子的量子态与该本征值对应的本征态之间的“叠加率”所决定。本征态也是一种量子态,是希尔伯特空间中的矢量,每个本征值对应着一个本征态,这称为波恩规则。
薛定谔方程向波恩规则过渡的过程,就是量子物理向经典物理转化的过程,在这过程中,波函数转化为了可观测量,这就是波函数坍缩。
两者的边界在那里
按照经典的观念,系统的状态是独立于观察之外的。但是波函数坍缩却告诉我们,观察时,我们得到何种结果,系统的量子态就突变为这个结果的本征态。这就说明了,波函数坍缩是与观察相关的,不独立于观察。
由此,波函数的演化似乎分成两种不同的模式,当我们不理它的时候,它满足薛定谔方程,是确定的、连续的、幺正的,当我们观察它的瞬间,它会瞬间地发生随机突变, 这个突变不但在观察的瞬间发生,而且是由观察什么决定。观察时发生了两件事,第一,根据你观察的可观测量,会产生一系列本征态的选项;第二,根据波恩规则,量子态从这些选项中选择其一。
大众广为接受的观点是观察结果由观察手段决定,但系统的演化也是观察手段决定,这就非常的反我们熟悉的经典物理因果律了。
这也是波函数坍缩目前最有争议的部分。
如果理解为观察难免要对系统产生干扰,因而观察就不可避免地改变系统的状态。这个解释最容易理解,但这个思维属于典型的经典思维,不符合量子世界的特性。
如果说观察“干扰且改变了系统状态”,这就意味着在观察前,系统已经有一个确定的,不属于经典观察结果的“状态”了。反“不确定”原理?而且贝尔实验也明确地表明,在满足定域性的前提下,不可能存在一个确定的状态。所谓“观察干扰了系统的状态”是反实验结果的。
我不想推翻大师们任何的公设,因为它们都经过了千锤百炼的实验。但是如果觉得矛盾,一定有错误,这个错误,应该是我理解的错误,而不是理论的冲突,那么接着烧脑,继续思考。
“意识”导致波函数坍缩的诞生
量子力学告诉我们,是观察改变了“量子态”,从态矢量的角度看,量子态不但是可叠加的,而且是可任意叠加的。我们可以根据我们的计算方便,把它随意地看作不同状态的叠加。难道一个系统的状态可以是随着我们的意愿变化的吗?
那么,意愿产生结果,那是意识造就现实吗?还是个纯物理过程?
用物理机制详细分析观察过程的第一人是伟大的科学家——冯诺依曼。他试图用物理过程解释观察结果 - 试图将“坍缩”这个神秘过程用某种明确的物理过程消解掉。但是,从系统的“由本征态组成的叠加态”这个起点,经由“系统与仪器的相互作用”、“观察者介入并接受仪器指示”、到最终的“我们在意识中认知到某一个特定结果”这个终点,他发现过程中间是无法被完全消解的。
因为由薛定谔方程的线性性质就可以推导出,在系统与仪器、仪器与观察者之间的物理相互作用过程中,一切叠加态都将会保留下来。然而最后我们所意识到的观察结果,却是一个确定的、单一的结果。
因而经过他对观察过程的详细分析,他只能消解掉其中的物理部分,而那些未消解的部分,被他归结为归结为“非物理”,也就是意识。他说,坍缩大概是与意识有关的。这就是“意识导致波函数坍缩”说法的由来。
为什么会诞生这样的说法,因为现在的量子力学,还不能对整个物理过程做出准确而详尽的描述。
目前量子力学主流的哥本哈根学派解释是,态矢量代表的不是物理状态,而是我们的认识状态 - 因为我们无法直接获取微观粒子的物理状态。因而量子力学不描述系统的物理变化过程,而是描述我们对系统认知的更新过程。这就是所谓的“认识论波函数”,至于独立于我们认知的系统“客观状态”,则是无需去考虑,毫无意义的。
它认为,微观世界与经典世界不同,态矢量适用于且只适用于微观世界。而微观粒子经过观察把信息传递给观察者,就必然会在其中某一点“坍缩”为经典状态。也就是说,在量子态的微观粒子、和只能接受经典状态信息的我们,这两者之间隔了一个“观察”。在跨越量子经典边界的时候,波函数就坍缩了。
与之相对的本体论波函数和隐变量理论这里跳过,集中火力谈“意识”论。
量子-经典界线到底应该在何处呢?
哥本哈根学派对测量过程产生的变化不能精确,完备的诠释,冯诺依曼,决定攻克这一问题。
他把测量过程当做一个具体的,连续的,没有分界线的物理过程来进行详尽的分析,而整个分析的起点,就是假设量子力学不但对微观粒子有效,对宏观的测量仪器乃至于观察者同样有效。也就是说,不存在所谓的经典世界和量子世界的边界,它们都是由量子力学描述的。
他认为,测量不外乎是被测量的粒子和测量仪器之间的相互作用。这个假设非常合理,因为只有这种相互作用,才会发生粒子与观察者的因果关系,从而使得粒子的信息得以传递给观察者。
在整个过程过程中,不存在所谓的“经典”仪器,一切仪器,包括我们的感官,都是由量子微粒构成的,因此它们全部遵从量子定律。
物理定律应该是普适性的,但这种普适性应该仅限于物质世界,也就是说,一切宏观物质都是由量子微粒构成,因此我们必须假定即使是宏观物体,也会遵循量子力学规律,所谓的经典现象,是大量量子微粒在一起显示出来的综合效应,是一种“涌现”的现象。
我们没有理由相信量子力学对物质以外的现象也是普适的——对于精神和意识,没有任何证据表明它们也满足物理定律。对于意识而言,至今物理学还不敢说对它有一丁点的了解。因此,冯诺依曼断言,一定是意识的原因。
意识是这整个链条中唯一的一个可以不遵守物理规律的因素。所以必定是意识导致了波函数的坍缩!意识是存在于物质之外的那个神秘的“观察者”,因而它也就是波函数坍缩的唯一可能的罪魁祸首。
冯诺依曼对观察做出了明确的分析和回答,但这个答案无可避免地让意识直接决定物质世界了!
从多态叠加的量子态到单一确定的经典态,中间必然要经历某种独立于幺正演化的第二类过程才可能实现,在冯诺依曼这里,这个决定性的角色由意识扮演。冯诺依曼的诠释仍然是某种哥本哈根诠释,它只不过把原本无法确定量子经典边界,明确地划在了人的意识边界处。
冯诺依曼在这个问题上的最大贡献,是建立了一套具体的测量理论,把玻尔他们含糊处理的观察过程用物理的手段进行了分析,并且这种分析成为后人进行量子力学诠释问题研究的基础,成为了后人得以站在他肩膀之上的那个巨人。
至于“意识坍缩”,他却并没有深入探讨,而只是简短地对此评价到,“坍缩发生在从仪器到被意识接受的时刻”。然而,他的整个分析过程,绝大多数是纯粹的物理理论,而不仅仅是一个诠释。
其他科学家总结到:
量子力学的规则是正确的,但是它仅对一种系统正确,也就是说是所有的物质世界。在此之外存在的外部观察者却不能被量子力学所描述,诸如人类(也许包括动物)的精神。正是这种外部的观察者在它的大脑中展开的测量坍缩了波函数
求证
按照冯诺依曼的逻辑,我们可以做一个思想推导:如果我们接受了“意识坍缩波函数”这种说法,那么一个逻辑必然就是,意识不但是创造了宇宙的现在状态,它还创造了宇宙的整个历史!因为宇宙早期还不存在意识生物的时候,按照这种逻辑显然是没有什么东西使它坍缩的,于是宇宙自诞生之日起就一直是一种模模糊糊,云山雾罩的概率云。
这种存在状态一直保持到宇宙中第一个意识出现,它看了一眼宇宙,于是宇宙就坍缩成了现在这个样子,包括它的一切历史,从大爆炸到原子的形成再到星云星系的整个演化,就都变成了现实。也就是说,在150亿年的现在,一个意识看了一眼,就导致了150亿年前,宇宙诞生了!
也即是说,现在,决定过去!
太荒唐了是吧,这里,我们暂停一下,先来到一个著名的思想实验-“魏格纳的朋友”。
还是薛定谔的猫,但是在盒子里,关上了一个人,这个人带着防毒面具,一小时后,在我们打开盒子之前,猫对我们来说是死是活?50%的概率,猫处于生于死的叠加态。但是,作为观察者的朋友呢?他看到了什么,那肯定是确定态,不同的观察者,不同的状态,这里就产生了巨大的理论冲突。
这也是哥本哈根诠释中二元对立的矛盾:决定论的波函数演化和突发的波函数坍缩之间的矛盾。玻尔们说从微观系统到我们的观察之间存在着某种量子-经典界线,导致了波函数的坍缩,但是他们也说不清楚这条界线到底划在何处。于是,不同的观察者就对这条界线的位置有了不同的解释,于是矛盾就产生。
这个思想实验,其实就是把冯诺依曼的测量因果链用一种非常形象的形式向我们表达出来了。冯诺依曼首次提出意识可能与坍缩有关,而魏格纳随后把这个论述具体化,明确化了。因而,持有“意识使波函数坍缩”这类观点的诠释,一般被统称为“冯诺依曼-魏格纳诠释”(简称VW诠释)。
物理学一直把意识排斥在科学之外,但是VW的诠释却显然比哥本哈根的理论更加符合一个物理理论的特征:它明确,没有任何含糊空间,因而就更加容易被证伪。而反观哥本哈根诠释,它的模糊不清给了它随意解释的空间,面对任何实验,它都可以随意地变形从而逃过被证伪的命运,正如波普尔指出的,“不可辩驳绝非理论之善,而是理论之恶”。
VW明确认为没有客观世界,它是由我们的意识创造的!这种观点,常识上过于极端,那么的反科学,结果而只能是一种小众理论。
VW同样有缺陷,猫自己作为观察者,那么它就不会是不死不活了,直接自己给自己确定态。
没多少科学家可以接受这说法,但是冯诺依曼是当代顶级科学家,位高权重,为了反击,只有求助于更牛的物理学大师找反击武器,谁呢?爱因斯坦的“隐变量理论”——找到隐藏在概率背后的真正的规律,在波函数的背后,仍然有更深层的现实和规律没有被发现,波函数只是一个展现在我们面前的表象。
最为著名的,也是最接近成功的隐变量理论是德布罗意-玻姆理论,又叫做玻姆力学,哥本哈根诠释中强调波粒的互补性,对量子系统而言,波动和粒子是两种互补的性质,它们共同构成了系统的所有性质,然而却同时是互斥的,不可能在同一个观测中出现。而玻姆力学则强调波粒的共存。在玻姆力学中,除了波函数以外,每个粒子都像是经典粒子那样,有着确定的位置和动量。在这里,波函数不再是玻恩所诠释的那样,是一种概率波,而是作为一种真实的物理波存在。
但是,玻姆力学也不完美,因为经典物理的三个特性,它完美的支持了决定论和实在论,却违反了定域性……
似乎一路说下来,全都是不完美或者有缺陷的理论呢?因为我们来到了科学之墙的边缘,探讨的是科学还未覆盖的领域。
量子力学有多种学说,哥本哈根学派还不能精准解释一切,因此,其他学说有其存在并且合理的缘由。
虽然“意识”导致波函数坍缩听上去很荒诞,彻底反常识,但是费曼说过“谁要是懂量子力学,那么他就是真的不懂量子力学。”
至于提问者,歪打正着,正好问到了量子力学最无法解释的现象,哥本哈根诠释的最软肋之处,也或许,提问者就是一个新物理大师呢?
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量子物理中,“意识”导致波函数坍缩,这里“意识”到底指什么?作为物理学的忠实爱好者,物理专业的毕业生,很高兴能看到这个问题。我这里要从三个角度来回答您这个问题:
第一,并没有所谓的“意识”,使用这个词是某些人的“别有用心”
科学是唯物的,在物理学的世界里,这个宇宙是客观的,不存在意识对客观的影响。物理定律就是人类对于客观规律的主观表达,这里面,客观规律是固定的,只存在表达的是正确和错误的问题。
所以说,我们的物理定律有可能是错误的,因为没有正确描述客观规律。不存在主观能够影响客观规律的情况,如果存在,则物理定律就不是唯一的,这个世界也就不存在规律可言。毕竟,你、我、他的主观意识都不一样。但很显然,规律是客观的,不以任何人的意志为转移。
是谁用“意识”这个词来说明是波函数塌缩也就呼之欲出了,他们的意图很明显,希望用科学来证明自己的学说是正确的。
然而非常遗憾的是,不论有多少人参与实验,一个实验条件确定的实验,其结果都不会被改变,哪怕实验现场的所有人约定好用意识去改变实验结果,也做不到。这足以证明,意识拿客观现实毫无办法。
第二、波函数塌缩是一种数学语言的表述
其实我们也不要弄些数学名词来故弄什么玄虚。以电子为例,它是一个实实在在的粒子,不论什么时候它都是一个实实在在的粒子,不会因为任何原因被砸碎变成一团云雾。但粒子有可能出现在空间中不同位置的概率可以用一个时空坐标的函数模的平方来表示,这个函数就叫做波函数。
但我们把原子外面的电子会形容成电子云,这其实是由于测量手段的限制,任何手段对电子的探测都是一个在时间上积分的量,或者说是一个累加量,更直白点说,就是任意一刻钟的底片的叠加,这个叠加后的图形像一团云雾。
所谓的波函数塌缩的意思,其实就是那个值瞬间变成了一个确定值,而不在是一个概率。或者说电子出现在固定的位置上了。用一个比较恰当的比喻就是,波函数就是抛到空中的硬币,每一面朝上的一个概率分布,塌缩就是指这个硬币掉地上了,概率不存在了,变成确定的了。
这里没意识什么事。
第三、物理学上是“观测”使得波函数塌缩
“观测”这个词其实是物理学上的一个专有的名词,这个观测不是说我们用眼睛去看,你看电子也没用,看不见。物理学上的观测其实指的是用另外一个物质去与被测粒子发生相互作用,然后测量这个相互作用。
另外一个物质是什么呢?可以是一束光,也可以是其它的电子,那么接下来怎么去测量这个相互作用呢?
如果是用另外一个电子与被测电子发生相互作用,那么它们之间唯一的可能就是“碰撞”没有其它。我们可以用法拉第筒来观测碰撞后的电子数、碰撞后电子的出射角度;也可以用磁场来测量出射电子的动量。
毫不意外的是,只要你去测量,就会影响到被测电子的运动,电子的行为就被确定下来,而在这之前,它是怎么样,我们是不知道的。一旦确定下来,这个过程就叫做塌缩。
所以从物理学上说,使波函数发生塌缩的作用不是意识,而是物质之间的相互作用,是测量这个行为导致的,这里同样没有意识什么事。
结束语——物质决定意识
不管怎么样,量子力学也是物理学的一个分支,这里面压根就没有“意识”什么事。这里我可以对那些宣传所谓“意识”使波函数塌缩的人下一个挑战书——请用意识改变阴极射线管(或饱和蒸汽室)中的电子轨迹。
这个实验非常容易做,而且很容易控制电子的数量,成本也不高。只要他们能在实验中用意识移动一个电子,我就确定意识的存在,并且倾尽余生帮他们宣传他们理念。
想挑战的,楼下报名。
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这里的意识就是,我们日常说的人类意识,觉得荒谬吗?那就对了。
意识论的量子波函数坍缩解读,有点类似于“我思固我在”的论证,是量子理论中,众多非主流解释的其中之一。
意识论解释
意识论最早源自计算机之父——美籍匈牙利物理学家冯·诺依曼(John von Neumann)。1932年,诺依曼出版了经典的量子力学教科书《量子力学的数学基础》。在书中,他提出了“波函数坍缩可能源自观察者意识”的观点。
因为量子理论不仅适用于微观粒子,也适用于测量仪器。事实上,所有测量总是经由我们的判断得出一个确定的结果,这意味着只有意识才能最终让波函数产生确定的结果。
这带点唯心主义的观点受到一些人的追捧,并在此基础上发展出了一些新的理论。
1939年,伦敦的和鲍厄进一步阐释了意识论。其大概意思就是观察者拥有的内在认知,才能感知事物的客观确定性,就相当于意识与事物客体发生相互作用,从而使其叠加的波函数坍缩。
这样的解释,在现在看来显然不太靠谱。说实在点,意识是什么?从来就没人能解释清楚,再用意识来解释其他事物,本身就立于了形而上的不败之地,而科学本质上排斥这样的不败之地。
20世纪60年代,维格纳(Eugene Paul Wigner)再次发展了意识论,他认为有意识的生物在量子力学中的作用一定与无生命的测量装备不同,考虑到意识对波函数的特殊作用,量子力学中的线性薛定谔方程必须用非线性的方程来代替。
不过不管怎么用理性的方程去解释意识作用,都掩盖不了意识论带来的主观验证,当然遭到很多人的反对。
热力学不可逆解释
也正由于意识论的兴起,让许多学者无法忍受,纷纷开始寻找其他的解读之道。
1949年,德国物理学家约尔丹(Pascual Jordan)指出波函数坍缩过程不可能是观测者的意识作用,而必定是一个真实的宏观物理过程。
由于在任何测量中,微观粒子最终都会留下宏观尺寸的痕迹,而且一旦确定将无法回头,因此坍缩的本质应该是一种热力学的不可逆过程。
20世纪50年代,路德维希进一步发展的约尔丹的想法。他认为测量仪器是一个处于热力学亚稳定状态的宏观系统,在受到微观系统的扰动时,会向一种热力学稳定态演化,从而导致一个确定的测量结果出现。
也就是说,所谓的波函数坍缩就是一个量子系统从可逆的过程转变为热力学不可逆的过程。海森堡当时也曾对此持同样的观点。
然而这一理论却无法回答所谓的可逆过程在宏观的极限情况下是如何演变成为不可逆过程的?
退相干解释
“相干”指的是相互干涉作用,而“退相干”顾名思义,就是指退出这种相互干涉作用。
这种理论认为,叠加态就是一种量子处于相互干涉的状态,当被测系统与测量仪器或者外界环境相互作用后,就会发生退相干的过程,转变为一种确定态。
之所以会出现这样的理论,是因为人们认识到所谓的“量子”仅适用于孤立的封闭系统,然而在真实的宇宙中没有任何物体是完全孤立的。
正是由于我们周围的环境造成了退相干效应的存在,所谓的经典性是量子退去相干性的结果。
退相干理论中有一个参数叫做“退相干时间”,也就是体系从量子态演变为经典态所需要的时间。该理论的研究者认为这与研究系统的大小和环境中的粒子数有关。
一个半径为10^-8m的分子在空气中的退相干时间约为10^-30s。如果放到星际空间中,在只能和微波背景辐射作用的环境中,时间则可延长到约3万年。
总之,粒子越大,环境越复杂,退相干时间就越短,甚至能瞬时完成。双缝干涉实验的投影屏就可算是一个导致电子退相干的媒介,所以我们才能瞬时得到电子的落点。
这一理论的优点在于揭示了波函数坍缩是系统与环境作用的结果,而用不着任何仪器测量和人为意识的参与。
但退相干理论也并没有从本质上解决测量问题,它无法告诉我们如何从众多的可能性结果中找到一个特定的结果,换句话说,退相干理论并不能取代波函数坍缩假设(它能概率计算),而顶多是一个扩展解释版本。
自发定域解释
这一理论由三位意大利物理学家:GiancarloGhirardi(上图),Alberto Rimini,Tullio Weber最先提出,所以也称为GRW理论,这套解释仅从语言表述上来看,与退相干理论类似,只是另一套说辞,退相干过程变成了随机过程,而最后的退相干状态改称为了一种“定域态”。
所谓定域,就是确定的领域。
但确定的是一个领域,或者说区域,而不是一个点,也就是说,物质从完全不确定的弥漫状态,转变为了相对精确的定域态。
无论是微观还是宏观,任何系统总是在和环境发生种种交流,然后被各种随机过程所影响。在这些随机的物理过程中产生的任何一点微小的扰动,都会导致系统从一个不确定的叠加态变为在空间中比较精确的定域态。
比较精确并不代表完全精确,如果以相关计算结论来说,即便你瘫在地球上的沙发中,但你的仍然有一部分量子状态弥散在全宇宙中,虽然那超级微乎其微。
自发定域理论,实际上用定域过程代替了坍缩过程,但却引入了一些多余的新物理常数,包括触发定域化的最小距离以及自发定域化的频率,而所有的物理学家都不怎么喜欢增加额外的常数。
多世界解释
当然为了解释波函数坍缩问题,最大胆、最前卫的还属休·埃弗雷特的“多世界诠释”。
可以说埃弗雷特是直接否定了波函数,把它彻底丢掉,以一个无限分裂的宇宙来回答了量子的叠加态。
作为惠勒的学生,费曼的同门,埃弗雷特以一种科幻主义给出了世界最终极的回答。简单来说就是波函数的每一种可能状态都会延续下去,不过这每一种状态都需要一个分裂的宇宙来供他发展,于是就会出现无数个的平行世界。你能看到的随机结果只是在这个世界所能看见的,在另一个世界的你可能就会看见另一种结果。
多世界诠释的物理思考方式实际上与退相干解释的思考方式刚好相反,一个是1变多,一个是多变1。
这种宇宙式的精神分裂被很多人所驳斥,但随着量子力学越来越烧脑,它也吸引了一大帮理论物理学家的鼓吹。
甚至在这套理论中可以获得如神学上的一种永生,称为“量子永生”,因为无论你遭遇任何疾病、意外、你都可以在另一个分裂的平行世界中健康的生活着。
总结
玻恩虽然解释了波函数所代表的物理意义,即波函数只能计算出某个位置找到某个粒子的概率,观察测量也只是预测某一种结果的概率,而不是预测一定会得到什么结果。
但主流的哥本哈根学派却一直无法回答波函数坍缩到底是个什么鬼,只是基于实验现象总结认为,在一次测量与下一次测量之间,除了抽象的概率波函数以外,微观粒子不存在,它只能存在各种状态之中,只有进行了测量才能确定其唯一的状态,而让其他状态概率突变为0。
这样的坍缩甚至是瞬时的,超光速的,所以爱因斯坦一直反对。这样的解读更像是一个数学形式上的,而波函数坍缩到底是怎样的一个物理机制?一直悬而未决,所以才会出现各种版本的解读,然而似乎也都没成功。
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量子物理中,“意识”导致波函数坍缩,这里“意识”到底指什么?
量子物理中,没有这样的说法。
这是一个神神叨叨的话题,说这种话的人连量子物理一根毛都不知道,却硬要不懂装懂大言不惭凭空臆断,把自己那一套神鬼玄说往里套,因此纯属扯淡。
“意识”导致波函数坍塌这是谁说的?量子力学大师们波尔、狄拉克、海森堡、泡利说过吗?没有。曾经与上述几位大师为代表的哥本哈根派对着干的爱因斯坦、薛定谔说过吗?也没有。那么是谁说过呢?原来是想借量子力学招魂纳幡死灰复燃的神鬼玄说,是某些宣扬“科学的尽头是神学”的一帮子人咋呼的。
他们利用的是量子力学中一些奇异特性,如不确定性原理(测不准原理)、波函数坍塌、量子纠缠等与宏观事物逻辑相悖的特点,把量子力学神秘化,往神学上引。
爱因斯坦与哥本哈根派之争。
关于量子力学的这些特性,在上世纪就已经有过一场大的争论,这就是哥本哈根派与爱因斯坦为首的经典科学派之争。爱因斯坦的观点就是,他承认量子力学有其独特的规律,但这个规律是可以认识的。所谓量子纠缠的鬼魅般超距作用和不确定性原理测不准定律、波函数坍塌等理论,实际上是量子理论的不完备性体现,是量子的一些现象里面还有一些隐变量没有被人们发现,通俗点说就是还有一些深层次的规律没被认识。随着科学进展,这些规律总会被认识的,这样量子力学中的这些看起来无法捉摸的事情就会变得可以预测和了解。
爱因斯坦有一句名言,译意是“上帝不会掷骰子”。这里的上帝意指大自然规律,他认为自然规律不是抓阄,而是有迹可寻的。爱因斯坦的铁杆粉丝薛定谔坚定地支持他这个观点,提出了一个“薛定谔的猫”来讽刺测不准定律。这个争论持续到爱因斯坦和薛定谔逝世,也没有结论。
“薛定谔的猫”就是所谓波函数坍塌的一个典型例子。
波函数坍塌实际上也是不确定性原理的一个延伸,是微观领域一种特别的现象。微观领域物质都有波粒二象性,表现粒子在空间分布位置和动量是以一定概率存在的,如量子力学的原子模型,电子就是以“电子云”的方式布满原子核的周围,这就是所谓的“波函数”。
但人们用物理方法对电子进行测量时,物质就会随机选择一个单一结果表现出来。我们用摇骰子打比,没被观测时,就像骰子在摇动的旋转中,谁也不知道是什么状态,这是呈现的是波函数状态,观测时骰子就定下了,显示出某个点子,所以就是“波函数坍塌”。
“薛定谔的猫”思维实验就是这样一个设定,他假定有一只箱子,里面有一只猫和一瓶放射性物质,这只猫的死活完全取决于这瓶放射性物质是否发生衰变,如果发生衰变,这只猫必死无疑;如果不发生衰变,这只猫就活着。
量子力学的观点是当这个箱子没有打开前,这只猫处于波函数状态,谁也不知道这只猫是死是活,只有在打开箱子的那一刹那,波函数就坍塌了,猫就以明显是死或是活的状态出现。
薛定谔的原意是借用这个思维实验,讽刺所谓“波函数坍塌”理论。
薛定谔认为,人们打开不打开箱子,这只猫的死活已经决定了,只是没打开前不知道而已。结论是:这只猫的死活状态并不是打开箱子那一刹那决定的。
这是一个生活常识,是一般吃瓜群众都知道的常识。如果投票,薛定谔的观点一定会得到90%以上的支持率。但可惜的是,爱因斯坦和薛定谔都是用宏观的一些常识和逻辑在套用量子领域的现象,后来证明他们是错的。
事实上,当时哥本哈根派用“以子之矛攻子之盾”的方法,用薛定谔波动方程的“几率”分布解释“薛定谔的猫”。哥本哈根派认为,不进行观测,在默认的粒子本征态下薛定谔方程可以阐述粒子波动规律。但是在观测下,波函数崩溃,粒子特性无法被认知。
德布罗意和薛定谔共同创建了波动力学以及薛定谔方程,是描述量子力学的一根支柱,为量子力学理论的创建起到了至关重要的作用。
由此薛定谔虽败犹荣,他依然是量子力学重要奠基人之一。
最终证实爱因斯坦错误的是贝尔不等式。
这是美国物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出的一个数学不等式,该定理是一个有关是否存在完备局域隐变量的验证理论。实验表明了贝尔不等式不成立,说明不存在局域隐变量理论可以复制量子力学的每一个预测,也就是意味着爱因斯坦主张的局域实体论预测不符合量子力学理论。
其数学表达式为:∣Pxz-Pzy∣≤1+Pxy
这样看来,爱因斯坦的确错了,他们的错误根源是用宏观的理论去套量子力学理论,而我们世界确实存在着量子领域与宏观领域逻辑不同的特性。贝尔不等式结论得到科学界广泛认同,从此,哥本哈根派胜出,波尔、海森堡、狄拉克、泡利等几位大师级科学家成为量子力学正统理论的象征。
粒子世界的微小,观测必然扰动是量子特异表现的主要原因。
现在的量子理论认为,不确定性原理主要是基于量子观测过程受到的干扰。我们知道,在我们这个世界,尤其是人类世界,所有的观测活动都需要光,不管多大的物体还是多小的物体,没有光我们都看不见。
光是电磁波,包含无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等波谱,这些电磁波谱各波段除了可见光,都属于不可见光范畴。
不确定性原理是描述量子世界粒子运动规律的,这个理论认为人们不可能同时知道一个粒子的位置和速度。这是因为粒子位置的不确定性,必然会大于普朗克常数,遵循不等式:
h为普朗克常数:h=6.62607015×10-34 J·s
在对微观世界观测时,人们不可能将粒子位置确定在比光的两个波峰距离之间更小程度,这样要精确的测出粒子位置,采用的光波越短越好。而波长越短的光能量就越强,如X射线、γ射线等,这些光照射到粒子上面,粒子获得的动量就越大,导致测量的不确定性就越大。
测不准定律是粒子世界其他特征的根源。
而既然量子世界存在不确定测不准的特性,量子纠缠和波函数坍塌等一系列理论,就必然从中引申出来。因此可以认为,不确定性原理(测不准定律)是量子力学种种诡异现象的根源,波函数坍塌、量子纠缠的一些特性,都是源于这个前提的。
这个前提就是观测必然对量子造成扰动,无法同时确定其位置和动量。
这与什么“意识导致波函数坍塌”风马牛不相及,毫不相干。
就是这样,欢迎讨论,感谢阅读。
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