Question

量子力学与唯心论（一）

Answer 1

其实在学习万维钢老师的 量子力学 课程之前，我就有过一些关于这门神奇学科的好奇，甚至于把它与其实同样不甚理解的 唯心论 挂上了钩。这份好奇之心，源于它的诸多不可思议之处。

量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论，但是量子的观念，即使连量子力学的创始人都不能完全解释。那么它有哪些“诡异”之处呢？

量子力学的第一个诡异现象叫做态叠加原理和坍缩。一般人认为客观物体一定要有一个确定的空间位置，这种存在，是不以人的意志为转移的、是客观的。比如说，女儿现在在客厅里面，或者说女儿现在不在客厅里面，两者必居其一。但在量子力学里就不一样了。量子力学就像说女儿既在客厅又不在客厅，你要去看这个女儿在不在，你就实施了观察的动作。你一观察，这个女儿的存在状态就坍缩了，她就从原来的，在客厅又不在客厅的叠加状态，一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了。

所以量子力学怪就怪在这儿：你不观察它，它就处于叠加态，也就是一个电子既在A点又不在A点。你一观察，它这种叠加状态就崩溃了，它就真的只在A点或者真的只在B点了，只出现一个。也就是电子在没有观测的时候，没有确定的状态。

这个实验是量子力学的创始人薛定谔提出的，被称为“薛定谔的猫”。先来说薛定谔的实验是什么：把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子接到一个装置上，这个装置包含一个原子核和一个毒气设施。原子核有百分之五十的可能性发生衰变，衰变的时候就会发射出一个粒子来，这个粒子一发出来就会触发毒气设施，毒气一触发就会杀死这只猫，就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。这是他想象中的一个实验。

这个问题一提出来，物理学家一个个都惊呆了，原来以为只有微观世界才有这种态叠加，就是状态不确定，既处于这个状态，又不处于这个状态。现在宏观世界也一样了，猫不就是这样吗？有一只既死又活的猫。这与我们的经验严重违背。这个实验实际上就是“女儿在客厅里，女儿不在客厅里”变了个样子说出来。这个猫是死了还是活着？既死又活是同时存在的，量子力学认为两者同时存在。那么怎么可能既死又活同时存在呢？人不能想象这种状态，于是大家就把这个实验进一步讨论下去。

1963年获得诺贝尔物理学奖的维格纳想了一个新的办法，他说：我让个朋友戴着防毒面具也和猫一起呆在那个盒子里面去，我躲在门外，对我来说，这猫是死是活我不知道，猫是既死又活。事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友，猫是死是活？朋友肯定会回答，猫要么是死要么是活，不会说是半死不活的。

他这个说法一出来大家就发现，问题在哪儿呢？一个人和猫一起呆在盒子里，人有意识，意识一旦包含到量子力学的系统中去，它的波函数就坍缩了，猫就变成要么是死，要么是活了。也就是说猫是死是活，只要一有人的意识参与，就变成要么是死，要么是活了，就不再是模糊状态了。

维格纳总结道，当朋友的意识被包含在整个系统中的时候，叠加态就不适用了。即使他本人在门外，箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动，因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。

维格纳认为，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的。确实只能这样认为。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变。

大家想过没有，牛顿第三定律说作用力与反作用力是相等的。我们的意识能够受外部世界的影响而改变，大家都觉得没有问题，对吧？人的意识就是受外界客观世界的影响改变了，随时都在变化。那为什么客观世界就能改变意识，意识就不能改变客观世界呢？他就说意识是能够改变客观世界的，意识改变客观世界就是通过波函数坍缩，就是使不确定状态变成确定的状态，这样来影响的。所以波函数，也就是量子力学的状态，从不确定到确定必须要有意识的参与，这就是争论到最后大家的结论。

自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的，现在量子力学发展到这个地步，居然发现人类的主观意识是客观物质世界的基础了。因为量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。刚才说过了，二十世纪人类技术进展都跟量子力学有关，而且量子力学经过了最精确的实验验证。

量子力学的基础就是：从不确定的状态变成确定的状态，一定要有意识参与。这是物理学的一个重大成就。到这一步，我们对量子力学的诡异已经有所了解了，诡异的基础实际上是：意识和物质世界不可分开，意识促成了物质世界从不确定到确定的转移。这点很像在佛学中，一个念头一下子使物质世界产生出来了，这样的概念。物质世界产生出来实际上是从不确定一下子变成确定的，这两者很类似。

现在再来讲量子力学第三个诡异之点，这个和前面讲的状态有关，是它们的直接结论，叫做量子纠缠。量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的，只不过“薛定谔的猫”讲的是同一个东西处于不同的状态的叠加，量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的叠加，它们彼此之间一定有明确的关系。这就是量子纠缠。

比方，我们从北京买了一双手套，把手套中的一只寄到香港，另一只寄到华盛顿，那么寄到香港的是左手戴的还是右手戴的？谁都不知道，如果香港的人收到了打开一看，是左手的，那华盛顿的人不用看就知道收到的是右手的，因为手套是左右配对的，这是个规则。一旦寄出去了，寄的过程中不确定，但是一个人只要观测了他收到的手套是左手的还是右手的，另一个人不用观测就知道了。这就是纠缠的一个例子。

大家会认为，你看没看它没关系，它早就确定了。但量子力学大量实验证明，如果把同一个量子体系分开成几个部分，在未检测之前，你永远不知道这些部分的准确状态；如果你检测出其中之一的状态，在这瞬间其他部分立即调整自己的状态与之相应。这样的量子体系的状态叫做“纠缠态”。就好比这个手套在寄出以后，在还没被观测之前，它是不是确定呢？肯定不确定。只有在你确定了其中某一个的状态，另一个的状态立刻就变化了，也变得确定起来了。这种关联就叫作量子纠缠。

大家也许很难理解这个纠缠，说实话，这个已经超出了我们人类的理解能力的范围之外，你只能去试图想他、接受他，跟我们日常生活中的客观经验已经不符了。

这个例子还说明纠缠的一个重要特点：纠缠一方得到的任何信息，另一方也会马上感到，不需要信息传递。可以理解为：对于多个微观物体，在被观察之后，它们的状态会从不确定到确定，作一个有关联的突变。量子纠缠现在已经变成一个工具了，这个工具可以用来传输东西、传输信息。

比如一位女士有一本书，或者任何信息，她想传输到一位男士手上去，这个男士在纽约，两个人根本看不见。经典物理学的传输方式是女士拿扫描仪来扫描这本书，扫描之后通过网络系统，把信号传到男士那去，男士再把它打印出来，这就是经典信号传输了。但经典信号传输有个大缺点，就是不完全。因为一本书在扫描时候只能得到它的部分信息，这本书的颜色、纸张的厚度、纸张的原子分子结构那就传不过去，传的只是照相的图像，这就是经典物理学的信号传输。

量子信号传输就完全不同了。量子信号的传输利用量子纠缠态。如果这位女士与男士离得很远，一个在火星上，一个在地球上，他们可以用量子纠缠来传输信息。如果女士在A点，她有光子A；男士在B点，他有光子B。光子A和B处于纠缠态，对A光子施加的任何作用或给她的任何信息，B光子都马上得到。如果把这本书的全部信息作用于A光子，那么B光子也马上得到。这就是量子隐形传输中，最后的B点得到的是和原来完全一样的信息。经典物理传输后所复制出来的，只是纸上图像的信息，没有复制任何“实体”本身。而量子隐形传输却从“实体”得到完整的信息，从而复制出了“实体”本身，尽管只是一个小小的量子态！

如果这种量子隐性传输能够实现，就使得有这种可能：把一个人的全部信息传递到火星上去，然后在那个地方再用原子组装还原出来，最终实现一个人从地球到另一个星球的转移。这种设想，不禁让人联想到种种充满崭新可能的未来。