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量子力學中“意識”導致波函數坍縮,這里的“意識”指的是什么?

這里的意識就是,我們日常說的人類意識,覺得荒謬嗎?那就對了。

意識論的量子波函數坍縮解讀,有點類似于“我思固我在”的論證,是量子理論中,眾多非主流解釋的其中之一。

意識論解釋

意識論最早源自計算機之父——美籍匈牙利物理學家馮·諾依曼(John von Neumann)。1932年,諾依曼出版了經典的量子力學教科書《量子力學的數學基礎》。在書中,他提出了“波函數坍縮可能源自觀察者意識”的觀點。

因為量子理論不僅適用于微觀粒子,也適用于測量儀器。事實上,所有測量總是經由我們的判斷得出一個確定的結果,這意味著只有意識才能最終讓波函數產生確定的結果。

這帶點唯心主義的觀點受到一些人的追捧,并在此基礎上發(fā)展出了一些新的理論。

1939年,倫敦的和鮑厄進一步闡釋了意識論。其大概意思就是觀察者擁有的內在認知,才能感知事物的客觀確定性,就相當于意識與事物客體發(fā)生相互作用,從而使其疊加的波函數坍縮。

這樣的解釋,在現在看來顯然不太靠譜。說實在點,意識是什么?從來就沒人能解釋清楚,再用意識來解釋其他事物,本身就立于了形而上的不敗之地,而科學本質上排斥這樣的不敗之地。

20世紀60年代,維格納(Eugene Paul Wigner)再次發(fā)展了意識論,他認為有意識的生物在量子力學中的作用一定與無生命的測量裝備不同,考慮到意識對波函數的特殊作用,量子力學中的線性薛定諤方程必須用非線性的方程來代替。

不過不管怎么用理性的方程去解釋意識作用,都掩蓋不了意識論帶來的主觀驗證,當然遭到很多人的反對。

熱力學不可逆解釋

也正由于意識論的興起,讓許多學者無法忍受,紛紛開始尋找其他的解讀之道。

1949年,德國物理學家約爾丹(Pascual Jordan)指出波函數坍縮過程不可能是觀測者的意識作用,而必定是一個真實的宏觀物理過程。

由于在任何測量中,微觀粒子最終都會留下宏觀尺寸的痕跡,而且一旦確定將無法回頭,因此坍縮的本質應該是一種熱力學的不可逆過程。

20世紀50年代,路德維希進一步發(fā)展的約爾丹的想法。他認為測量儀器是一個處于熱力學亞穩(wěn)定狀態(tài)的宏觀系統(tǒng),在受到微觀系統(tǒng)的擾動時,會向一種熱力學穩(wěn)定態(tài)演化,從而導致一個確定的測量結果出現。

也就是說,所謂的波函數坍縮就是一個量子系統(tǒng)從可逆的過程轉變?yōu)闊崃W不可逆的過程。海森堡當時也曾對此持同樣的觀點。

然而這一理論卻無法回答所謂的可逆過程在宏觀的極限情況下是如何演變成為不可逆過程的?

退相干解釋

“相干”指的是相互干涉作用,而“退相干”顧名思義,就是指退出這種相互干涉作用。

這種理論認為,疊加態(tài)就是一種量子處于相互干涉的狀態(tài),當被測系統(tǒng)與測量儀器或者外界環(huán)境相互作用后,就會發(fā)生退相干的過程,轉變?yōu)橐环N確定態(tài)。

之所以會出現這樣的理論,是因為人們認識到所謂的“量子”僅適用于孤立的封閉系統(tǒng),然而在真實的宇宙中沒有任何物體是完全孤立的。

正是由于我們周圍的環(huán)境造成了退相干效應的存在,所謂的經典性是量子退去相干性的結果。

退相干理論中有一個參數叫做“退相干時間”,也就是體系從量子態(tài)演變?yōu)榻浀鋺B(tài)所需要的時間。該理論的研究者認為這與研究系統(tǒng)的大小和環(huán)境中的粒子數有關。

一個半徑為10^-8m的分子在空氣中的退相干時間約為10^-30s。如果放到星際空間中,在只能和微波背景輻射作用的環(huán)境中,時間則可延長到約3萬年。

總之,粒子越大,環(huán)境越復雜,退相干時間就越短,甚至能瞬時完成。雙縫干涉實驗的投影屏就可算是一個導致電子退相干的媒介,所以我們才能瞬時得到電子的落點。

這一理論的優(yōu)點在于揭示了波函數坍縮是系統(tǒng)與環(huán)境作用的結果,而用不著任何儀器測量和人為意識的參與。

但退相干理論也并沒有從本質上解決測量問題,它無法告訴我們如何從眾多的可能性結果中找到一個特定的結果,換句話說,退相干理論并不能取代波函數坍縮假設(它能概率計算),而頂多是一個擴展解釋版本。

自發(fā)定域解釋

這一理論由三位意大利物理學家:GiancarloGhirardi(上圖),Alberto Rimini,Tullio Weber最先提出,所以也稱為GRW理論,這套解釋僅從語言表述上來看,與退相干理論類似,只是另一套說辭,退相干過程變成了隨機過程,而最后的退相干狀態(tài)改稱為了一種“定域態(tài)”。

所謂定域,就是確定的領域。

但確定的是一個領域,或者說區(qū)域,而不是一個點,也就是說,物質從完全不確定的彌漫狀態(tài),轉變?yōu)榱讼鄬_的定域態(tài)。

無論是微觀還是宏觀,任何系統(tǒng)總是在和環(huán)境發(fā)生種種交流,然后被各種隨機過程所影響。在這些隨機的物理過程中產生的任何一點微小的擾動,都會導致系統(tǒng)從一個不確定的疊加態(tài)變?yōu)樵诳臻g中比較精確的定域態(tài)。

比較精確并不代表完全精確,如果以相關計算結論來說,即便你癱在地球上的沙發(fā)中,但你的仍然有一部分量子狀態(tài)彌散在全宇宙中,雖然那超級微乎其微。

自發(fā)定域理論,實際上用定域過程代替了坍縮過程,但卻引入了一些多余的新物理常數,包括觸發(fā)定域化的最小距離以及自發(fā)定域化的頻率,而所有的物理學家都不怎么喜歡增加額外的常數。

多世界解釋

當然為了解釋波函數坍縮問題,最大膽、最前衛(wèi)的還屬休·埃弗雷特的“多世界詮釋”。

可以說埃弗雷特是直接否定了波函數,把它徹底丟掉,以一個無限分裂的宇宙來回答了量子的疊加態(tài)。

作為惠勒的學生,費曼的同門,埃弗雷特以一種科幻主義給出了世界最終極的回答。簡單來說就是波函數的每一種可能狀態(tài)都會延續(xù)下去,不過這每一種狀態(tài)都需要一個分裂的宇宙來供他發(fā)展,于是就會出現無數個的平行世界。你能看到的隨機結果只是在這個世界所能看見的,在另一個世界的你可能就會看見另一種結果。

多世界詮釋的物理思考方式實際上與退相干解釋的思考方式剛好相反,一個是1變多,一個是多變1。

這種宇宙式的精神分裂被很多人所駁斥,但隨著量子力學越來越燒腦,它也吸引了一大幫理論物理學家的鼓吹。

甚至在這套理論中可以獲得如神學上的一種永生,稱為“量子永生”,因為無論你遭遇任何疾病、意外、你都可以在另一個分裂的平行世界中健康的生活著。

總結

玻恩雖然解釋了波函數所代表的物理意義,即波函數只能計算出某個位置找到某個粒子的概率,觀察測量也只是預測某一種結果的概率,而不是預測一定會得到什么結果。

但主流的哥本哈根學派卻一直無法回答波函數坍縮到底是個什么鬼,只是基于實驗現象總結認為,在一次測量與下一次測量之間,除了抽象的概率波函數以外,微觀粒子不存在,它只能存在各種狀態(tài)之中,只有進行了測量才能確定其唯一的狀態(tài),而讓其他狀態(tài)概率突變?yōu)?。

這樣的坍縮甚至是瞬時的,超光速的,所以愛因斯坦一直反對。這樣的解讀更像是一個數學形式上的,而波函數坍縮到底是怎樣的一個物理機制?一直懸而未決,所以才會出現各種版本的解讀,然而似乎也都沒成功。

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