理解量子力学的含义

问题不再是量子理论是否正确,而是它的意义是什么

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近一个世纪以来,物理学家们一直在思考量子力学(QM)最反直觉的预测是否真的正确。直到近年来,回答这个问题所需的技术才变得可及,从而促成了一系列实验结果——包括2007年2010年报告的惊人结果,以及现在5月报告的一项引人注目的测试——表明量子力学的关键预测确实是正确的。总的来说,这些实验表明,我们感知的日常世界在被观察之前并不存在,这反过来又表明——正如我们将在本文中论证的那样——意识在自然界中扮演着主要角色。因此,现在是整个科学界——不仅仅是那些从事量子力学基础研究的人——正视量子力学最具争议预测的反直觉含义的时候了。

多年来,我们已经广泛撰写了关于为什么量子力学似乎暗示世界本质上是精神性的(例如1990年1993年1999年2001年2007年2017a2017b)。我们经常被误解——和歪曲——为信奉唯我论或某种形式的“量子神秘主义”,所以让我们明确一点:我们关于精神世界的论点并不意味着世界仅仅是一个人的个人幻觉或想象行为。我们的观点是完全自然主义的:作为世界基础的意识是按照自然规律运作的超个人意识。它包含但远远超越任何个体的心理。

因此,该主张是,宇宙中所有无生命物质的动态都对应于超个人精神活动,正如个人的大脑活动——也由物质构成——对应于个人精神活动一样。这个概念消除了任意的不连续性,并提供了物理世界缺失的内在本质:所有物质——不仅仅是活体大脑中的物质——是内在经验的外在表现,不同的物质配置反映了不同的精神活动模式。


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根据量子力学,世界仅以同时存在的、重叠的可能性云的形式存在——技术上称为“叠加”——直到观察将这些可能性之一以确定的物体和事件的形式聚焦。这种转变在技术上称为“测量”。我们关于精神世界的论点的一个关键是,只有有意识的观察者才能执行测量。

一些人批评这种说法,他们声称无生命的物体,例如探测器,也可以执行测量,如上所述。问题是将世界划分为离散的无生命物体仅仅是名义上的。一块石头是它所构成的山脉的组成部分吗?如果是这样,它仅仅因为从山上脱落而成为一个单独的物体吗?如果是这样,那么当它在斜坡上滚落时,每次与山体重新接触时都会执行测量吗?对这些问题的简短思考表明,探测器的边界是任意的。无生命的世界是由量子力学支配的单个物理系统。事实上,正如约翰·冯·诺依曼首先提出的我们中的一位在工作中重新阐述的,当两个无生命物体相互作用时,它们只是在量子力学上“纠缠”在一起——也就是说,它们以一种方式结合在一起,其中一个的行为与另一个的行为密不可分地联系在一起——但没有执行实际的测量。

让我们更具体一些。在著名的双缝实验中,电子被射穿两个小缝。当狭缝观察时,电子表现为确定的粒子。当仅穿过狭缝观察时,电子表现为可能性的云。1998年,以色列魏茨曼研究所的研究人员表明,当在狭缝处放置探测器时,电子表现为确定的粒子。乍一看,这似乎表明测量不需要有意识的观察者。

然而,只有当被一个人有意识地观察时,探测器的输出才变得为人所知。在这种有意识的观察之前进行测量的假设缺乏令人信服的理论或经验基础。毕竟,如上所述,量子力学没有理由说明在有人查看探测器的输出之前,整个系统——电子、狭缝和探测器组合在一起——不会处于纠缠的叠加状态。

因此,有意识的观察者可能是不可或缺的,我们中的一位就所谓的“延迟选择量子擦除器”实验进一步阐述了这个观点。底线是,我们无法知道探测器是否真的执行了测量,因为我们无法从我们的知识中抽象出来。回想一下马克斯·普朗克的立场:“我将意识视为根本。我将物质视为意识的衍生。我们无法超越意识。”(强调部分为笔者所加。)

有人声称,现代“退相干”概念排除了意识作为测量的媒介。根据这种说法,当探测处于叠加状态的量子系统时,关于叠加中重叠可能性的信息“泄漏”出来,并分散到周围环境中。据称,这以相当机械的方式解释了为什么在测量后叠加变得难以辨别。

然而,问题是退相干无法解释周围环境的状态是如何变得确定的,因此它无法解决测量问题或排除意识的作用。事实上,正如退相干之父之一的沃伊切赫·祖瑞克所承认的

……对[为什么我们感知到一个确定的世界]这个问题的详尽答案无疑必须涉及一个“意识”模型,因为我们真正问的是我们[观察者]的印象,即“我们意识到”仅仅是其中一个选择。

事实上,纠缠的量子系统行为的特殊统计特征(即,它们在实验中证实违反了所谓的“贝尔莱格特不等式”)似乎排除了除意识之外的所有事物作为测量的媒介。然后,有些人声称仅在微观系统中观察到纠缠,因此,其特性据称与桌椅的世界无关。

但是这种说法是不真实的,正如最近的几项研究(例如2009年2011年2015年)所证明的那样,纠缠在更大的系统中也得到了证明。去年,一篇论文报告说,即使是“巨大”的物体也存在纠缠。此外,在诸如小型金属桨活组织等多种系统中都观察到了量子叠加。显然,量子力学的定律适用于所有尺度和基质。

维持叠加的仅仅是量子系统——无论其大小如何——与我们通过直接有意识的感知所了解的桌椅世界隔离的程度。叠加无法在暴露于这个世界中幸存下来,这恰恰表明意识在确定的物理现实的出现中起着作用。

既然量子力学最具哲学争议的预测已经——最终——在没有剩余漏洞的情况下得到了实验证实,那么对于那些想要避免面对量子力学含义的人来说,就没有借口了。为了避免继续按照现在已知是错误的现实观念生活,我们必须将文化对话转向理解大自然反复告诉我们关于她自己的信息。

Most recently the author of The Idea of the World: A Multi-disciplinary Argument for the Mental Nature of Reality, Bernardo Kastrup has a Ph.D. in philosophy (ontology, philosophy of mind) and another in computer engineering (reconfigurable computing, artificial intelligence). He has worked as a scientist in some of the world's foremost research laboratories, including the European Organization for Nuclear Research (CERN), and authored many academic papers and books on philosophy and science. For more information, freely downloadable papers, videos, etc., please visit www.bernardokastrup.com.

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Henry P. Stapp, PhD, is a theoretical physicist at the University of California's Lawrence Berkeley Laboratory, specializing in the conceptual and mathematical foundations of quantum theory. He worked closely with Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, and John Wheeler, and is author of three books on the quantum mechanical foundation of the connection between mind and matter.

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Menas C. Kafatos, PhD, is the Fletcher Jones Endowed Professor of Computational Physics at Chapman University. He currently directs the Center of Excellence in Earth Systems Modeling and Observations. He is co-author with Deepak Chopra of the New York Times Bestseller You Are the Universe (Harmony/Random House, 2017). In February 2018, he was elected foreign member of the Korean Academy of Science and Technology (KAST).

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