通过禅定就能认识真理?请勿曲解量子力学

2017-06-20 09:30 来源:中国青年报 
2017-06-20 09:30:13来源:中国青年报作者:责任编辑:王营

  作者:复旦大学物理学系教授  施郁

  现在人们经常碰到“量子”一词。这首先是因为量子科学技术取得的成就,比如量子通信卫星的发射。但是量子力学与日常经验相去甚远,对它的理解也有种种偏差,笔者后面要举的一个例子,就是中国科学院院士朱清时先生的一些观点。

  不少作者喜欢将“量子”作为一个名词去解读。确实,每个基本粒子就是某个场的基本激发,叫做量子,比如光子就是光的量子。但是现在“量子”一般是作为一个形容词或者前缀,意思是服从量子力学规律,比如量子粒子、量子系统、量子场、量子通信。学科名称也是这样,比如量子科学、量子力学。

  量子力学是关于微观客体的基本理论框架,关于微观客体的所有科学规律都在此框架中。微观客体基本上是指原子或者更微观的粒子,比如电子和光子。宏观物体是由微观粒子构成,怎么确定量子力学的适用范围?有种理论说原则上量子力学也适用于更大的客体,但是它们与环境耦合,从而失去量子行为。实验室里,确实有比原子大的东西被孤立,从而表现量子行为。是不是情况总是这样,尚无定论。但有一点是肯定的,对于我们所在的现实宏观世界,不能直接套用量子力学。

  量子力学是一个几率理论,但又与宏观世界的几率理论不一样。在宏观世界,可能有如下描述、某个粒子有多少几率(也叫概率,或者可能性)处在第一个位置,有多少几率处在第二个位置,等等。而在量子力学中,则如下描述:某个量子粒子有多少几率幅处在第一个位置,有多少几率幅处在第二个位置,等等。几率幅是一个复数,它的大小的平方等于几率,它比几率的信息多,量子力学中很多美妙之处可以追溯到这个复数几率幅。

  粒子除了位置,还有速度。在宏观世界,我们也可以描述某个粒子有多少几率具有某个速度,有多少几率具有另一个速度,等等。还可以说,这个粒子有多少几率在某个位置而同时具有某个速度,这个几率就是在某个位置的几率乘以具有某个速度的几率。量子力学中,可以说,某个量子粒子有多少几率幅具有某个速度,有多少几率幅具有另一个速度,等等。但是非常重要的一点是,不可以说这个粒子有多少几率幅在某个位置而同时具有某个速度。如果粒子有明确的位置,它的速度就不确定,反之亦然。

  各个位置的几率幅的集合叫做这个量子粒子的量子态。有趣的是,各个速度的几率幅的集合也是这同一个量子态。在宏观世界,牛顿定律描述物体的位置和速度如何随时间确定性地演化。量子力学基本定律描述量子态如何随时间确定性地演化。有了量子态,各种物理量(比如位置和速度)就可以按部就班计算出来。因为量子态本身不是物理量,很多物理学家将它当作关于量子系统的信息或者知识,而不是量子系统本身。也有物理学家将它当作量子系统本身。还有物理学家不关心这个问题。这种诠释上的分歧一般不影响量子力学的运用。

  量子力学还规定,测量某个属性时,量子态以某个几率 “塌缩”到明确某个具有这个属性的量子态。比如测量量子粒子的位置,结果它就明确处于某个位置。究竟哪个位置?每个都有可能,几率就是相应几率幅大小的平方。测量速度的情况也类似。

  测量引起的量子态随机塌缩与量子力学基本定律描述的确定性演化截然不同。大多数物理学家只将它们当作计算规则。有人试图调和这两种过程。其中有个偏门的假说,说测量引起的量子态塌缩由测量者的意识引起。这个方案的不合理之处这里不赘述。关键是,即使采纳这个说法,也要注意在此假说中,量子态只是关于量子系统的知识或者信息,所以意识改变的只是关于客观世界的知识或者信息,而不是客观世界本身。而且即使意识参与测量导致的塌缩,它也没有参与确定性演化。朱院士没认识到这些,将这个很少物理学家认可的假说说成“量子力学界的共识”,声称“意识是量子力学的基础”“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”,乃至“客观世界是一系列复杂念头造成的”。笔者认为这些说法都是不对的。

  现在谈量子纠缠,举一个例子如下。两个粒子有某个几率幅分别处于第一和第N个位置,又有某个几率幅分别处在第二和第N-1个位置,等等,而每个粒子却没有独立的处于某个位置的几率幅。但是量子纠缠不能用来瞬时传递信息。朱院士说“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”,以及“如果两个地方的物质处于纠缠态,从纠缠的一方的所有信息,可以瞬间传递到纠缠的另一方去,这种传输没有时间空间的限制,是瞬间传播的”。笔者认为这种说法是完全错误的,相对论规定了信息传递不能超光速。

  弦论(企图统一自然界基本相互作用的某种理论)中,组成万物的基本粒子是弦的振动模式。朱院士以此声称“物质不是客观实在”。弦论尚未得到实验支持,但本文提到,基本粒子是某个场的基本激发或者说振动模式,而且是量子粒子。然而这些都不代表“物质不是客观实在”,只是说明客观世界的微妙和丰富。

  朱院士还将宇宙起源归结于法身或“心”,声称“物理学步入缘起性空的禅境” “科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了”。这些是马后炮式的牵强联系。按此逻辑,不管科学家到达哪里,都可以说佛学大师在那里等候多时。朱院士还认为“不做实验,不作推理”,通过禅定就能认识真理。若真如此,能否先于科学解决一个问题,比如告诉大家暗物质是什么?

[责任编辑:王营]

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