為什麼量子力學的波函數坍縮和「意識」有關?

2020-12-03 鍾銘聊科學

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在自然科學理論的發展歷史上，唯一涉及到「意識」的理論就是量子力學。不過，這裡要多說一點，並不是說，量子力學和「意識」有關，而是有科學家在往這方面琢磨，不過並沒有成為主流理論。這個理論之所以會備受關注，最主要的原因還是提出者是大名鼎鼎的計算機之父：馮·諾依曼。

量子力學

要了解這個問題，我們就得先來聊一聊馮諾依曼之前的量子力學發展。量子力學起初是一門研究微觀世界的科學理論。這是基於20世紀初，大量的觀測設備已經可以直接或者間接觀測到微觀世界的物理學現象。於是，科學家基於這些現象提出了相應的理論。

我們可以從電子的角度來簡單地了解一下量子力學。科學家一直都在研究，微觀粒子的運動。起初，很多人都用宏觀世界的那一套，用時間、速度、質量等物理學概念來描述。可是，後來科學家越來越發現不是那麼回事。尤其是物理學家波爾所能領銜的哥本哈根學派，他們就提出了許多顛覆人們認知的觀念。

具體來說是這樣的，我們知道原子是由原子核和電子構成的。一般情況下，我們看到的原子模型有點類似於太陽系，電子在原子核外繞著原子核轉。

不過，事實上，他們發現事實並非如此。所謂的軌道其實是假想出來的，而不是真實存在的。他們發現，電子其實是以概率雲的形式存在於原子核外。那具體是啥意思呢？

意思是就是說，電子同時存在於不同的原子核外的各個地方，處於一種疊加態當中。我們只知道它出現在某個位置的概率，可以用薛丁格的波函數方程進行描述。

當我們一觀測它時，系統的波函數就會坍縮，就會按照概率對應出一個實際的結果。如果不觀測，那電子還會繼續遵守波函數方程。不過，科學家就一直在糾結一個問題：在觀測和沒觀測之間到底存在著什麼樣的機制，可以導致一觀測就出現如此巨大的變化？

馮·諾依曼

恰好，當時馮·諾依曼就在歐洲跟隨者數學家希爾伯特搞研究，而他研究的領域就是量子力學的數學基礎。他也一直在琢磨這個問題。那馮·諾依曼是如何思考的呢？

首先，雖然我們一直在用「觀測」這個詞，但是如果仔細琢磨，你就會發現，這個詞很模稜兩可。什麼樣的才算是「觀測」？

到底是用眼睛看一下，還是用手摸一下，還是用計算機等儀器記錄一下？

馮·諾依曼就認為，用於觀測的儀器本身就是由不確定性的粒子構成的，也是擁有自身的波函數。當科學家用這些儀器去「觀測」時，儀器本身的也會被捲入到「疊加狀態」當中。

如果用無限多的儀器，一臺觀測著電子的狀態，另外一臺觀測著第一臺儀器，第三臺儀器觀測著第二臺儀器，這樣無限復歸下去，那麼整個系統（從電子到所有的觀測設備）的波函數都不會坍縮。

這個過程也被稱為馮·諾依曼的無限復歸鏈。那麼問題就來了，為什麼人來觀測就會坍縮，而僅僅機器測量，就會發生疊加呢？這不是預示著人的「觀測」才是影響波函數坍縮的原因嗎？這是不是說明「人的意識」是會影響系統的波函數？

於是，馮·諾依曼就提出：只有當電子的波函數被「意識到」，才會發生坍縮，得到一個確定的結果。如果沒有被「意識到」，電子就總是處於疊加態當中。

這聽起來是不是很瘋狂？其實不光是馮·諾依曼在瘋狂，也有和他志同道合的科學家。這個人就是魏格納。

魏格納的朋友

魏格納就直接提出，「人的意識」在改變波函數中起到了極其關鍵的作用。他還提出了一個思想實驗叫做：魏格納的朋友。

要了解「魏格納的朋友」，我們就得像搞懂另外一個著名的思想實驗：薛丁格的貓。這是物理學薛丁格提出來反駁哥本哈根學派的一個著名實驗。

他假定有一隻貓在一個密封的盒子裡，在這個盒子當中裝了「鐳」和「氰化物」。其中「鐳」存在著衰變的概率，一旦衰變機關就會打破裝有氰化物的瓶子，這時候貓就會被氰化物毒死；如果「鐳」沒有發生衰變，貓就可以活下來。

根據量子力學，我們知道「鐳」是處在了衰變和不衰變的疊加態，因此，貓也應該處於死貓和活貓的疊加態中。所以，這就會出現「既死又活的貓」。

「魏格納的朋友」就是在「薛丁格的貓」基礎上延伸出來的思想實驗。魏格納提出就在貓在盒子裡時，如果他有個好朋友帶著販毒面具也進入到這個盒子裡等待觀測這隻貓。而魏格納自己不去觀測這個盒子，因此，他是不知道貓到底是死還是活的。不過，他可以事後去詢問朋友。而他的朋友肯定會告訴他一個貓的確定狀態。而不是這貓既死又活的疊加態。這就說明，他的朋友雖然在系統當中，但卻影響波函數，這也正是「意識」在起作用。

因此，魏格納就提出，意識是可以作用於外部世界的，並且使得波函數發生坍縮。他還進一步解釋了其中的原因，他認為外部世界的變化會引發意識的改變。因此，根據牛頓第三定律，也就是作用力與反作用力，意識也可以引發外部世界的改變。

問題

無論是馮諾依曼還是魏格納，他們的看法都足夠顛覆。但是也存在一些問題。首先，我們根本無法定義「意識」，誰也說不清楚到底什麼才算是意識？是一些動物擁有意識，還是只有人才擁有？所以，這個理論還有很多基礎都不牢固。

許多科學家認為他們的解釋太過牽強附會，因此，目前這個理論並非是主流的科學理論。


相關焦點

  • 為什麼馮·諾伊曼會說量子力學的波函數坍縮和「意識」有關？
    在自然科學理論的發展歷史上，唯一涉及到「意識」的理論就是量子力學。不過，這裡要多說一點，並不是說，量子力學和「意識」有關，而是有科學家在往這方面琢磨，不過並沒有成為主流理論。當我們一觀測它時，系統的波函數就會坍縮，就會按照概率對應出一個實際的結果。
  • 為什麼馮·諾伊曼會說量子力學的波函數坍縮和「意識」有關?
    在自然科學理論的發展歷史上，唯一涉及到「意識」的理論就是量子力學。不過，這裡要多說一點，並不是說，量子力學和「意識」有關，而是有科學家在往這方面琢磨，不過並沒有成為主流理論。這個理論之所以會備受關注，最主要的原因還是提出者是大名鼎鼎的計算機之父：馮·諾依曼。
  • 量子力學中「意識」導致波函數坍縮,這裡的「意識」指的是什麼?
    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於微觀粒子，也適用於測量儀器。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，並在此基礎上發展出了一些新的理論。
  • 量子力學中「意識」導致波函數坍縮,這裡的「意識」到底指什麼?
    在物理學上，並沒有「意識導致波函數坍縮」的說法，之所以出現「意識」兩字，只不過是某些「別有用心」的人刻意偷換概念，故意把物理世界的現象神秘化，而人們往往對神秘的東西更感好奇更感興趣。所謂「波函數坍縮」其實就是一種數學語言描述，它本身並沒有太神秘的地方。用電子的行為舉例子。在微觀世界裡，電子的有可能同時出現在不同的地方，出現的概率並不一樣，而波函數就是描述這種概率的方程。所謂「波函數坍縮」其實就是變成了一個確定值，而不再是概率，而這個過程需要通過觀測來實現。
  • 還好,波函數會坍縮,因果律仍存在
    量子力學本就具有如此多的奇妙特性，以至於它成為科幻小說的常客。作者小林泰三從量子力學出發，一點點抽絲剝繭，通過文中兩位主角的對話，告訴你：時間並不連續，時間也未曾流動，一切都是意識作祟。是大腦，把這些獨立的點連接起來，讓你能活在一個人有生老病死、月有陰晴圓缺的不完美世界。這個不完美世界，處處透著殘酷。
  • 量子物理中「意識」導致波函數坍縮,這裡「意識」到底指什麼?
    科學理論，可以認為就是一種「工具」：科學理論的基礎是感應信息，其上是意識工具的結構化處理。工具處理，可以發明出任意的工具，未必僅僅只有一種。根據哥本哈根詮釋，在量子力學裡，量子系統的量子態，可以用波函數來描述，這是量子力學的一個關鍵特色，波函數是個數學函數，專門用來計算粒子在某位置或處於某種運動狀態的概率，測量的動作造成了波函數坍縮，原本的量子態概率地坍縮成一個測量所允許的量子態。多世界詮釋是量子力學詮釋的一種。
  • 量子物理中,「意識」導致波函數坍縮,這裡「意識」到底指什麼?
    《量子物理中，「意識」導致波函數坍縮，這裡「意識」到底指什麼？》本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。今天有小夥伴私信我，提問：「量子物理中，「意識」導致波函數坍縮，這裡「意識」到底指什麼？」。這裡要從三個角度來分析一下：第二、波函數塌縮是一種數學語言的表述其實我們也不要弄些數學名詞來故弄什麼玄虛。以電子為例，它是一個實實在在的粒子，不論什麼時候它都是一個實實在在的粒子，不會因為任何原因被砸碎變成一團雲霧。但粒子有可能出現在空間中不同位置的概率可以用一個時空坐標的函數模的平方來表示，這個函數就叫做波函數。
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  • 量子坍縮是由引力誘發的嗎?
    如此一來，就有物理學家質疑是否存在這樣一種可能性，即與其秉持量子測量的概念，倒不如將波函數坍縮視作為量子力學的一個問題，並試圖找出一種能夠描述在測量之前，導致了波函數坍縮的機制。 引力是解釋波函數坍縮的一個有力候選，因為它普遍存在， 且強度隨質量的增加而增加。