施郁:朱清时院士为什么错了:现代物理与量子力学并没有否定客观世界

选择字号:   本文共阅读 93 次 更新时间:2017-09-26 15:45:18

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施郁  

   近年来有一些流传甚广的言论曲解现代物理学,特别是量子力学,借以否定客观世界。其中有3篇署名“中国科学院院士朱清时”的文章——《物理学步入禅境:缘起性空》、《再谈物理学步入禅境》和《量子意识:现代科学与佛学的汇合处?》(以下统称“朱文”),在社会上产生了非常大的影响,误导了公众对物理学的认识。有鉴于此,笔者觉得有义务作一些澄清。

   朱文往往用不少篇幅介绍物理学中的某些内容,这些本身可能没有大的问题,但是往往话锋一转,提出耸人听闻的观点。这种表述方式很容易使人被误导,以为朱文中的观点得到了物理学的支持。但是实际上,朱文中所介绍的物理学内容和其耸人听闻的观点之间并没有逻辑关系。

  

   (1)作为振动模式的基本粒子是客观实在

   朱文提到,在弦论中,组成物质世界的基本粒子是弦的振动模式,从而据此声称“物质不是客观实在”。

   弦论是一种高度数学化的猜测性理论,有些物理学家希望它成为统一自然界基本力的理论,但是弦论目前还没有得到实验的支持。不过,现代物理学已经揭示基本粒子是量子场的激发,或者说振动模式。

   基本粒子是场或者弦的振动模式或者说激发,不代表它们不是客观实在,只是说它们超越了牛顿力学的粒子观念,使得客观实在的内容更丰富更微妙。另外,基本粒子还服从量子力学规律,也不能否认它们的客观性。

   事实上,自然界存在很多层展现象,涌现出的规律不能简单归结于组分的基本规律,而是展现出新的层次。比如固体的振动虽然基于原子,但是表现出振动模式的行为。在量子力学中,这个振动模式被称作声子,因为它表现出粒子的行为。基本粒子的情况与之类似。

   弦也好(如果将来被实验证实),量子场也好,作为它们振动模式的基本粒子也好,物质在各个层次上都是客观的。这就好比生物体由细胞构成,细胞由原子构成,难道细胞和生物体就不是客观实在吗?

  

   (2)朱文关于量子纠缠的讨论是严重错误的

   朱文将左右手套说成量子纠缠的例子,而且提到“纠缠一方得到的任何信息,另一方也会马上得到,不需要信息传递”,以及“如果两个地方的物质处于纠缠态,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。”这种说法是严重错误的!

   如果将两个手套分别给两个人,其中一人根据自己手套是哪一只,立即知道另一个人收到哪一只。这种关联恰恰不是量子纠缠,手套是左是右是事先完全确定的性质。

   量子纠缠是指两个粒子之间的量子态不互相独立,而量子态是微观粒子的一个几率特性,物理量不是事先给定的。尽管如此,如果纠缠一方不将得到的信息传给另一方,后者是不会有任何察觉的。量子纠缠并不会导致信号的瞬时传播。

   朱文还说:“对A光子施加的任何作用或给它的任何信息,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。”这也是完全错误的!

   如果没有两地的通讯,给予A光子的作用或信息,B光子是绝不会得到的。在量子隐形传输中,A光子和C光子处于一地,由甲控制;B光子处于另一地,由乙控制。A与B纠缠,C处于大家都不知道的量子态。甲对A和C进行某种测量(由此C与A纠缠起来),并且将结果通过通信手段告知乙,乙据此对B作一个相应的操作。结果使得B光子的量子态转变为C光子原来承载的量子态。

   在这个过程中,关键的一步是,甲必须将其测量结果通知乙,这是不能瞬时完成的,而是受到物理定律的限制,比如不能超过光速。

  

   (3)不能从量子态塌缩问题得到“客观世界是一系列复杂念头造成的”

   朱文介绍了量子力学中的量子态塌缩(或称坍塌)问题,以及个别物理学家关于它由意识导致的假说,但是却称之为“量子力学界的共识”,进而宣称“意识是量子力学的基础”,乃至“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”,“念头产生了‘客观’,念头就是测量,客观世界是一系列复杂念头造成的”云云,则是非常不负责任的说法。

   在量子力学中,测量量子系统的某个属性时,它的量子态就随机“塌缩”到明确具有这个属性的量子态之一。而在测量之前,量子态的演化服从薛定谔方程,是决定论的。有些物理学家不满意量子力学中存在这两种不一样的过程,尝试将测量仪器和被测量系统作为一个整体用薛定谔方程描述,这个测量仪器又被另一个量子测量仪器所测量,如此推广下去,直到将意识作为最终的仪器而实施随机塌缩。这种说法只是个别物理学家的一个假说,而绝非朱文所说的共识。

   关键是,在这个假说中,量子态只是观测者关于量子系统的知识或者信息,而并不是客观的量子系统本身,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。所以朱文的结论的错误之处就在于将关于世界的知识与客观世界本身相混淆。

   即使意识参与测量导致的塌缩(先不谈这个假说的不合理),它也没有参与薛定谔方程所描述的量子态演化。因此朱文所说的“意识是量子力学的基础”是完全错误的,而“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”,则更是毫无根据。

  

   (4)将物理学内容等同于哲学论断是牵强附会

   根据弦论、量子态及其坍塌、宇宙大爆炸,朱文声称“物理学步入缘起性空的禅境”,还将宇宙起源最终归结于佛学里的法身或“心”。朱文还说,不作实验,不作推理,通过禅定就能认识真理,声称“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”。

   佛学里有些哲学论断具有一般性和抽象性,放之四海而皆准。按照朱文的思路,不管科学家到达哪里,都可以说佛学大师在那里等候多时。这种牵强的联系没有意义。

   科学通过实验和逻辑探索未知,既大胆假设,更小心求证,从而不断进步。

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   施郁:量子力学没有动摇科学的基础

   量子力学是整个微观物理学所依赖的基本理论框架。一百多年来,它在物理学基础与应用的方方面面,取得了一个又一个成功,从基本粒子到物质结构,从天体物理到宇宙早期演化,从半导体到激光,从原子能到信息技术,等等。这个历史不是一次性的革命,而是大大小小持续的革命过程,也导致了人类社会和生产生活的深刻变革。现代社会离不开量子力学。1990年代,诺贝尔奖得主莱德曼就说过量子力学贡献了当时美国国内生产总值的三分之一。

   量子力学还在进一步发展中。有不少学者认为,在量子信息和量子操控等方面发生着“第二次量子革命”。但笔者宁愿称其为“继续量子革命”(continuousquantumrevolution):量子力学基本原理还有未完全解决的问题,量子革命一直在持续地发生,并将继续下去。

  

   “量子”是什么意思

   “量子”一词最初是普朗克于1900年发明的,他以此驱散当时物理学天空中的一朵乌云:受热物体发出的电磁辐射能量与波长之间的关系。电磁辐射即电磁波,在不同频率范围分别称作可见光、红外线、可见光、紫外线等等。普朗克假设物体发射出的电磁辐射能量是一份一份的,其中每份能量总是一个基本单位的整数倍。这个能量基本单位被他称作能量量子,等于频率乘以一个常数(后称普朗克常数)。1905年,爱因斯坦进一步提出,电磁波本身就是由能量量子组成的,称作光量子(后简称为光子)。这是唯一被爱因斯坦自己称作“革命性”的工作。1913年,玻尔提出,原子中电子的能量只能取一些分立的值,叫作能量量子化。

   所以在量子论早期,“量子”的主要含义是分立和非连续。这种含义也被用于当代物理中,比如,“量子霍尔效应”就是指霍尔电导只能取一些分立值。另外,现代物理学中,与光量子类似,每种基本粒子都是一个量子场的振动激发,也叫量子。它们与牛顿力学的粒子观念不同,但依然是客观存在(下文有进一步解释)。

   1925至1927年,海森堡、玻恩、约旦、薛定谔、狄拉克等人创立了系统的量子力学,取代了早期量子论。量子力学是整个一套理论体系,其特征并不能简单归结于分立和非连续。现在更多情况下,“量子”是作为一个形容词或者前缀在使用,“量子X”是指在将量子力学基本原理用于X,比如量子光学、量子统计、量子凝聚态物理、量子磁学、量子化学、量子电动力学、量子场论、量子宇宙学、量子信息、量子计算等等。

  

   量子力学与经典物理学的比较

   量子力学是微观物理学的整个一套基本框架、基本逻辑、基本语言。对于它所适用的范围(通常是分子以下的微观层次,但后面还要提到适用范围),所有的科学规律都在量子力学的基本框架下。相对之前的物理,量子力学这个基本框架是全新的,因此前者被称作经典物理。

   在经典物理中,每个物理量总有明确的值。比如物体在每个时刻都有明确的位置,而且经典物理规律完全决定了它怎样随时间变化。掌握了经典物理规律,只要知道物体受力情况和某个时刻的位置和速度,就可以计算出其它任意时刻的位置和速度。比如,哈雷根据牛顿力学正确预言了哈雷彗星的回归,现在我们也能应用经典物理将人造卫星发射到预定轨道。

   经典物理在日常生活中也有几率。但这是一种粗粒化描述,基于对细节的忽略。扔下一个均匀的硬币,每个面朝上的几率大概是二分之一。在大致相同的宏观条件下,细节有各种各样的可能性。重复扔若干次硬币,最后每个面朝上的结果大概有一半。但是,其实每个硬币的运动都是决定论的。如果知道力学细节,原则上是可以预言最后结果的。

   量子力学中,几率的概念首当其冲,而且是实质性的。对于量子粒子的每个可能位置我们赋予一个复数,称作波函数。测量粒子的位置,它出现在某个可能的位置;测量另一个也由这个波函数描述的粒子,它出现在某个可能的位置。这样的过程重复很多遍,然后统计出现在每个位置上的次数,占所有次数的比例就是粒子处于这个位置的几率,等于波函数在这个位置的大小的平方。

现在我们问,怎么描述粒子的速度。有读者可能会说,需要一个速度波函数,它的大小的平方就是粒子每个可能的速度的几率。正确!我们接着问,是不是可以同时描述粒子的位置和速度,比如粒子处在某个位置而且具有某个速度?这是经典物理和日常生活里的常见情况。有读者可能会说,用位置波函数描述位置,(点击此处阅读下一页)

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文章来源:微信公众号《知识分子》

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