如果量子力学理论是对的,是否意味着人生真的是毫无意义?

不确定性原理,避免世界陷入绝对虚无

1927年,海森堡提出不确定性原理:一个粒子的位置和动量,不可能同时被准确测量。对粒子的位置测量越确定,则动量就越不确定;对粒子的动量测量越确定,则位置就越不确定。这种不确定性必然大于或等于普朗克常数(Planck constant)除以4π,即ΔxΔp≥h/4π)。

不确定原理蕴含着深刻的哲学原理,用海森堡自己的话说:“我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”也就是说,不确定性不是测量的技术有问题,而是事物的内在秉性。无论测量技术如何改进,永远都不可能做到绝对准确。不确定性原理也直接否定了机械决定论。

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物理学家根据海森堡的不确定性原理,进而推导出了微观世界存在着激烈的量子涨落:在时间极短的情况下,真空中会出现较大的能量起伏,物质粒子和虚粒子瞬间成对产生,又瞬间成对消失。量子涨落在微观世界里无处不在,无时不有。

根据不确定性原理,当温度降到绝对零度的时候,一个粒子必定仍然在振动。否则,如果一个粒子完全停下来,那么它的动量和位置就可以同时被精确地测量。这样就违反了不确定性原理。一个粒子在绝对零度时的振动(零点振动)所具有的能量就是零点能。

因此,现代科学认为:真空并不意味着一无所有,真空是由正电子和负电子旋转波包组成的系统。与这种现象伴生的能量,称为零点能。也就是说,即使在绝对零度,这种真空活性仍然保持着。狄拉克从量子场论对真空态进行了描述,把真空比喻为起伏不定的能量之海。J. Wheeler估算出真空的能量密度可高达

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1948年,荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看,真空能量以粒子的形态出现,并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子。但卡西米尔认为,如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起,较长的波长就会被排除出去。接着,金属盘外的其他波就会产生一种往内使它们相互聚拢的力,金属盘越靠近,两者之间的吸引力就越强。1996 年,物理学家首次对这种所谓的卡西米尔效应进行了测定,验证了量子真空涨落现象。

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卡西米尔效应图

当有人说“量子力学让物理步入禅境和佛学空性”的时候,你就用“量子真空涨落”去“啪啪啪”地打他的脸。

宇称不守恒定律,让宇宙自发产生观察者

在1956年前,科学界一直认为宇称守恒,也就是说一个粒子的镜像与其本身性质完全相同。

1956年,科学家发现θ和τ两种介子的自旋、质量、寿命、电荷等完全相同,很多科学家认为它们是同一种粒子,但θ介子衰变时产生两个π介子,τ子衰变时产生3个,这又说明它们是不同种粒子。

李政道和杨振宁在深入细致地研究了各种因素之后断言:τ和θ是完全相同的同一种粒子,后被统称为K介子。τ和θ虽然是完全相同的同一种粒子,但在弱相互作用的环境中,它们的运动规律却不一定完全相同。这两个相同的粒子如果互相照镜子的话,它们的衰变方式在镜子里和镜子外竟然不一样。“θ-τ”粒子在弱相互作用下是不对称的,即宇称不守恒。

华裔实验物理学家吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变:在极低温(0.01K)下,她用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋,把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋,这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异,而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

从此,“宇称不守恒”被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。杨振宁和李政道两位博士因此而荣获得了1957年的诺贝尔物理奖。

宇称不守恒原理彻底改变了人类对对称性的认识,改变了物理科学中“宇称守恒”的基本信念。

随后,欧洲原子能研究中心的一个小组,在研究了K介子反K介子相互转换的过程中发现:反K介子转换为K介子的速率要比其时间逆转过程、即K介子转变为反K介子来得要快,首次直接观测到时间不对称现象。

后来,欧洲核子中心新实验证明,反物质转化为物质的速度要快于其相反过程。

从宇称不守恒原理的发现过程,我们就可以明白宇称不守恒的大概意思了。

现在回过头来说量子真空涨落。

由于宇称不守恒的存在,量子真空涨落中瞬间产生的物质粒子和虚物质粒子,在消失的时间上就可能存在微小的不一致:物质粒子消失得慢一些,或虚物质粒子消失得慢一些。说明一下,虚和实是相对的,换一个角度,虚物质也是物质。

消失得慢一些的物质粒子,在极短时间上,属于凭空多出来的物质。

这凭空多出来的物质,瞬间就打破了空间的能量平衡,引发真空的多米诺骨牌效应。在蕴藏着巨大“零点能”的真空之中,这个凭空多出来的物质微粒,就是一个观察者。这个观察者观察了邻近的真空,真空之中又会瞬间产生出另一个物质微粒,并以多米诺骨牌效应的方式传递下去,物质微粒指数级地产生。由于这个速度太快,超过了光速,看起来就像一次大爆炸。

物质微粒瞬间大量产生,重力作用阻止了真空坍缩的多米诺骨牌效应。随后,在重力的主导下,物质开始了它的演化之旅。宇宙不需要一个假设的观察者“上帝”存在。

宇称不守恒也说明了宇宙的平衡态是暂时的,非平衡态是常态的。量子场的平衡态是暂时的,激发态是常态的。

量子力学包含时刻的矛盾性原理

量子场的基态和激发态是一对矛盾。基态是平衡态,激发态是非平衡态。平衡是暂时是,非平衡是常态的。二者相互矛盾相互转化。激发态是矛盾的主要方面。

基态与激发态这对矛盾,是世界的根本矛盾。其它的矛盾都是这对矛盾衍生出来的。如粒子与虚粒子、物质与反物质等。

矛盾是创生宇宙万物的源泉,也是推动宇宙万物发展的基本动力。没有量子场的“基态和激发态”这对基本矛盾,就没有世界。

量子纠缠产生了时空

经典的时空观念认为:时间均匀地流淌,与任何外部事物都无关;空间就如同舞台背景,独立存在于事物变化之外。时间、空间和物质,三者之间没有什么关联,各自为政。

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爱因斯坦的广义相对论打破了绝对时空观,认为物质的质量变化能引起时空扭曲,时间、空间和物质之间存在着密不可分的内在联系。时空的几何结构是引力存在的表现形式。

2006年,比伊利诺伊大学的科学家发现了时空的几何结构与量子纠缠存在着关联。

2013年,普林斯顿高等研究院的物理学家和斯坦福大学的物理学家在合作研究中发现,如果两个黑洞纠缠在一起,它们就会产生虫洞,即广义相对论中所预言的一种时空捷径。这项发现及进一步的数据计算令人诧异地表明,过去被认为不涉及实体联系的量子纠缠竟然能产生时空结构。

时空并不是量子纠缠的场所,而是量子纠缠的产物。

量子纠缠能产生时空结构,说明:时空并不是前提,而是结果。换而言之,时空并不是量子纠缠的场所,而是量子纠缠的产物。是物质联系产生了时空,而不是时空本来就存在那里等待物质去填充。时空并不是一个最基本的存在。

两个纠缠粒子分离的过程,实质上是二者创造新时空的过程。两个粒子在分离的过程中建立了自己的新时空,当其中一个被观察,另一个立刻便感知,实质上它们本来一直都是一个整体。在微观量子世界,联系是根本,时空区隔不是问题。

互补性原理,使得物质和意识有机统一

把物质与意识的对立起来,是一种思维陷阱。

马克思主义对量子论的批判和继承,核心问题还是客观实在论。

随着科学技术不断渗透与人类的日常生活,极端的唯心论逐步失去市场。

然而,由于量子论的兴起,唯心论大有抬头之势。新型唯心论利用量子论的一些极具争议的概念,如“观测”“纠缠”等,来作为唯心论的“科学依据”。把爱因斯坦表达对量子论不满的一句玩笑话“当我们不去抬头望月亮,月亮是不存在的”,当做唯心论成立的金句,甚至把王阳明的“观花论”捧为中国的量子论。

量子论不仅否定了牛顿时代的绝对时空观,也否定了相对论的平滑时空观,提出量子化的离散时空观,否定爱因斯坦的“局域性”时空观,提出非局域性的时空观。同时也否定了“刚性小球的原子论”,提出“量子化的原子论”。新的时空论和新的物质论,并没有否定“客观实在论”,而是要求马克思主义在批判和继承量子论的基础上,提出新的“客观实在论”。

量子论已经被无数次实验精确地验证了,贡献了全球三分之二的经济,现在再否定量子论无疑是愚蠢的。马克思主义如果无视量子论,不能以一如既往的开放精神来批判和继承量子论,必将走向固步自封,走向科学的对立面。

在相关的经典著作之中,关于物质和唯物论,马克思的论述很少,恩格斯的论述较多。因为忙于领导革命运动和革命理论总结,马克思论“伊壁鸠鲁的原子偏斜问题”的著作一直没有完成。马克思生于1818年5月5日,卒于1883年3月14日,正处在经典物理的黄金时代,但他已经明锐地认识到机械的、绝对的物质论,无法解释人的自由意志问题。当时的法国数学家拉普拉斯预言:“如果知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,就能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程,过去以及未来。”一切都是物理定律决定好了的,包括人的意识。人没有自由意志,人便失去了存在的意义。既然一切都是物理定律“命定”了的,那革命就失去合法依据,甚至包括“革命行为”本身也是一种“命定”。马克思当然非常清楚这一点,于是希望在伊壁鸠鲁的“原子偏斜运动”之中找到自由意识存在的根据。然而他没有成功。革命工作繁重只是次要原因,时代的局限性才是根本原因。

列宁生活在量子论的初创时代,对机械唯物主义的弊端有了进一步的认识,将物质定义为:“物质是标志客观实在的哲学范畴,这种客观实在是人通过感知感觉的,它不依赖于我们的感觉而存在,为我们的感觉所复写、摄影、反映。”哲学的物质范畴是各种具体物质形态的总和的一种抽象。自然科学关于物质范畴比如原子、质子等,只是某种具体物质形态或人的认识的一个层次。

列宁生于1870年4月22日,卒于1924年1月21日。1900年至1925年,量子力学还没有真正建立起来,属于旧量子论时代。列宁在对物质做定义的时候,没有考虑到在微观量子领域,观测会对微观系统造成扰动,观测方式会决定观测结果,观测主体不能对立于观测客体。

简单地说,哲学里的物质,就是指客观实在性;自然科学里的物质,指的是具体的物质形态。“物质”和“客观实在”是一个意思。

但是,把物质与意识的对立起来,可能就是一种思维陷阱。前面我已经探讨过,物质与意识是互补关系,而不是对立关系。不引进量子力学的互补性原理,唯物主义和唯心主义都没有出路,只能在“鸡生蛋和头蛋生鸡”的逻辑陷阱里没完没了地互掐。唯物论与唯心论的旷世之争,唯有量子科学能够劝阻。

量子力学的互补原理与马恩哲学的对立统一原理有相似之处,但也有区别。互补原理强调的是不同的观测方式会导致不同的观测结果,因观测方式的不同,不同的经典概念就有不同的使用范围。对立统一原理没有考虑观测方式,事物的矛盾双方,不是绝对独立的存在,二者可以相互转化。互补原理属于认识论范畴,而对立统一原理属于实体论范畴。

量子叠加原理,为自由意志的存在提供了物理条件

意识性是物质自我保存的目的性与运动的倾向性。物质性是物质运动的规律。从意识角度观察,规律性消失,目的性显现;从物质的角度观察,目的性消失,规律性显现。二者以互补的方式统一起来。量子论的物质是一种活的存在,不是机械的、僵死的东西,也不是随心所欲的抽象精神。

决定自由意识的不是不确定性原理,而是量子叠加原理。

自由意识不是随机性,但可以表现出随机性。

量子叠加态,为自由意识的存在提供了物质基础和物理法则。叠加态为自由意识提供了无限可能。

大脑内部的量子尺度领域,保持非观察状态,是自由意识存在的物理前提。

如果量子力学理论是对的,那么,不但不意味着人生真的是毫无意义,反过来意味着人生更有意义了。

原因有三:

第一,量子力学中的”观测者效应”,会让人生充满主动创造的乐趣。

“观测者效应”,说的是,你不观测的时候,这个事物是那样的;当你观测时,这个事物就变成这样了。也就是说,你所观测的事物,因为你的观测而改变。

关于这个原理,有一个通俗的故事可以说明。

1886年,有一位生物学家在一篇论文中写过他所观察到的”螳螂吃夫”现象:

“把它们放在罐子里的时候,交配后的雄螳螂会尝试着逃跑。可是几分钟之内,它就会被雌螳螂捉住。雌螳螂会先扯下雄螳螂的头吃掉,然后是胫节,而后是大腿……看起来,如果一个雄螳螂最终竟然能从此螳螂那里逃脱的话,几乎是天赐的好运。”

但是,后来生物学家们发现,在自然界中,交配之后螳螂吃夫的现象,其实是不存在的。

那么,难道是那位生物学家观测错误了?不,他的观测是正确的。后来的生物学家发现,原来雌螳螂把雄螳螂吃掉的原因,就是因为有人在观察它们。当有人在旁边观测它们时,雌螳螂误以为观测的人是敌人,因此紧张起来,就把雄螳螂吃了。

这个现象,可以用一个物理学的实验,得到了证明。这就是双缝干涉实验。

19世纪初,物理学家托马斯·杨设计了双缝实验。一块挡板,上面开两条缝。隔一段距离放上另一块挡板。光通过第一块挡板照过去,通过两条缝照在第二块挡板上。结果会出现明暗相间的条纹。这条纹,是两束光就会形成相互干涉的效果。在后一块挡板上,如果两道光波相位相同,就互相加强,变亮;如果相位有差,则互相抵消,就会变暗。

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后来,物理学家改变了实验方式,不是发射一束光,而是将光子(光的粒子)一个一个地发射出去。令人震惊的意外发生了,即使每次只发射一个光子,屏幕上仍然会出现干涉条纹。要知道,上次干涉条纹的产生,是两个缝隙透过的两束光相互干涉的结果,但现在只打出一个光子,居然也产生干涉现象,这是为什么呢?

答案是:这个光子自己干涉了自己!也就是说,这个光子同时通过了两个缝隙。再用电子或其他粒子打过去,结果也一样的。以平常情况来比喻,就是一个人同时从左右两个门中穿过去,结果自己撞到了自己。

这样一来,就证明:光子,和其它粒子,在实验中出现了”既在这里,又在那里”的状况。

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接下去,最关键的来了。

实验者在旁边安装了探测器,只要光子通过,就能检测到。这样做的目的就是想看看,光子到底是从哪个缝中穿过去的。但是,结果是,屏幕上不再有干涉条纹,只有单个的光点。也就是说,只要一观测,光子就不再使用”分身法”,原来是”既走了左边的缝,又走了右边的缝”,现在又规矩老实地变成了”或者走了左边的缝,或者走了右边的缝”。

这就是观测者效应:对行为的观测,本身就会影响观测的结果。

当量子力学提出这个效应的时候,可以相象,量子物理学家们是很兴奋、很激动的。如梦这个知识在社会上普及开来,它一定会鼓舞人们去观测、去主动地行动、去积极地创造。

第二,波粒两象性的发现,会让人们对比中国文化充满敬意,也对在这种文化下长大的自己充满信心。

对于上面所说的观测者效应现象,量子力学里的专业表述是:当一个微观粒子没有被”观察”时,它是呈波动状态存在的,就是说,它不是一个点,不是一个固定粒子,而是一段波动的线。而当它被”观察”时,因为观察的影响和干扰,这段波动的钱,被固定成一个点,变成了一个粒子。

这又涉及到另一个量子力学知识:波粒二象性。它说的是:一个电子或光子,有时是粒子,有时是波。它究竟是粒子还是波?它怎么可以既是粒子,又是波呢?但它就是这样:既是粒子,又是波。当它为粒子时,就是物质,当它为波时,就是无,是空,是一种不定形的运动,一种可以扩散和消失的运动。你不知道是什么在运动,它是没有的,是没有的东西在运动。

说到这里你想起了什么?

是不是想起了老子《道德经》里说的”玄之又玄”,想起了佛教里的”空”呢?

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1913年,有个叫玻尔的物理学家,提出了”量子跃迁”理论,说的是:电子的运动方式是,这一刻在这个轨道,下一刻出现在另一个轨道。不知道它为什么一会在这里,一会儿在那里,因为它并没有在空间里移动。就是说,它是凭空出现,又凭空消失的。后来物理学家们又发现,所有的已知粒子都是是这种现象。

这里,又有一个著名的”薛定谔的猫”实验设想。事情是这样的,1953年,物理学家薛定谔设计了一个猫的实验:

把一只猫关在一个封闭的盒子里,盒子里还有一个容器,放着极少量的放射性物质。这些放射性物质,有50%的机率发生衰变,另有50%的机率不发生任何衰变。如果衰变发生,那么放置放射性物质的容器就会放电,通过继电器启动一个榔头,榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。

那么,结果就是:如果发生衰变,这套机关被触发,氰化氢挥发,猫就会死亡。如果没有发生衰变事件,那猫就会活着。

到底活着还是死了?取决观测者是否打开盒子。如果不打开盒子,猫就一直保持不确定性的波态,即处于非死非活、又死又活的生死叠加状态。当外部观测者打开盒子观测时,波态就固定为粒子形式:要么是活的猫,要么是死的猫。

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这个实验设想的意义,在于把原本只局限于原子领域的不明确性,转变为宏观不明确性,即原来只是粒子会处于叠加态,现在宏观的动物也会如此。也就是说,本来是微观世界里的事情,是比原子还小的粒子发生的事情,现在证明它也会发生在宏观世界里。

《三体》的作者刘慈欣另有一篇小说,叫《球状闪电》,里面描述了变成量子态的人。我们可以发现,人们也可以像那只薛定谔的猫,既活着,又死了;既在这里,又在那里。孙悟空的分身法,真不是完全虚构的。

爱因斯坦在谈到量子理论时,曾经说过一句话:”你是否相信,月亮只有在看着它的时候才真正存在?”

用量子力学来解释爱因斯坦的这句话,就是:所谓的月亮,只是一定频率的波,与人的视觉细胞相互作用的”主观感觉”。举个通俗的例子,蚂蚁的视觉细胞,就不能与月亮的波发生相互作用,因此,对蚂蚁来说,根本没有月亮存在。而当蚂蚁具备人的视觉细胞时,月亮就存在了。

用佛教的观念来说,我们都是通过“六根”(六门)来了解外面的世界“六尘”的。这个过程是:“眼见色”、“耳闻声”、“鼻嗅香”、“舌尝味”、“身觉触”、“意知法”(见闻觉知)。换句话说,我们其实是被六根蒙蔽了,才了解到了这样的六尘;如果我们没有六根,或者我们的六根跟现在不同,那么,我们了解到的世界,也就是一个不同的世界。所以,《心经》中,观世音菩萨说:“观自在菩萨,行深般若波罗蜜多时,照见五蕴皆空,度一切苦厄。”

这时再想想:我们知道蚂蚁,蚂蚁知道我们吗?在蚂蚁眼中,我们是人吗?其实在蚂蚁眼中,我们是一堆杂乱无章的声音。

杜甫有一句诗:”感时花溅泪,恨别鸟惊心”。当你有感触时,花上的露水就变成了泪水;当你在为离别痛苦时,鸟都会惊肉跳。

这不都是心——意识的结果吗?所以,心学创始人王阳明说:”心外无物”。

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微观粒子是这样,宏观世界也就是这样。因为宏观世界就是由微观粒子所组成的。举例来说,组成我们身体的亚原子粒子,时时刻刻都是进行”量子跃迁”,从有,跃迁到无;再从无,跃迁到有。也即,如果我们有一双能看到粒子的眼睛,我们就会发现,我们身体一会儿消失,一会儿出现。

整个宇宙都是这样。

现在我们理解了,原来,心外真的无物。宇宙,就在心中,随心而变。

当我们真正理解了这一点,真正体验到这一点,那么,我们的认识水平,就将有一个飞跃,随之而来的,就是实践水平的提升。

第三,量子纠缠的发现,会让人们对人类的未来充满好奇、充满想象、充满信心。

爱恩斯坦,及他之后的一些较有成就的科学家,都表示了对大自然、对宇宙、对造物主的敬仰之情。

这种敬仰之情,比之前的科学家,更加虔诚、更加热烈。原因就在于:他们发现了一个现象:量子纠缠。

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所谓量子纠缠,是指,两个存在相互影响关系的粒子,无论相隔多远,改变其中一个的状态,另一个也即时发生改变。这里所说的“无论相隔多远”,可以远到几亿、几十亿、几百亿、几千亿、几万亿光年。这里所说的“即时”,就是瞬间,一秒时间都不到。

也就是说,哪怕这两个粒子相距亿万光年,只要有一个变化了,另一个瞬间就知道了,也同时发生变化。

这个现象,让一些最有成就的、最伟大的科学家,也不得不赞叹大自然的神奇,赞叹宇宙的伟大。人类有幸生活在这样神奇与伟大的宇宙怀抱,不能不心情怀感恩。

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THE END
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