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温润如玉的博客

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猫、月亮与混沌[转]  

2009-08-11 16:12:39|  分类: 景行维贤 |  标签: |举报 |字号 订阅

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这是一段科学巨人之间华山论剑的往事,这场战斗最终摧毁了人类眼中客观的、实在的大千世界,揭开了一面厚重的幕布。

山就是山,水就是水。
话说上世二十年代之前,物理学的主流理论是牛顿经典物理学,经典物理学的基础是严格决定论。
拉普拉斯曾指出,只要给出某一物体当下的基本参数,原则上可以得出其在过去或未来任一时刻的运动轨迹。这一观点至今仍然是被证明符合宏观物理运动理论的,而且该理论很好的应用于实际,证明了因果论或者决定论的确是具有很好的可靠性。
比如说,一个苹果从高空坠地,我们只要测出海拔高度、经纬度、空气密度温度等所有初始参数,我们一定可以精确计算出它落地所需时间。同样道理,大千世界所有物体的存在和运动,在理论上都是可以精确描绘的。物体的存在是具有客观性的,同样的物体具有同样的性质,不以人为观念所转移。一个苹果放在桌子上,你看见了它在那里,你不去看它,它依然还在那里。山就是山,水就是水。
从现代科学兴起以来,世界上大部分人们和科学家,都坚持关于这种确定性理论模式的信念,认为只有将事物之间的因果关系完全定量化确定化的科学才是真正的科学,在科学的范畴中不应该出现“可能”“大概”这样的字眼。科学家们以这种信念为基础,几百年间不停地努力完善,逐步修建起了一座威严而辉煌的科学理论大厦,整个客观世界的万千现象莫不遵从。连后来号称推翻经典力学的相对论,都只是镶在这座大厦之巅的璀璨明珠而已。
可是,大厦再巍峨,亦不能跳出成住坏空的圈子。

山不是山,水不是水。
随着微观物理学的发展,人们逐步了解到物质是原子构成的,而原子是由原子核和围绕在其周围旋转的电子构成。到了这个微观尺度,百试百灵的经典物理理论突然没电了。电子旋转的运动轨迹根本没法测算,甚至都不能证明它们是连续运动的,只能说是随概率凭空出现在原子核周围的某些位置。甚至更多情况下,微观粒子的客观存在性都成了没准儿的事儿,粒子一会表现的像一个铁蛋一样撞在靶子上,一会儿又能够像水波纹似的变成一种涟漪一样的虚无的波绕过层层障碍,用经典理论完全没法琢磨。
 于是量子力学应运而生。量子概念是1900年普朗克首先提出的,到今天已经整整一百年了。期间,经过玻尔、德布罗意、玻恩、海森柏、等许多物理大师的创新努力,到20世纪30年代,初步建立了一套完整的量子力学理论。
   量子力学在理论上日臻圆融,实践上也战无不胜,其观点很独特:粒子状态没有“有”和“无”,只有概率;物质没有实体,都是一群弥散的波函数;更让传统物理学家无法接受的是,微观世界里,质量和速度没法同时测准,而且观测者的主观观测行为能够影响被观测物的客观状态。通俗的说,就是在我们没去观察前,微观物体处于一种模糊地、虚无的概率状态,一旦我们去观测,它就立刻“配合的”变成了某一种特定状态给我们看。不得不说,这种观点在哲学上那是相当的唯心。
这让一大批持唯物主义世界观的科学家感觉非常不爽,这算什么,这不是拆经典大厦的地基嘛!于是物理学术界刮起了一场风暴。深受世界人民敬仰的、科学界的巨擘泰斗爱因斯坦教授,放下架子,亲自上阵,带头声讨以哥本哈根学派为代表的量子力学科学家,天天查理论挑毛病,月月想实验踢场子。哥本哈根学派那边也有物理学一代宗师波尔罩着,兵来将挡,见招拆招,领着一帮科学家和爱因斯坦一派在理论界斗得难解难分。
其中爱因斯坦在1930年的第6次索尔维会议上提出了著名的光匣假设,几乎把波尔噎死,最后波尔冥思一天,绝地反击,还以彼之道还施彼身,用爱因斯坦自己的狭义相对论证明了光匣的错误,把个老爱打的人仰马翻。此役下来,不少支持爱因斯坦的科学家都倒戈投敌了,差点儿成了他一个人的战斗。爱因斯坦教授是很顽强的坚持着自己的哲学观,转而继续寻找理论上的其他漏洞。虽然爱因斯坦和玻尔之间在对于量子力学的哲学意义的认识上存在着激烈的争执,但这丝毫不影响两人之间的友谊,他们私下里始终都是很好的朋友。

混沌状态的猫
在双方相互拍砖的过程中,一个叫薛定谔的奥地利物理学家被哥本哈根学派拍中挂了彩。薛教授提出了用来计算量子态的薛定谔方程:
▽²ψ(x,y,z)+(8π²m/h²)[E-U(x,y,z)]ψ(x,y,z)=0,
薛定谔其实是量子力学的奠基人之一,但是他也不喜欢虚无主义,因为他的波函数被新量子理论一解释,变得很容易急速坍缩,他的方程被搞臭了,这个结果把他自己郁闷的不行。为了找回场子,经过冥思苦想,薛定谔在1935年发表了一篇题为《量子力学的现状》论文。文中假设了一个实验:
按照哥本哈根派的说法,没有测量之前,一个微观粒子的状态是模糊不清的,处于各种可能性的混合叠加。比如一个放射性原子,它何时衰变是完全概率性的。只要没有观察,它便处于衰变/不衰变的叠加状态中,同时存在有和无以及各种可能,就像我们说的混沌状态。只有确实地测量了,它才随机选择一种状态而出现,否则就像一个模糊物一样没法描述。
那么让我们把这个原子(比如镭原子)放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。再将一只猫和一只装有氰化物毒气的瓶子放到密闭容器里。镭的衰变存在几率:
1.如果镭原子发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会被毒死;
2.如果镭原子不发生衰变,瓶子不破,猫就存活下来。
由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态,嗯,就是一种即没死也没活的奇怪状态。在没有打开箱子观察之前,这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。
为了加强读者的共鸣,薛定谔还规定这只可怜的猫是一只母猫,就是哥本哈根学派的理论让“她”处于之中不死不活的悲惨状态。一只即没有生也没有死的混沌猫,多么荒谬加残忍啊,大家一起来鄙视波尔他们!通过推断出一只这样没死没活状态的猫,薛定谔间接地质疑了量子力学宏观化的客观性。
当然,我们不提哥本哈根学派是怎么回击他的文章,也不提后来薛定谔反而没有他的猫名气大的结局。单就这只猫是否具有弥散波函数的叠加性,在学界引立即起了更加激烈的PK行为。因为量子力学在微观世界里无往不胜,成了就像铁一样的真理,非主流科学家在微观上踢场子总是吃瘪,所以,受薛定谔猫的启发,爱因斯坦(注意,可怜的老爱这时候已经沦为非主流了)又跳出来在更广阔的宏观上挑战波尔,说按照量子力学的推论,那我们在不看月亮的时候,月亮还存在吗?

混沌状态的月亮
这是个重磅炸弹,可是大宗师波尔还真不怕,立即给出了解释:
按量子力学来说,因为月亮也是由不确定的粒子组成的,所以如果我们转过头不去看月亮,那一大堆粒子就开始按照波函数弥散开去。于是乎,月亮的边缘开始显得模糊而不确定,它逐渐“融化”,变成概率波扩散到周围的空间里去。当然这么大一个月亮完全融化成空间中的概率是需要很长很长时间的,不过问题的实质是:要是不观察月亮,它就从确定的状态变成无数不确定的叠加。不观察它时,一个确定的,客观的月亮是不存在的。但只要一回头,一轮明月便又高悬空中,似乎什么事也没发生过一样。
反对者质疑:那你没出生之前,月亮就不存在了吗?
答曰:全世界有亿万人再看,维持了月亮的概念。
再质疑:没有人之前呢?
贝克莱式回答:总有“上帝”在不停地看着一切。
实际上量子力学不承认有上帝的存在,论战到这里也就到了纯粹的哲学高度,没法子再升级了,老爱再一次的拿不出东西继续了。然而爱因斯坦只服从他内心的声音,而现在这个声音告诉他:这(量子力学的几率诠释)不是真实的。于是结果就这样注定了:爱因斯坦与其他人分道扬镳,渐行渐远,在余生近乎隐居的生活里,独自探索着遥不可及的统一场论;物理学则失去了它的伟大旗手。对于大家来说,这简直就是一个悲剧。
而玻尔也不轻松,一直到死,他也未能使爱因斯坦信服,认为量子论的解释是完备的。在他1962年去世后的第二天,人们在他的黑板上仍然发现画有当年爱因斯坦光箱实验的草图。两位科学巨人都为各自的信念而奋斗了毕生。
混沌与波函数
其实,波尔在东方可是有一个有名的知音:明代圣人王阳明。
王阳明他在《传习录?下》中也说过一句有名的话:“你未看此花时,此花与汝同归于寂;你来看此花时,则此花颜色一时明白起来……”
这个“寂”应该同“弥散的波函数”指的是同一物,都是心不看的状态,可是这个物究竟是个什么呢?
愚以为:
不看月时月非月,不赏花时花非花。
无生无死猫混沌,无形无名大道存。

月亮有无限多个微观粒子,每个微观粒子的波函数也有无限种表达方式。如果我们有足够长的时间不去看月亮,其所有粒子就会完全坍缩成宇宙间的无法计数的弥散波函数,“它”包含了所有的可能性,但又不是确切的任何一种;具有可能的任意一种状态,但又没法去观察;可能是任何一种东西,但又哪种都不是;因为什么都是且什么都是不是,所以没办法起名。“它”应该是混沌状态。
混沌为体,极化为用。体没有大小长短,善恶美丑,用则有颜色形状,高低贵贱。
不看猫,猫就是不死不活的弥散函数,看了猫,立即就有死活之分;
不观月,月归为混沌,观之则复为高悬明月。
无欲断灭,现实世界归为一片混沌,有欲感觉,混沌化为极化世界。
有情为意识赋予意义,主动探测感知世界,思想动处,混沌分化为极化世界,灯红酒绿光怪陆离;意识之外,极化还复混沌本源,无名无形恍恍惚惚。

寻找混沌的方法。
如今在微观的角度中薛定谔的猫态已经能够观测到了。
美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称,他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中,研究人员将铍离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中,然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度,并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫”态,研究人员一方面提高激光的冷却效率,另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终,他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋,实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠,也就是“薛定谔猫”态。
注意他们找到“薛定谔猫”态的方法——激光和电磁场阱都是为了最大程度的降低粒子的运动和本身的震动,让粒子完全“静止”下来。
混沌在哪里,混沌随时和我们同在。不观察,不感觉,则物化混沌。旦想有欲观混沌,若非静极不能查。静极可观混沌,从尖端科学到丹道修炼,这难道是巧合吗?

山还是山,水还是水。
按照量子力学的观点,粒子本身在不观测时具有全部的波函数,观测后可以随机坍缩成为具体的现象。这种观点是很主观的,既然物质的状态是人观察后随机产生的,那么在不同人心中的世界,可能会有无穷多的样子,无穷多的人心去观察体会,会把物体变成无穷多个状态。比如你看桌上有个苹果,你不看了苹果变成波函数,别人一看又变成梨,或者是老鼠什么的,该有多别扭。如此物质乃至整个世界是如何维持成现在这个连续、一贯的样子呢?
这就涉及到了多人乃至无数人观察世界的道理了。我们生活在同一个世界里,所以我们可以也必须对一个客观事物有统一的认识,就像一个规则一样,必须事先约定了大家把桌子上的“东西”都看成苹果,而不是别的什么东西。不管是主动地还是被动的都要遵守这个前提,否则接触的世界就不一样。比如你看到的苹果要告诉别人,你张口要说话,可是声波传到他的耳朵里变成了烟雾,这怎么交流?更有可能的是人与人之间互相都看不到,身体也是物质的,你看到他是棵葱,他看到你是一个怪物,交流个啥。所以,按照人择原理,我们生活在同一个世界里的人,肯定是事先对世界的看法有约定,事情发生的时候都按照同样的波函数形态坍缩,我们才能在同一个蓝天下生活。
我们约定了一片波函数坍缩成“山”,我们才能在看到真实的山,仅仅因为“山”是我们的共识,否则那里只有一片混沌;
我们约定了另一片波函数坍缩成“水”,我们才能在看到真实的水,仅仅因为“水”是我们的共识,否则那里只也有一片混沌;

光阴的约定
在波函数坍缩前,研究对象的位置只能用概率来形容,也就是说,某一段时间内,在某个空间位置上可能出现的几率有多少多少;在观察行为发生后,研究对象在某一个时间点上的的位置就被固定了。比如我们打开盒子一看,原来不死不活的薛定谔猫就变成了一只活蹦乱跳、会喵喵叫的小猫,那么我们认为在观察那一瞬间,猫是活的。
不会发生你观察那一瞬间是死的,另一个人过一会儿过来再看又是活得的情况,也就是说,猫不会一会儿死了,一会儿又活着。猫的生死在你我他心中发生的时间也是相同的,我们早就已经约定好了猫什么时候生死,这样在时间上才能保证不乱套。
猫是这样,世界也是这样,什么时间波函数发生什么样的坍缩也是约定好的,这样万事万物才有连贯性,才能作为空间在统一的时间上达成一致,发生交流。据个例子,今天你看见一座山,明天别人再来看,不管他以前见没见过,再看也不会变成水,因为我们所有人早就在心中约定好了这段时间内这里的波函数坍缩为山。就算沧海桑田,移山为海,千年后的变化也应该是约定好的。要是时间上没约定,对你而言提前变成海了,对其他人来看还是山,又会导致空间上的悖论再次发生。所以时间和空间是统一的,其实我们早已事事约好了的。
这样就有了定数的道理,我们的大千世界里所有的物体和信息在时间上都早已约定,不约定不能一起交流,不约定不能共同生存。

天人合一
看到一片弥散状态的波函数,这个波函数有可能坍缩为任意一种状态,怎么保证按照大家事先约好的“苹果”状态坍缩呢?
首先我们要记得有约定这回事儿;
其次我们要知道约定好的事物是什么状态,比如颜色、大小、形状等等;
最后我们以最快速度去依样实现波函数的坍缩,成为“苹果”以利于正常交流。

因为这个世界上所有的物质都是等待坍缩波函数,或者说等待极化的混沌,所以我们必须拥有在独立于这个世界之外的,整个宇宙的全套备份或者样板,才能对应翻译坍缩全部真实世界的波函数。所以,客观上要求我们必须都有一套天人合一、人心即是小宇宙的身心对应系统。那么这套内宇宙的样板来自哪里呢?应该来自于这个世界上全体人类的约定,全体的、总的人类智慧。这是所有人类必须具备的先天知识,生来具备,否则无法与世人共存。

结尾
科学宗师论不止,毕生求索为真知。
中华古有先贤智,殊归同途见卓识。

如今爱因斯坦和波尔都已辞世多年,科学巨人们当初思想的光芒仍照耀着整个科学界,人类对客观世界本质的探索还在继续。量子力学的哲学观已经在世界物理学界成为了新的更辉煌的理论大厦,其正确性不容置疑。唯一剩下的工作就是如何建立统一场或者是弦理论把相对论与其进行统一整合。但人类的观念改变需要时间,唯物论、因果论毕竟主导了人类历史几千年,想一蹴而就也不现实。
有趣的是,越是尖端先进的科学,其哲学化就越明显,时间空间的认识也就越接近中国古代圣贤高真们对“道”的阐述。在打败了教廷经院哲学后,这一次,现代科学居然和中国的道家思想站到了统一战线上,殊归同途、并肩而战,也许这就是炎黄子孙蛟龙出海、盛世中华如日东升前的第一缕金光吧。
 
附:  根据量子力学理论,物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况,这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理?奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。  
  “薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况:将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。  
  显然,既死又活的猫是荒谬的。薛定谔想要借此阐述的物理问题是:宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来,旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展,科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。此前,科学家最多使4个离子或5个光子达到“薛定谔猫”态。但如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间,已成为实验物理学的一大挑战。  
  美国国家标准和技术研究所的莱布弗里特等人在最新一期《自然》杂志上称,他们已实现拥有粒子较多而且持续时间最长的“薛定谔猫”态。实验中,研究人员将铍离子每隔若干微米“固定”在电磁场阱中,然后用激光使铍离子冷却到接近绝对零度,并分三步操纵这些离子的运动。为了让尽可能多的粒子在尽可能长的时间里实现“薛定谔猫”态,研究人员一方面提高激光的冷却效率,另一方面使电磁场阱尽可能多地吸收离子振动发出的热量。最终,他们使6个铍离子在50微秒内同时顺时针自旋和逆时针自旋,实现了两种相反量子态的等量叠加纠缠,也就是“薛定谔猫”态。  
  奥地利因斯布鲁克大学的研究人员也在同期《自然》杂志上报告说,他们在8个离子的系统中实现了“薛定谔猫”态,但维持时间稍短。
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