这里的意识就是,我们日常说的人类意识,觉得荒谬吗?那就对了。

意识论的量子波函数坍缩解读,有点类似于“我思固我在”的论证,是量子理论中,众多非主流解释的其中之一。

意识论解释

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意识论最早源自计算机之父——美籍匈牙利物理学家冯·诺依曼(John von Neumann)。1932年,诺依曼出版了经典的量子力学教科书《量子力学的数学基础》。在书中,他提出了“波函数坍缩可能源自观察者意识”的观点。

因为量子理论不仅适用于微观粒子,也适用于测量仪器。事实上,所有测量总是经由我们的判断得出一个确定的结果,这意味着只有意识才能最终让波函数产生确定的结果。

这带点唯心主义的观点受到一些人的追捧,并在此基础上发展出了一些新的理论。

1939年,伦敦的和鲍厄进一步阐释了意识论。其大概意思就是观察者拥有的内在认知,才能感知事物的客观确定性,就相当于意识与事物客体发生相互作用,从而使其叠加的波函数坍缩。

这样的解释,在现在看来显然不太靠谱。说实在点,意识是什么?从来就没人能解释清楚,再用意识来解释其他事物,本身就立于了形而上的不败之地,而科学本质上排斥这样的不败之地。

20世纪60年代,维格纳(Eugene Paul Wigner)再次发展了意识论,他认为有意识的生物在量子力学中的作用一定与无生命的测量装备不同,考虑到意识对波函数的特殊作用,量子力学中的线性薛定谔方程必须用非线性的方程来代替。

不过不管怎么用理性的方程去解释意识作用,都掩盖不了意识论带来的主观验证,当然遭到很多人的反对。

热力学不可逆解释

也正由于意识论的兴起,让许多学者无法忍受,纷纷开始寻找其他的解读之道。

1949年,德国物理学家约尔丹(Pascual Jordan)指出波函数坍缩过程不可能是观测者的意识作用,而必定是一个真实的宏观物理过程。

由于在任何测量中,微观粒子最终都会留下宏观尺寸的痕迹,而且一旦确定将无法回头,因此坍缩的本质应该是一种热力学的不可逆过程。

20世纪50年代,路德维希进一步发展的约尔丹的想法。他认为测量仪器是一个处于热力学亚稳定状态的宏观系统,在受到微观系统的扰动时,会向一种热力学稳定态演化,从而导致一个确定的测量结果出现。

也就是说,所谓的波函数坍缩就是一个量子系统从可逆的过程转变为热力学不可逆的过程。海森堡当时也曾对此持同样的观点。

然而这一理论却无法回答所谓的可逆过程在宏观的极限情况下是如何演变成为不可逆过程的?

退相干解释

“相干”指的是相互干涉作用,而“退相干”顾名思义,就是指退出这种相互干涉作用。

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这种理论认为,叠加态就是一种量子处于相互干涉的状态,当被测系统与测量仪器或者外界环境相互作用后,就会发生退相干的过程,转变为一种确定态。

之所以会出现这样的理论,是因为人们认识到所谓的“量子”仅适用于孤立的封闭系统,然而在真实的宇宙中没有任何物体是完全孤立的。

正是由于我们周围的环境造成了退相干效应的存在,所谓的经典性是量子退去相干性的结果。

退相干理论中有一个参数叫做“退相干时间”,也就是体系从量子态演变为经典态所需要的时间。该理论的研究者认为这与研究系统的大小和环境中的粒子数有关。

一个半径为10^-8m的分子在空气中的退相干时间约为10^-30s。如果放到星际空间中,在只能和微波背景辐射作用的环境中,时间则可延长到约3万年。

总之,粒子越大,环境越复杂,退相干时间就越短,甚至能瞬时完成。双缝干涉实验的投影屏就可算是一个导致电子退相干的媒介,所以我们才能瞬时得到电子的落点。

这一理论的优点在于揭示了波函数坍缩是系统与环境作用的结果,而用不着任何仪器测量和人为意识的参与。

但退相干理论也并没有从本质上解决测量问题,它无法告诉我们如何从众多的可能性结果中找到一个特定的结果,换句话说,退相干理论并不能取代波函数坍缩假设(它能概率计算),而顶多是一个扩展解释版本。

自发定域解释

这一理论由三位意大利物理学家:GiancarloGhirardi(上图),Alberto Rimini,Tullio Weber最先提出,所以也称为GRW理论,这套解释仅从语言表述上来看,与退相干理论类似,只是另一套说辞,退相干过程变成了随机过程,而最后的退相干状态改称为了一种“定域态”。

所谓定域,就是确定的领域。

但确定的是一个领域,或者说区域,而不是一个点,也就是说,物质从完全不确定的弥漫状态,转变为了相对精确的定域态。

无论是微观还是宏观,任何系统总是在和环境发生种种交流,然后被各种随机过程所影响。在这些随机的物理过程中产生的任何一点微小的扰动,都会导致系统从一个不确定的叠加态变为在空间中比较精确的定域态。

比较精确并不代表完全精确,如果以相关计算结论来说,即便你瘫在地球上的沙发中,但你的仍然有一部分量子状态弥散在全宇宙中,虽然那超级微乎其微。

自发定域理论,实际上用定域过程代替了坍缩过程,但却引入了一些多余的新物理常数,包括触发定域化的最小距离以及自发定域化的频率,而所有的物理学家都不怎么喜欢增加额外的常数。

多世界解释

当然为了解释波函数坍缩问题,最大胆、最前卫的还属休·埃弗雷特的“多世界诠释”。

可以说埃弗雷特是直接否定了波函数,把它彻底丢掉,以一个无限分裂的宇宙来回答了量子的叠加态。

作为惠勒的学生,费曼的同门,埃弗雷特以一种科幻主义给出了世界最终极的回答。简单来说就是波函数的每一种可能状态都会延续下去,不过这每一种状态都需要一个分裂的宇宙来供他发展,于是就会出现无数个的平行世界。你能看到的随机结果只是在这个世界所能看见的,在另一个世界的你可能就会看见另一种结果。

多世界诠释的物理思考方式实际上与退相干解释的思考方式刚好相反,一个是1变多,一个是多变1。

这种宇宙式的精神分裂被很多人所驳斥,但随着量子力学越来越烧脑,它也吸引了一大帮理论物理学家的鼓吹。

甚至在这套理论中可以获得如神学上的一种永生,称为“量子永生”,因为无论你遭遇任何疾病、意外、你都可以在另一个分裂的平行世界中健康的生活着。

总结

玻恩虽然解释了波函数所代表的物理意义,即波函数只能计算出某个位置找到某个粒子的概率,观察测量也只是预测某一种结果的概率,而不是预测一定会得到什么结果。

但主流的哥本哈根学派却一直无法回答波函数坍缩到底是个什么鬼,只是基于实验现象总结认为,在一次测量与下一次测量之间,除了抽象的概率波函数以外,微观粒子不存在,它只能存在各种状态之中,只有进行了测量才能确定其唯一的状态,而让其他状态概率突变为0。

这样的坍缩甚至是瞬时的,超光速的,所以爱因斯坦一直反对。这样的解读更像是一个数学形式上的,而波函数坍缩到底是怎样的一个物理机制?一直悬而未决,所以才会出现各种版本的解读,然而似乎也都没成功。