观测行为对量子物理现象的影响: 波函数

观测行为对量子物理现象的影响



0410208 刘钊

0410303 蔡韬

0410282 林魁

(不参加演讲)








让我们先来看一个量子过程，比如那个经典的双缝困境


正如我们已经反复提到的那样，如果我们不去观测电子究竟通过了哪条缝，它就应该同时通过两条缝而产生干涉。此时它的波函数是一个线性叠加，且严格按照薛定谔方程演化。也就是说，|ψ>可以表示为：
a|通过左缝> + b|通过右缝>


如果我们不去干扰这个系统，则其始终会保持在线性叠加的状态.







只有当我们去观测电子的实际行为时，电子才被迫表现为一个粒子，选择某一条狭缝穿过。
拿哥本哈根派的话来说，电子的波函数“坍缩”了，最终我们只剩下|左>或者|右>中的一个态独领风骚。







如何解释R过程的发生，这就是困扰我们的难题


这个过程像是一个奇迹，它完全按照概率随机地发生，也不再可逆，正如你不能让实际已经发生的事情回到许多概率的不确定叠加中去。按照彭罗斯的称呼，我们把这叫做“R过程”，其实就是所谓的坍缩。







哥本哈根派认为“观测者”引发了这一过程，个别极端的则扯上“意识”



对“观测行为”，我们似乎还没有作出合理的解释。一个电子以奇特的分身术穿过双缝，它的波函数自身与自身发生了干涉，在空间中严格地，确定地发展。在这个阶段，因为没有进行观测，说电子在什么地方是没有什么意义的，只有它的概率在空间中展开。
然而在那以后，当我们把一块感光屏放在它面前以测量它的位置的时候，电子突然按照波函数的概率分布而随机地作出了一个选择，并以一个小点的形式出现在了某处。







为什么电子的波函数在一刹那发生了这样的巨变？


在我们观测电子以前，它实际上处在一种叠加态，所有关于位置的可能性叠合在一起，弥漫到整个空间中去。但是，当我们真的去“看”它的时候，电子便无法保持它这样优雅而面面俱到的行为方式了，它被迫作出选择，在无数种可能性中挑选一种，以一个确定的位置出现在我们面前。







波函数这种奇迹般的变化，在哥本哈根派的口中被称之为“坍缩”(collapse)


每当我们试图测量电子的位置，它那原本按照薛定谔方程演变的波函数ψ便立刻按照那个时候的概率分布坍缩(我们记得ψ的平方就是概率)，所有的可能全都在瞬间集中到某一点上。而一个实实在在的电子便大摇大摆地出现在那里，供我们观赏。由此可见，人的意识（观测行为）对于物理现象的呈现也起到了一定扰动作用。







意识无疑在触动波函数中担当了一个重要的角色


对于量子论中的观测问题，维格纳(Eugene Wigner)的意见是：意识无疑在触动波函数中担当了一个重要的角色。
每当我们一观测时，系统的波函数就坍缩了，按概率跳出来一个实际的结果，如果不观测，那它就按照方程严格发展。这是两种迥然不同的过程，后者是连续的，在数学上可逆的，完全确定的，而前者却是一个“坍缩”，它随机，不可逆，至今也不清楚内在的机制究竟是什么。这两种过程是如何转换的？是什么触动了波函数这种剧烈的变化？是“观测”吗？但是，我们这样讲的时候，用的语言是日常的，暧昧的，模棱两可的。我们一直理所当然地用使用“观测”这个词语，却没有给它下一个精确的定义。什么样的行为算是一次“观测”？如果说睁开眼睛看算是一次观测，那么闭上眼睛用手去摸呢？用棍子去捅呢？用仪器记录呢？如果说人可以算是“观测者”，那么猫呢？一台计算机呢？一个盖革计数器又如何？







冯诺伊曼敏锐地指出，我们用于测量目标的那些仪器本身也是由不确定的粒子所组成的，它们自己也拥有自己的波函数。当我们用仪器去“观测”的时候，这只会把仪器本身也卷入到这个模糊叠加态中间去。怎么说呢，假如我们想测量一个电子是通过了左边还是右边的狭缝，我们用一台仪器去测量，并用指针摇摆的方向来报告这一结果。但是，令人哭笑不得的是，因为这台仪器本身也有自己的波函数，如果我们不“观测”这台仪器本身，它的波函数便也陷入一种模糊的叠加态中！诺伊曼的数学模型显示，当仪器测量电子后，电子的波函数坍缩了不假，但左/右的叠加只是被转移到了仪器那里而已。现在是我们的仪器处于指针指向左还是右的叠加状态了！假如我们再用仪器B去测量那台仪器A，好，现在A的波函数又坍缩了，它的状态变成确定，可是B又陷入模糊不定中……总而言之，当我们用仪器去测量仪器，这整个链条的最后一台仪器总是处在不确定状态中，这叫做“无限后退”(infinite regression)。从另一个角度看，假如我们把用于测量的仪器也加入到整个系统中去，这个大系统的波函数从未彻底坍缩过！







可是，我们相当肯定的是，当我们看到了仪器报告的结果后，这个过程就结束了。我们自己不会处于什么荒诞的叠加态中去。当我们的大脑接受到测量的信息后，game over，波函数不再捣乱了。
难道说，人类意识(Consciousness)的参予才是波函数坍缩的原因？只有当电子的随机选择结果被“意识到了”，它才真正地变为现实，从波函数中脱胎而出来到这个世界上。而只要它还没有“被意识到”，波函数便总是留在不确定的状态，只不过从一个地方不断地往最后一个测量仪器那里转移罢了。在诺伊曼看来，波函数可以看作希尔伯特空间中的一个矢量，而“坍缩”则是它在某个方向上的投影。然而是什么造成这种投影呢？难道是我们的自由意识？







维格纳论证说，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变，根据牛顿第三定律，作用与反作用原理，意识也应当能够反过来作用于外部世界。
可问题是，究竟什么才是“意识”？这带来的问题比我们的波函数本身还要多得多，是一个得不偿失的策略。意识是独立于物质的吗？它服从物理定律吗？意识可以存在于低等动物身上吗？可以存在于机器中吗？更多的难题如潮水般地涌来把无助的我们吞没，这滋味并不比困扰于波函数怎样坍缩来得好受多少。
事实上，真正的脑科学家和神经科学家对此往往是不屑一顾或者漠不关心。更多对于意识的讨论往往会使问题走进死角。在这里引入意识这个名词也只是为了表明目前量子物理理论中还存在有主观因素的困扰。







哥本哈根解释


量子论革命的破坏力是相当惊人的。在概率解释，不确定性原理和互补原理这三大核心原理中，前两者摧毁了经典世界的因果性，互补原理和不确定原理又合力捣毁了世界的客观性和实在性。新的量子图景展现出一个前所未有的世界。
首先，不确定性原理限制了我们对微观事物认识的极限，而这个极限也就是具有物理意义的一切。
其次，因为存在着观测者对于被观测物的不可避免的扰动，现在主体和客体世界必须被理解成一个不可分割的整体。







没有一个孤立地存在于客观世界的“事物”(being)，事实上一个纯粹的客观世界是没有的，任何事物都只有结合一个特定的观测手段，才谈得上具体意义。对象所表现出的形态，很大程度上取决于我们的观察方法。对同一个对象来说，这些表现形态可能是互相排斥的，但必须被同时用于这个对象的描述中，也就是互补原理。







传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的


最后，因为我们的观测给事物带来各种原则上不可预测的扰动，量子世界的本质是“随机性”。必须以一种统计性的解释来取而代之，波函数ψ就是一种统计，它的平方代表了粒子在某处出现的概率。当我们说“电子出现在x处”时，我们并不知道这个事件的“原因”是什么，它是一个完全随机的过程，没有因果关系。







附录


涉及到的人物简介及名词
尤金 维格纳(Eugene Wigner)
罗杰.彭罗斯
双缝困境
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不确定关系



电子双缝干涉实验中有这样的结果：电子在未被测量的情况下通过双缝在屏上形成干涉条纹。此时我们不知道电子是通过哪一条缝的，我们可以这样认为：电子具有“分身术”，能同时经过两条缝。这时我们可以类比不确定关系，得出一个假设：电子在形成干涉条纹这个确定的结果之前的过程是不确定的。
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尤金 维格纳(Eugene Wigner)


于1902年11月17日出生于匈牙利布达佩斯。他在一间路德教会中学上学时认识了冯诺伊曼，后者是他的学弟。两人一个更擅长数学，一个更擅长物理，在很长时间里是一个相当互补的组合。维格纳是20世纪最重要的物理学家之一.







尤金 维格纳(Eugene Wigner)


他把群论应用到量子力学中，对原子核模型的建立起到了至关重要的作用。
他和狄拉克、约尔当等人一起成为量子场论的奠基人.他参予了曼哈顿计划，在核反应理论方面有着突出的贡献。1963年，他被授予诺贝尔物理奖金







罗杰.彭罗斯



1931年 罗杰·彭罗斯出生于英国埃塞克斯州的一个医生家庭。他的爸爸是著名的人类遗传学家莱昂内尔·彭罗斯，罗杰·彭罗斯先进入伦敦大学的附属中学，而后进入伦敦大学学院。 他在1957年 被授予剑桥大学博士学位。与他爸爸一起合作，设计出常人难以做出的几何图形。他的设计被荷兰艺术家艾斯丘（1898－1972）（因创立光学幻影而闻名）收入石版画中。







罗杰.彭罗斯


1964年 在美国奥斯丁的德克萨斯大学工作时，罗杰·彭罗斯开始提出一种观点，他在牛津大学工作时，继续发展了这一观点——即磁扭线理论的新的宇宙理论。他用复数公然反对物理学的一些主要定理。 1965年，他的以著名论文《引力坍塌和时空奇点》为代表的一系列论文，和著名数学物理学家斯蒂芬.霍金的工作一起创立了现代宇宙论的数学结构理论。







罗杰.彭罗斯


1966年 任伦敦大学Birkbeck学院应用数学教授。 1972年 被选为伦敦皇家学会会员。 1973年 任牛津大学Rouse Ball数学教授。 1975年 与史蒂芬·霍金一起被授予伦敦皇家天文学会艾丁顿奖。 1985年 被授予伦敦皇家学会皇家奖。 1994年 被伊利莎白二世封为爵士。 1996年 继续在牛津大学研究其磁扭线理论。 1998年出版了《皇帝新脑》一书 2003年彭罗斯到普林斯顿大学讲演，题目是：《在新物理学宇宙里面的时尚、信仰、幻想》。







罗杰.彭罗斯


罗杰.彭罗斯的故事（个人改编）：历史上还原主义的思潮翻涌而至，彭罗斯为了推翻最近代便是有人工智能专家关于电脑最终能代替人脑甚至超过人脑断言，给出了这样的论断：正如皇帝没有穿衣服一样，电脑并没有头脑。用通过图灵机检验来定义电脑是否真的具有智慧是人们的共识。







罗杰.彭罗斯


彭罗斯却不认为能够制造出满意地通过这种检验的机器是近期可以实现的事。他认为，人们的论断真地实现了，我们还是不能确定其是否真的有理解力，用图灵机检验来定义智慧还是远远不够充分的的事实已用西尔勒中文屋子的理想实验强有力地表明。







罗杰.彭罗斯


彭罗斯镶嵌:是除了孟德勒伯洛特集合之外的对柏拉图观念存在性的有力支持。这两个例子的共同性是它们的发现和近代科学的进展基本无关。准晶体的五重对称性是这种镶嵌的三维体现。彭罗斯猜测到，准晶体的生长的神经元的行为既涉及到单引力子判据又涉及到量子引力的非定域性。







罗杰.彭罗斯


彭罗斯对引力物理有过许多重要贡献，他（和霍金一道）证明了广义相对论的奇点的不可避免性，提出了黑洞的捕获面，以及克尔黑洞的能层概念。他发明了研究时空的拓朴结构的主要工具即彭罗斯图。辐射问他对类空、类时和零无穷的阐释使引力辐射的图像更具形象。







罗杰.彭罗斯


他把旋量引进引力物理，使题的研究更新，这就是纽曼――彭罗斯形式，在此框架中他证明了剥皮定理，即向无穷远辐射的引力可按照其衰减方式被分成四个层次（电磁波只有两个层次）。