量子物理 notes

量子派物理学家现在终于逐渐领悟到了事情的真相：我们的结论和我们的观测行为本身大有联系。这就像那匹马是白的还是红的，这个结论和我们用什么样的方法去观察它有关系。有些看官可能还不服气：结论只有一个，亲眼看见的才是唯一的真实。色盲是视力缺陷，眼镜是外部装备，这些怎么能够说是看到“真实”呢？其实没什么分别，它们不外乎是两种不同的观测方式罢了，我们的论点是，根本不存在所谓“真实”。
　　好吧，现在我视力良好，也不戴任何装置，看到马是白色的。那么，它当真是白色的吗？其实我说这话前，已经隐含了一个前提：“用人类正常的肉眼，在普通光线下看来，马呈现出白色。”再技术化一点，人眼只能感受可见光，波长在400-760纳米左右，这些频段的光混合在一起才形成我们印象中的白色。所以我们论断的前提就是，在400-760纳米的光谱区感受马，它是白色的。
　　许多昆虫，比如蜜蜂，它的复眼所感受的光谱是大大不同的。蜜蜂看不见波长比黄光还长的光，却对紫外线很敏感。在它看来，这匹马大概是一种蓝紫色，甚至它可能绘声绘色地向你描绘一种难以想象的“紫外色”。现在你和蜜蜂吵起来了，你坚持这马是白色的，而蜜蜂一口咬定是蓝紫色。你和蜜蜂谁对谁错呢？其实都对。那么，马怎么可能又是白色又是紫色呢？其实是你们的观测手段不同罢了。对于蜜蜂来说，它也是“亲眼”见到，人并不比蜜蜂拥有更多的正确性，离“真相”更近一点。话说回来，色盲只是对于某些频段的光有盲点，眼镜只不过加上一个滤镜而已，本质上也是一样的，也没理由说它们看到的就是“虚假”。
　　事实上，没有什么“客观真相”。讨论马本质上“到底是什么颜色”，正如我们已经指出过的，是很无聊的行为。根本不存在一个绝对的所谓“本色”，除非你先定义观测的方式。
　　玻尔也好，海森堡也好，现在终于都明白：谈论任何物理量都是没有意义的，除非你首先描述你测量这个物理量的方式。一个电子的动量是什么？我不知道，一个电子没有什么绝对的动量，不过假如你告诉我你打算怎么去测量，我倒可以告诉你测量结果会是什么。根据测量方式的不同，这个动量可以从十分精确一直到万分模糊，这些结果都是可能的，也都是正确的。一个电子的动量，只有当你测量时，才有意义。假如这不好理解，想象有人在纸上画了两横夹一竖，问你这是什么字。嗯，这是一个“工”字，但也可能是横过来的“H”，在他没告诉你怎么看之前，这个问题是没有定论的。现在，你被告知：“这个图案的看法应该是横过来看。”这下我们明确了：这是一个大写字母H。只有观测手段明确之后，答案才有意义。
　　测量！在经典理论中，这不是一个被考虑的问题。测量一块石头的重量，我用天平，用弹簧秤，用磅秤，或者用电子秤来做，理论上是没有什么区别的。在经典理论看来，石头是处在一个绝对的，客观的外部世界中，而我--观测者--对这个世界是没有影响的，至少，这种影响是微小得可以忽略不计的。你测得的数据是多少，石头的“客观重量”就是多少。但量子世界就不同了，我们已经看到，我们测量的对象都是如此微小，以致我们的介入对其产生了致命的干预。我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性，从原则上都无法克服。采取不同的手段，往往会得到不同的答案，它们随着不确定性原理摇摇摆摆，你根本不能说有一个客观确定的答案在那里。在量子论中没有外部世界和我之分，我们和客观世界天人合一，融和成为一体，我们和观测物互相影响，使得测量行为成为一种难以把握的手段。在量子世界，一个电子并没有什么“客观动量”，我们能谈论的，只有它的“测量动量”，而这又和我们的测量手段密切相关。




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，它是如此奇特，难以想象，和人们的日常生活格格不入，甚至违背我们的理性本身。但是，它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。这种主流解释被称为量子论的“哥本哈根”解释，它是以玻尔为首的一帮科学家作出的，他们大多数曾在哥本哈根工作过，许


多是量子论本身的创立者。
哥本哈根解释的基本内容，全都围绕着三大核心原理而展开。我们在前面已经说到，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。
　　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”。传统观念中的严格因果关系在量子世界是不存在的，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。


有些人可能觉得非常糟糕：又是不确定又是没有因果关系，这个世界不是乱套了吗？物理学家既然什么都不知道，那他们还好意思呆在大学里领薪水，或者在电视节目上欺世盗名？然而事情并没有想象的那么坏，虽然我们对单个电子的行为只能预测其概率，但我们都知道，当样本数量变得非常非常大时，概率论就很有用了。我们没法知道一个电子在屏幕上出现在什么位置，但我们很有把握，当数以万亿记的电子穿过双缝，它们会形成干涉图案。这就好比保险公司没法预测一个客户会在什么时候死去，但它对一个城市的总体死亡率是清楚的，所以保险公司一定是赚钱的！
　　传统的电视或者电脑屏幕，它后面都有一把电子枪，不断地逐行把电子打到屏幕上形成画面。对于单个电子来说，我并不知道它将出现在屏幕上的哪个点，只有概率而已。不过大量电子叠在一起，组成稳定的画面是确定无疑的。看，就算本质是随机性，但科学家仍然能够造出一些有用的东西。如果你家电视画面老是有雪花，不要怀疑到量子论头上来，先去检查一下天线。



在论文的第5节，薛定谔描述了那个常被视为恶梦的猫实验。好，哥本哈根派说，没有测量之前，一个粒子的状态模糊不清，处于各种可能性的混合叠加，是吧？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，只有确实地测量了，它才随机选择一种状态而出现。
　　好得很，那么让我们把这个原子放在一个不透明的箱子中让它保持这种叠加状态。现在薛定谔想象了一种结构巧妙的精密装置，每当原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串连锁反应，最终结果是打破箱子里的一个毒气瓶，而同时在箱子里的还有一只可怜的猫。事情很明显：如果原子衰变了，那么毒气瓶就被打破，猫就被毒死。要是原子没有衰变，那么猫就好好地活着。
　　自然的推论：当它们都被锁在箱子里时，因为我们没有观察，所以那个原子处在衰变/不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定，所以猫的状态也不确定，只有当我们打开箱子察看，事情才最终定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么它活蹦乱跳地“喵呜”直叫。问题是，当我们没有打开箱子之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是，它和我们的原子一样处在叠加态，这只猫当时陷于一种死/活的混合。
　　现在就不光光是原子是否幽灵的问题了，现在猫也变成了幽灵。一只猫同时又是死的又是活的？它处在不死不活的叠加态？这未免和常识太过冲突，同时在生物学角度来讲也是奇谈怪论。如果打开箱子出来一只活猫，那么要是它能说话，它会不会描述那种死/活叠加的奇异感受？恐怕不太可能。
　　薛定谔的实验把量子效应放大到了我们的日常世界，现在量子的奇特性质牵涉到我们的日常生活了，牵涉到我们心爱的宠物猫究竟是死还是活的问题。这个实验虽然简单，却比EPR要辛辣许多，这一次扎得哥本哈根派够疼的。他们不得不退一步以咽下这杯苦酒：是的，当我们没有观察的时候，那只猫的确是又死又活的。
　　不仅仅是猫，一切的一切，当我们不去观察的时候，都是处在不确定的叠加状态的，因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子组成，所以一切都不能免俗。量子派后来有一个被哄传得很广的论调说：“当我们不观察时，月亮是不存在的”。这稍稍偏离了本意，准确来说，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。
　　不能不承认，这听起来很有强烈的主观唯心论的味道。虽然它其实和我们通常理解的那种哲学理论有一定区别，不过讲到这里，许多人大概都会自然而然地想起贝克莱(George Berkeley)主教的那句名言：“存在就是被感知”(拉丁文：Esse Est Percipi)。这句话要是稍微改一改讲成“存在就是被测量”，那就和哥本哈根派的意思差不离了。贝克莱在哲学史上的地位无疑是重要的，但人们通常乐于批判他，我们的哥本哈根派是否比他走得更远呢？好歹贝克莱还认为事物是连续客观地存在的，因为总有“上帝”在不停地看着一切。而量子论？“陛下，我不需要上帝这个假设”。
　　与贝克莱互相辉映的东方代表大概要算王阳明。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……”如果王阳明懂量子论，他多半会说：“你未观测此花时，此花并未实在地存在，按波函数而归于寂；你来观测此花时，则此花波函数发生坍缩，它的颜色一时变成明白的实在……”测量即是理，测量外无理。

意识使波函数坍缩？可什么才是意识呢？这是被哲学家讨论得最多的问题之一，但在科学界的反应却相对冷淡。在心理学界，以沃森(John B.Watson)和斯金纳(B.F.Skinner)等人所代表的行为主义学派通常乐于把精神事件分解为刺激和反应来研究，而忽略无法用实验确证的“意识”本身。的确，甚至给“意识”下一个准确的定义都是困难的，它产生于何处，具体活动于哪个部分，如何作用于我们的身体都还是未知之谜。人们一般能够达成共识的是，并非大脑的所有活动都是“意识”，事实上大脑的许多活动是我们本身意识不到的，我们


通常只注意到它的输出结果，而并不参控它运行的整个过程。当我的耳边响起《第九交响曲》时，我的眼前突然不由浮现出我在中学时代的童年时光，但我自己一点都不知道我的大脑是如何具体地一步步完成了这个过程，这是在我的“下意识”中完成的！有时候我甚至会奇怪：我为什么会这样想呢？另外，许多人也承认，“意识”似乎与我们的“注意”密切相关，它同时还要求一定的记忆能力来完成前后连贯的动作。




===========================================　------我们都知道，普通的物质是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是两滴水，而不会一起消失。但是波动就不同了，一列普通的波，它有着波的高峰和波的谷底，如果两列波相遇，当它们正好都处在高峰时，那么叠加起来的这个波就会达到两倍的峰值，如果都处在低谷时，叠加的结果就会是两倍深的谷底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的谷底呢？
　　答案是它们会互相抵消。如果两列波在这样的情况下相遇(物理上叫做“反相”)，那么在它们重叠的地方，将会波平如镜，既没有高峰，也没有谷底。这就像一个人把你往左边拉，另一个人用相同的力气把你往右边拉，结果是你会站在原地不动。


托马斯?杨在研究牛顿环的明暗条纹的时候，被这个关于波动的想法给深深打动了。为什么会形成一明一暗的条纹呢？一个思想渐渐地在杨的脑海里成型：用波来解释不是很简单吗？明亮的地方，那是因为两道光正好是“同相”的，它们的波峰和波谷正好相互增强，结果造成了两倍光亮的效果(就好像有两个人同时在左边或者右边拉你)；而黑暗的那些条纹，则一定是两道光处于“反相”，它们的波峰波谷相对，正好互相抵消了(就好像两个人同时在两边拉你)。这一大胆而富于想象的见解使杨激动不已，他马上着手进行了一系列的实验，并于1801年和1803年分别发表论文报告，阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。
　　在1807年，杨总结出版了他的《自然哲学讲义》，里面综合整理了他在光学方面的工作，并在里面第一次描述了他那个名扬四海的实验：光的双缝干涉。后来的历史证明，这个实验完全可以跻身于物理学史上最经典的前五个实验之列，而在今天，它已经出现在每一本中学物理的教科书上。
　　杨的实验手段极其简单：把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面，这样就形成了一个点光源(从一个点发出的光源)。现在在纸后面再放一张纸，不同的是第二张纸上开了两道平行的狭缝。从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上，就会形成一系列明、暗交替的条纹，这就是现在众人皆知的干涉条纹。
　　杨的著作点燃了革命的导火索，物理史上的“第二次微波战争”开始了。波动方面军在经过了百年的沉寂之后，终于又回到了历史舞台上来。但是它当时的日子并不是好过的，在微粒大军仍然一统天下的年代，波动的士兵们衣衫褴褛，缺少后援，只能靠游击战来引起人们对它的注意。杨的论文开始受尽了权威们的嘲笑和讽刺，被攻击为“荒唐”和“不合逻辑”，在近20年间竟然无人问津。杨为了反驳专门撰写了论文，但是却无处发表，只好印成小册子，但是据说发行后“只卖出了一本”。
　　不过，虽然高傲的微粒仍然沉醉在牛顿时代的光荣之中，一开始并不把起义的波动叛乱分子放在眼睛里。但他们很快就发现，这些反叛者虽然人数不怎么多，服装并不那么整齐，但是他们的武器却今非昔比。在受到了几次沉重的打击后，干涉条纹这门波动大炮的杀伤力终于惊动整个微粒军团。这个简单巧妙的实验所揭示出来的现象证据确凿，几乎无法反驳。无论微粒怎么样努力，也无法躲开对手的无情轰炸：它就是难以说明两道光叠加在一起怎么会反而造成黑暗。而波动的理由却是简单而直接的：两个小孔距离屏幕上某点的距离会有所不同。当这个距离是波长的整数值时，两列光波正好互相加强，就形成亮点。反之，当距离差刚好造成半个波长的相位差时，两列波就正好互相抵消，造成暗点。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。


经典物理

经典物理学和经典时空观

因为所知道的一切物理现象，几乎都可以从现成的理论里得到解释。力、热、光、电、磁……一切的一切，都在控制之中，而且用的是同一种手法。物理学家们开始相信，这个世界所有的基本原理都已经被发现了，物理学已经尽善尽美，它走到了自己的极限和尽头，再也不可能有任何突破性的进展了。如果说还有什么要做的事情，那就是做一些细节上的修正和补充，更加精确地测量一些常数值罢了。人们开始倾向于认为：物理学已经终结，所有的问题都可以用这个集大成的体系来解决，而不会再有任何真正激动人心的发现了。一位著名的科学家(据说就是伟大的开尔文勋爵)说：“物理学的未来，将只有在小数点第六位后面去寻找”。普朗克的导师甚至劝他不要再浪费时间去研究这个已经高度成熟的体系。

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物体的内在规律--和物体本身性质无关的绝对规律--代表了某种客观的永恒不变的东西。它独立于人和物质世界而存在，不受外部世界的影响，是科学追求的最崇高的目标。普朗克的这种偏爱正是经典物理学的一种传统和风格，对绝对严格规律的一种崇尚。

必须假定，能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”
　　在了解它的具体意义之前，不妨先了解一个事实：正是这个假定，推翻了自牛顿以来200多年，曾经被认为是坚固不可摧毁的经典世界。这个假定以及它所衍生出的意义，彻底改变了自古以来人们对世界的最根本的认识。极盛一时的帝国，在这句话面前轰然土崩瓦解，倒坍之快之彻底，就像爱伦?坡笔下厄舍家那间不祥的庄园。
　　好，回到我们的故事中来。能量不是连续不断的，这有什么了不起呢？
　　很了不起。因为它和有史以来一切物理学家的观念截然相反(可能某些伪科学家除外，呵呵)。自从伽利略和牛顿用数学规则驯服了大自然之后，一切自然的过程就都被当成是连续不间断的。如果你的中学物理老师告诉你，一辆小车沿直线从A点行驶到B点，却不经过两点中间的C点，你一定会觉得不可思议，甚至开始怀疑该教师是不是和校长有什么裙带关系。自然的连续性是如此地不容置疑，以致几乎很少有人会去怀疑这一点。当预报说气温将从20度上升到30度，你会毫不犹豫地判定，在这个过程中间气温将在某个时刻到达25度，到达28度，到达29又1/2度，到达29又3/4度，到达29又9/10度……总之，一切在20度到30度之间的值，无论有理的还是无理的，只要它在那段区间内，气温肯定会在某个时刻，精确地等于那个值。
　　对于能量来说，也是这样。当我们说，这个化学反应总共释放出了100焦耳的能量的时候，我们每个人都会潜意识地推断出，在反应期间，曾经有某个时刻，总体系释放的能量等于50焦耳，等于32.233焦耳，等于3.14159……焦耳。总之，能量的释放是连续的，它总可以在某个时刻达到范围内的任何可能的值。这个观念是如此直接地植入我们的内心深处，显得天经地义一般。
　　这种连续性，平滑性的假设，是微积分的根本基础。牛顿、麦克斯韦那庞大的体系，便建筑在这个地基之上，度过了百年的风雨。当物理遇到困难的时候，人们纵有怀疑的目光，也最多盯着那巍巍大厦，追问它是不是在建筑结构上有问题，却从未有丝毫怀疑它脚下的土地是否坚实。而现在，普朗克的假设引发了一场大地震，物理学所赖以建立的根本基础开始动摇了。
　　普朗克的方程倔强地要求，能量必须只有有限个可能态，它不能是无限连续的。在发射的时候，它必须分成有限的一份份，必须有个最小的单位。这就像一个吝啬鬼无比心痛地付帐，虽然他尽可能地试图一次少付点钱，但无论如何，他每次最少也得付上1个penny，因为没有比这个更加小的单位了。这个付钱的过程，就是一个不连续的过程。我们无法找到任何时刻，使得付帐者正好处于付了1.00001元这个状态，因为最小的单位就是0.01元，付的帐只能这样“一份一份”地发出。我们可以找到他付了1元的时候，也可以找到他付了1.01元的时候，但在这两个状态中间，不存在别的状态，虽然从理论上说，1元和1.01元之间，还存在着无限多个数字。
　　普朗克发现，能量的传输也必须遵照这种货币式的方法，一次至少要传输一个确定的量，而不可以无限地细分下去。能量的传输，也必须有一个最小的基本单位。能量只能以这个单位为基础一份份地发出，而不能出现半个单位或者四分之一单位这种情况。在两个单位之间，是能量的禁区，我们永远也不会发现，能量的计量会出现小数点以后的数字。




　为了找出N个振子具有总能量Un的可能性，我们必须假设Un是不可连续分割的，它只能是一些相同部件的有限总和……
　　(die Wahrscheinlichkeit zu finden, dass die N Resonatoren ingesamt Schwingungsenergie Un besitzen, Un nicht als eine unbeschr?nkt teilbare, sondern al seine ganzen Zahl von endlichen gleichen Teilen aufzufassen…)
　　这个基本部件，普朗克把它称作“能量子”(Energieelement)，但随后很快，在另一篇论文里，他就改称为“量子”(Elementarquantum)，英语就是quantum。这个字来自拉丁文quantus，本来的意思就是“多少”，“量”。量子就是能量的最小单位，就是能量里的一美分。一切能量的传输，都只能以这个量为单位来进行，它可以传输一个量子，两个量子，任意整数个量子，但却不能传输1又1/2个量子，那个状态是不允许的，就像你不能用现钱支付1又1/2美分一样。








1905年3月18日，爱因斯坦在《物理学纪事》(Annalen der Physik)杂志上发表了一篇论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light)，作为1905年一系列奇迹的一个开始。这篇文章是爱因斯坦有生以来发表的第六篇正式论文(第一篇是1901年发表的关于毛细现象的东东，用他自己的话来说，“毫无价值”)，而这篇论文将给他带来一个诺贝尔奖，也开创了属于量子论的一个新时代。
　　爱因斯坦是从普朗克的量子假设那里出发的。大家都还记得，普朗克假设，黑体在吸收和发射能量的时候，不是连续的，而是要分成“一份一份”，有一个基本的能量单位在那里。这个单位，他就称作“量子”，其大小则由普朗克常数h来描述。如果我们从普朗克的方程出发，我们很容易推导一个特定辐射频率的“量子”究竟包含了多少能量，最后的公式是简单明了的：
　　E = hν
　　其中E是能量，h是普朗克常数，ν是频率。哪怕小学生也可以利用这个简单的公式来做一些计算。比如对于频率为10的15次方的辐射，对应的量子能量是多少呢？那么就简单地把10^15乘以h＝6.6×10^-34，算出结果等于6.6×10^19焦耳。这个数值很小，所以我们平时都不会觉察到非连续性的存在。
　　爱因斯坦阅读了普朗克的那些早已被大部分权威和他本人冷落到角落里去的论文，量子化的思想深深地打动了他。凭着一种深刻的直觉，他感到，对于光来说，量子化也是一种必然的选择。虽然有天神一般的麦克斯韦理论高高在上，但爱因斯坦叛逆一切，并没有为之而止步不前。相反，他倒是认为麦氏的理论只能对于一种平均情况有效，而对于瞬间能量的发射、吸收等等问题，麦克斯韦是和实验相矛盾的。从光电效应中已经可以看出端倪来。
　　让我们再重温一下光电效应和电磁理论的不协调之处：
　　电磁理论认为，光作为一种波动，它的强度代表了它的能量，增强光的强度应该能够打击出更高能量的电子。但实验表明，增加光的强度只能打击出更多数量的电子，而不能增加电子的能量。要打击出更高能量的电子，则必须提高照射光线的频率。
　　提高频率，提高频率。爱因斯坦突然灵光一闪，E = hν，提高频率，不正是提高单个量子的能量吗？更高能量的量子能够打击出更高能量的电子，而提高光的强度，只是增加量子的数量罢了，所以相应的结果是打击出更多数量的电子。一切在突然之间，显得顺理成章起来。
　　爱因斯坦写道：“……根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中的传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的，局限于空间中某个地点的“能量子”(energy quanta)所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射。”
　　组成光的能量的这种最小的基本单位，爱因斯坦后来把它们叫做“光量子”(light quanta)。一直到了1926年，美国物理学家刘易斯(G.N.Lewis)才把它换成了今天常用的名词，叫做“光子”(photon)。
　　从光量子的角度出发，一切变得非常简明易懂了。频率更高的光线，比如紫外光，它的单个量子要比频率低的光线含有更高的能量(E = hν)，因此当它的量子作用到金属表面的时候，就能够激发出拥有更多动能的电子来。而量子的能量和光线的强度没有关系，强光只不过包含了更多数量的光量子而已，所以能够激发出更多数量的电子来。但是对于低频光来说，它的每一个量子都不足以激发出电子，那么，含有再多的光量子也无济于事。
　　我们把光电效应想象成一场有着高昂入场费的拍卖。每个量子是一个顾客，它所携带的能量相当于一个人拥有的资金。要进入拍卖现场，每个人必须先缴纳一定数量的入场费，而在会场内，一个人只能买一件物品。
　　一个光量子打击到金属表面的时候，如果它带的钱足够(能量足够高)，它便有资格进入拍卖现场(能够打击出电子来)。至于它能够买到多好的物品(激发出多高能量的电子)，那要取决于它付了入场费后还剩下多少钱(剩余多少能量)。频率越高，代表了一个人的钱越多，像紫外线这样的大款，可以在轻易付清入场费后还买的起非常贵的货物，而频率低一点的光线就没那么阔绰了。
　　但是，一个人有多少资金，这和一个“代表团”能够买到多少物品是没有关系的。能够买到多少数量的东西，这只和“代表团”的人数有关系(光的强度)，而和每一个人有多少钱(光的频率)没关系。如果我有一个500人的代表团，每个人都有足够的钱入场，那么我就能买到500样货品回来，而你一个人再有钱，你也只能买一样东西(因为一个人只能买一样物品，规矩就是这样的)。至于买到的东西有多好，那是另一回事情。话又说回来，假如你一个代表团里每个人的钱太少，以致付不起入场费，那哪怕你人数再多，也是一样东西都买不到的，因为规矩是你只能以个人的身份入场，没有连续性和积累性，大家的钱不能凑在一起用。
　　爱因斯坦推导出的方程和我们的拍卖是一个意思：
　　1/2 mv^2 = hν- P
　　1/2 mv^2是激发出电子的最大动能，也就是我们说的，能买到“多好”的货物。hν是单个量子的能量，也就是你总共有多少钱。P是激发出电子所需要的最小能量，也就是“入场费”。所以这个方程告诉我们的其实很简单：你能买到多好的货物取决于你的总资金减掉入场费用。

在玻尔体系内部，也已经蕴藏了随机性和确定性的矛盾。就玻尔理论而言，如何判断一个电子在何时何地发生自动跃迁是不可能的，它更像是一个随机的过程。1919年，应普朗克的邀请，玻尔访问了战后的柏林。在那里，普朗克和爱因斯坦热情地接待了他，量子力学的三大巨头就几个物理问题展开了讨论。玻尔认为，电子在轨道间的跃迁似乎是不可预测的，是一个自发的随机过程，至少从理论上说没办法算出一个电子具体的跃迁条件。爱因斯坦大摇其头，认为任何物理过程都是确定和可预测的。这已经埋下了两人日后那场旷日持久争论的种子。



德布罗意身上。他一直在思考一个问题，就是如何能够在玻尔的原子模型里面自然地引进一个周期的概念，以符合观测到的现实。原本，这个条件是强加在电子上面的量子化模式，电子在玻尔的硬性规定下，虽然乖乖听话，总有点不那么心甘情愿的感觉。德布罗意想，是时候把电子解放出来，让它们自己做主了。
　　如何赋予电子一个基本的性质，让它们自觉地表现出种种周期和量子化现象呢？德布罗意想到了爱因斯坦和他的相对论。他开始这样地推论：根据爱因斯坦那著名的方程，如果电子有质量m，那么它一定有一个内禀的能量E = mc^2。好，让我们再次回忆那个我说过很有用的量子基本方程，E = hν，也就是说，对应这个能量，电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算很简单，因为mc^2 = E = hν，所以ν= mc^2/h。
　　好。电子有一个内在频率。那么频率是什么呢？它是某种振动的周期。那么我们又得出结论，电子内部有某些东西在振动。是什么东西在振动呢？德布罗意借助相对论，开始了他的运算，结果发现……当电子以速度v0前进时，必定伴随着一个速度为c^2/v0的波……
　　噢，你没有听错。电子在前进时，总是伴随着一个波。细心的读者可能要发出疑问，因为他们发现这个波的速度c^2/v0将比光速还快上许多，但是这不是一个问题。德布罗意证明，这种波不能携带实际的能量和信息，因此并不违反相对论。爱因斯坦只是说，没有一种能量信号的传递能超过光速，对德布罗意的波，他是睁一只眼闭一只眼的。
“波，只有波才是唯一的实在。”薛定谔肯定地说，“不管是电子也好，光子也好，或者任何粒子也好，都只是波动表面的泡沫。它们本质上都是波，都可以用波动方程来表达基本的运动方式。”
　　“绝对不敢苟同。”海森堡反驳道，“物理世界的基本现象是离散性，或者说不连续性。大量的实验事实证明了这一点：从原子的光谱，到康普顿的实验，从光电现象，到原子中电子在能级间的跳跃，都无可辩驳地显示出大自然是不连续的。你那波动方程当然在数学上是一个可喜的成就，但我们必须认识到，我们不能按照传统的那种方式去认识它--它不是那个意思。”

通常我们会以为，先有物理量的定义，然后才谈得上寻找它们的数学关系。比如我们懂得了力F，加速度a和质量m的概念，之后才会理解F=ma的意义。但现代物理学的路子往往可能是相反的，比如物理学家很可能会先定义某个函数F，让F＝ma，然后才去寻找F的物理意义，发现它原来是力的量度。薛定谔的ψ，就是在空间中定义的某种分布函数，只是人们还不知道它的物理意义是什么。



　饭后闲话：决定论
　　可以说决定论的兴衰浓缩了整部自然科学在20世纪的发展史。科学从牛顿和拉普拉斯的时代走来，辉煌的成功使它一时得意忘形，认为它具有预测一切的能力。决定论认为，万物都已经由物理定律所规定下来，连一个细节都不能更改。过去和未来都像已经写好的剧本，宇宙的发展只能严格地按照这个剧本进行，无法跳出这个窠臼。
　　矜持的决定论在20世纪首先遭到了量子论的严重挑战，随后混沌动力学的兴起使它彻底被打垮。现在我们已经知道，即使没有量子论把概率这一基本属性赋予自然界，就牛顿方程本身来说，许多系统也是极不稳定的，任何细小的干扰都能够对系统的发展造成极大的影响，差之毫厘，失之千里。这些干扰从本质上说是不可预测的，因此想凭借牛顿方程来预测整个系统从理论上说也是不可行的。典型的例子是长期的天气预报，大家可能都已经听说过洛伦兹著名的“蝴蝶效应”，哪怕一只蝴蝶轻微地扇动它的翅膀，也能给整个天气系统造成戏剧性的变化。现在的天气预报也已经普遍改用概率性的说法，比如“明天的降水概率是20%”。
　　1986年，著名的流体力学权威，詹姆士?莱特希尔爵士(Sir James Lighthill，他于1969年从狄拉克手里接过剑桥卢卡萨教授的席位，也就是牛顿曾担任过的那个)于皇家学会纪念牛顿《原理》发表300周年的集会上发表了轰动一时的道歉：
　　“现在我们都深深意识到，我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样崇拜，这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话，我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法，但现在我们知道这是错误的。我们以前曾经误导了公众，向他们宣传说满足牛顿运动定律的系统是决定论的，但是这在1960年后已被证明不是真的。我们都愿意在此向公众表示道歉。”
关于光的本性，粒子和波动两种理论是如何从300年前开始不断地交锋，其间兴废存亡有如白云苍狗，沧海桑田。从德布罗意开始，这种本质的矛盾成为物理学的基本问题，而海森堡从不连续性出发创立了他的矩阵力学，薛定谔沿着另一条连续性的道路也发现了他的波动方程。这两种理论虽然被数学证明是同等的，但是其物理意义却引起了广泛的争论，波恩的概率解释更是把数百年来的决定论推上了怀疑的舞台，成为浪尖上的焦点。而另一方面，波动和微粒的战争现在也到了最关键的时候。
　　接下去，物理学中将会发生一些真正奇怪的事情。它将把人们的哲学观改造成一种似是而非的疯狂理念，并把物理学本身变成一个大漩涡。20世纪最著名的争论即将展开，其影响一直延绵到今日。

　　(We are all deeply conscious today that the enthusiasm of our forebears for the marvelous achievements of Newtonian mechanics led them to make generalizations in this area of predictability which, indeed, we may have generally tended to believe before 1960, but which we now recognize were false. We collectively wish to apologize for having misled the general educated public by spreading ideas about the determinism of systems satisfying Newton's laws of motion that, after 1960,were to be proved incorrect.)
　　决定论的垮台是否注定了自由意志的兴起？这在哲学上是很值得探讨的。事实上，在量子论之后，物理学越来越陷于形而上学的争论中。也许形而上学(metaphysics)应该改个名字叫“量子论之后”(metaquantum)。在我们的史话后面，我们会详细地探讨这些问题。
　　Ian Stewart写过一本关于混沌的书，书名也叫《上帝掷骰子吗》。这本书文字优美，很值得一读，当然和我们的史话没什么联系。我用这个名字，一方面是想强调决定论的兴衰是我们史话的中心话题，另外，毕竟爱因斯坦这句名言本来的版权是属于量子论的。



原子还是拼命地保有最后的一点内能不让我们测准它的动量。不管是谁，也无法让原子完全静止下来，传说中的圣斗士也不行--他们无法克服不确定性原理。
　　动量p和位置q，它们真正地是“不共戴天”。只要一个量出现在宇宙中，另一个就神秘地消失。要么，两个都以一种模糊不清的面目出现。海森堡很快又发现了另一对类似的仇敌，它们是能量E和时间t。只要能量E测量得越准确，时刻t就愈加模糊；反过来，时间t测量得愈准确，能量E就开始大规模地起伏不定。而且，它们之间的关系遵守相同的不确定性规则：
　　△E×△t > h/2π

独立而完备地分析选择--量子力学本征态
分类:真理
2007.8.27 16:34 作者：unifytruth | 评论：0 | 阅读：245
物理学强调进行完备的本征态态展开，这相当于完备而独立地研究追求者的各种选择。
态展开的完备性是首先要强调的。所有可能的位置和所有可能的动量都能成为完备的基函数，这相当于研究一名完美消费者的所有欲望和研究他的所有消费是等效的。但是，仅仅有完备性还不够，如果基函数之间不能保持相互独立，研究的难度会大大增加，用矩阵力学的语言就是说，如果各成分之间相互独立就只需要研究对角矩阵（n个元素），否则就要研究所有矩阵元（nXn个元素）。
态的独立性的经济中是很少被注意到的研究条件，但是在物理学中就非常重要。什么是相互独立的态呢？首先要认识到，独立的态只是相对于环境（在经济中就是可能契约环境，在宇宙中就是势场环境）而言，如果在固定环境下，追求者在各态上的比重不会改变，相位也相对不变（这样各个态之间的相互叠加结果也不会改变），就被认为是相互独立的。这些相互独立的态就是该环境下的能量本征态。
改变环境就会改变态的相互独立性，也就是改变本征态集合。例如，一种产品的价格分布如果是中心对称的，消费者会有围绕该产品的一组本征态，但是，如果在一个小的范围内有两种不同产品具有中心对称价格分布，其本征态就会是另一个样子了。中心对称价格分布相当于价格仅仅是该产品消费金额占总消费金额比例的函数，不存在态歧视，完美市场中的价格分布（库仑势）都是这一类型，而完美市场中的本征态也就对应于各种原子轨道。有意思的是，虽然价格分布本身没有歧视，态分布本身却可以有歧视，在库仑势中，除了s态（角动量为零的本征态）以外的波函数都不是中心对称的。
所以，只要环境改变，就要小心本征态的改变。如果环境的变化导致本征态改变了，原来稳定不变的态（必然是原来本征态的某种叠加）就必然要改变。
在量子力学中，本征态之重要性在于很容易计算各种平均值，只要计算出粒子处于各本征态的几率以及各本征态的能量，对能量进行几率加权求和（或者说对几率进行能量加权求和）就是平均能量。如果本征态还有其它的有单一值的量（如库仑势场中的角动量），在量子力学中就称为该量的算符和能量算符对易（可同时测量），不可对易就是不可同时测量（测不准原理）。
一个重要的情况是：能量算符和时间算符总是不可对弈的。如“用‘布里丹之鸟’解释测不准原理”一文所述，这是因为时间方向上固定强度的欲望总是周期性的，特定时间点的欲望总是包含所有周期的。
从平均能量的计算方法可以看出，高能态的占据几率小并不一定意味着对平均能量的贡献小。在经济中，对一个追求者的观察有交易观察法和价值分析法两种，观察一个人做各种交易的机会就是观察他的几率分布，观察他的利润来源就是价值分析法，他的主要利润可能来自于很少从事的一些活动。
在传记文学方面，重视科学家、思想家的日常生活逐渐成为了一种趋势，这就类似于几率观察法。但是，如果不附加价值权重，这种观察往往导致严重的错误。思想的价值可能无限大，所以，即使只有很少的比重处于无限大能级，它对平均能量的贡献也可能很高。况且，思想家的行为容易观察，思想过程却难以捕捉，日常生活类型的传记要容易写得多，但是，这并不意味着这是最好的传记，例如，爱因斯坦的自述就坚决地以思想为主线。


潜意识

辐射能量的不连续性已经是一个不可避免的结果
直觉
意识


意识使波函数坍缩？可什么才是意识呢？这是被哲学家讨论得最多的问题之一，但在科学界的反应却相对冷淡。在心理学界，以沃森(John B.Watson)和斯金纳(B.F.Skinner)等人所代表的行为主义学派通常乐于把精神事件分解为刺激和反应来研究，而忽略无法用实验确证的“意识”本身。的确，甚至给“意识”下一个准确的定义都是困难的，它产生于何处，具体活动于哪个部分，如何作用于我们的身体都还是未知之谜。人们一般能够达成共识的是，并非大脑的所有活动都是“意识”，事实上大脑的许多活动是我们本身意识不到的，我们


通常只注意到它的输出结果，而并不参控它运行的整个过程。当我的耳边响起《第九交响曲》时，我的眼前突然不由浮现出我在中学时代的童年时光，但我自己一点都不知道我的大脑是如何具体地一步步完成了这个过程，这是在我的“下意识”中完成的！有时候我甚至会奇怪：我为什么会这样想呢？另外，许多人也承认，“意识”似乎与我们的“注意”密切相关，它同时还要求一定的记忆能力来完成前后连贯的动作。
　　可以肯定的是，意识不是一种具体的物质实在。没有人在进行脑科手术时在颅骨内发现过任何有形的“意识”的存在。它是不是脑的一部分的作用体现呢？看起来应该如此，但具体哪个部分负责“意识”却是众说纷纭。有人说是大脑，因为大脑才有种种复杂的交流性功能，而掌握身体控制的小脑看起来更像一台自动机器。我们在学习游泳或者骑自行车的时候，一开始总是要战战兢兢，注意身体每个姿势的控制，每个动作前都要想想好。但一旦熟练以后，小脑就接管了身体的运动，把它变成了一种本能般的行为。比如骑惯自行车的人就并不需要时时“意识”到他的每个动作。事实上，我们“意识”的反应是相当迟缓的(有实验报告说有半秒的延迟)，当一位钢琴家进行熟练的演奏时，他往往是“不假思索”，一气呵成，从某种角度来说，这已经不能称作“完全有意识”的行为，就像我们平常说的：“熟极而流，想都不想”。而且值得注意的是，这种后天学习的身体技能往往可以保持很长时间不被遗忘。
　　也有人说，大脑并没有意识，而只是指挥身体的行动。在一个实验中，我们刺激大脑的某个区域使得试验者的右手运动，但试验者本身“并不想”使它运动！那么，当我们“有意识”地想要运动我们的右手时，必定在某处由意识产生了这种欲望，然后通过电信号传达给特定的皮层，最后才导致运动本身。实验者认为中脑和丘脑是这种自由意识所在。但也有别人认为是网状体，或者海马体的。很多人还认为，大脑左半球才可以称得上“有意识”，而右半球则是自动机。
　　这些具体的争论且放在一边不管，我们站高一点来看问题：意识在本质上是什么东西呢？它是不是某种神秘的非物质世界的幽灵，完全脱离我们的身体大脑而存在，只有当它“附体”在我们身上时，我们才会获得这种意识呢？显然绝大多数科学家都不会认同这种说法，一种心照不宣的观点是，意识是一种结构模式，它完全基于物质基础(我们的脑)而存在，但却需要更高一层次的规律去阐释它。这就是所谓的“整体论”(Holism)的解释。
　　什么是意识？这好比问：什么是信息？一个消息是一种信息，但是，它的载体本身并非信息，它所蕴涵的内容才是。我告诉你：“湖人队今天输球了”，这8个字本身并不是信息，它的内容“湖人队输球”才是真正的信息。同样的信息完全可以用另外的载体来表达，比如写一行字告诉你，或者发一个E-Mail给你，或者做一个手势。所以，研究载体本身并不能得出对相关信息有益的结论，就算我把这8个字拆成一笔一划研究个透彻，这也不能帮助我了解“湖人队输球”的意义何在。信息并不存在于每一个字中，而存在于这8个字的组合中，对于它的描述需要用到比单个字更高一层次的语言和规律。
　　什么是贝多芬的《第九交响曲》？它无非是一串音符的组合。但音符本身并不是交响曲，如果我们想描述这首伟大作品，我们要涉及的是音符的“组合模式”！什么是海明威的《老人与海》？它无非是一串字母的组合。但字母本身也不是小说，它们的“组合模式”才是！为了更好地理解字母不是小说，组合模式才是小说的概念，我们假设用最简单的编码方法来加密《老人与海》这部作品，也就是对于每一个字母用相应的符号来替换。比如说A换成圆圈，B换成方块，C换成三角……等等。现在我们手上有一本充满了古怪符号的书，我问你：这还是《老人与海》吗？大部分人应该承认：还是。因为原书的信息并没有任何的损失，它的“组合模式”仍然原封不动地保留在那里，只不过在基础层面上换了一种表达方式罢了，它完全可以再反编译回来。这本密码版《老人与海》完全等价于原本《老人与海》！
　　回到我们的问题上来：什么是意识？意识是组成脑的原子群的一种“组合模式”！我们脑的物质基础和一块石头没什么不同，是由同样的碳原子、氢原子、氧原子……组成的。构成我们脑的电子和构成一块石头的电子完全相同，就算把它们相互调换，也不会造成我们的脑袋变成一块石头的奇观。我们的意识，完全建筑在我们脑袋的结构模式之上！只要一堆原子按照特定的方式排列起来，它就可以构成我们的意识，就像只要一堆字母按照特定的方式排列起来，就可以构成《老人与海》一样。这里并不需要某个非物质的“灵魂”来附体，就如你不会相信，只有当“海明威之魂”附在一堆字母上才会使它变成《老人与海》一样。单个脑细胞显然不能意识到任何东西，但是许多脑细胞按照特定的模式组合起来，“意识”就在组合中产生了。
　　好，到此为止，大部分人还是应该对这种相当唯物的说法感到满意的。但只要再往下合理地推论几步，许多人可能就要觉得背上出冷汗了。如果“意识”完全取决于原子的“组合模式”的话，第一个推论就是：它可以被复制。出版社印刷成千上万本的《老人与海》，为什么原子不能被复制呢？假如我们的技术发达到一定程度，可以扫描你身体里每一个原子的位置和状态，并在另一个地方把它们重新组合起来的话，这个新的“人”是不是你呢？他会不会拥有和你一样的“意识”？或者干脆说，他和你是不是同一个人？假如我们承认意识完全基于原子排列模式，我们的回答无疑就是YES！这和“克隆人”是两个概念，克隆人只不过继承了你的基因，而这个“复制人”却拥有你的意识，你的记忆，你的感情，你的一切，他就是你本人！
　　近几年来，在量子通信方面我们有了极大的突破。把一个未知的量子态原封不动地传输到第二者那里已经成为可能，而且事实上已经有许多具体协议的提出。虽然令人欣慰的是，有一个叫做“不可复制定理”(no cloning theorem，1982年Wootters，Zurek和Dieks提出)的原则规定在传输量子态的同时一定会毁掉原来那个原本。换句话说，量子态只能cut paste，不能copy paste，这阻止了两个“你”的出现。但问题是，如果把你“毁掉”，然后在另一个地方“重建”起来，你是否认为这还是“原来的你”？
　　另一个推论就是：“组合模式”本身并非要特定的物质基础才能呈现。我们已经看到，我们完全可以用另一套符号系统去重写《老人与海》，这并不造成实质的差别。一套电影，我可以用胶片记录，也可以用录像带，VCD，LD或者DVD记录。当然有人会提出异议，说压缩实际上造成了信息的损失，VCD版的Matrix已经不是电影版的Matrix，其实这无所谓，我们换个比喻说，一张彩色数字照片可以用RGB来表示色彩，也可以用另一些表达系统比如说CMY，HSI，YUV或者YIQ来表示。再比如，任何序列都可以用一些可逆的压缩手法例如Huffman编码来压缩，字母也可以用摩尔斯电码来替换，歌曲可以用简谱或者五线谱记录，虽然它们看上去很不同，但其中包含的信息却是相同的！假如你有兴趣，用围棋中的白子代表0，黑子代表1，你无疑也可以用铺满整个天安门广场的围棋来拷贝一张VCD，这是完全等价的！
　　那么，只要有某种复杂的系统可以包含我们“意识模式”的主要信息或者与其等价，显然我们应该认为，意识并不一定要依赖于我们这个生物有机体的肉身而存在！假设我们大脑的所有信息都被扫描而存入一台计算机中，这台计算机严格地按照物理定律来计算这些分子对于各种刺激的反应而最终求出相应结果以作出回应，那么从理论上说，这台计算机的行为完全等同于我们自身！我们是不是可以说，这台计算机实际上拥有了我们的“意识”？
　　对于许多实证主义者来说，判定“拥有意识”或者“能思考”的标准便严格地按照这个“模式结构理论”的方法。意识只不过是某种复杂的模式结构，或者说，是在输入和输出之间进行的某种复杂算法。任何系统只要能够模拟这种算法，它就可以被合理地认为拥有意识。和冯?诺伊曼同为现代计算机奠基人的阿兰?图灵(Alan Turin)在1950年提出了判定计算机能否像人那般实际“思考”的标准，也就是著名的“图灵检验”。他设想一台超级计算机和一个人躲藏在幕后回答提问者的问题，而提问者则试图分辨哪个是人哪个是计算机。图灵争辩说，假如计算机伪装得如此巧妙，以致没有人可以在实际上把它和一个真人分辨开来的话，那么我们就可以声称，这台计算机和人一样具备了思考能力，或者说，意识(他的原词是“智慧”)。现代计算机已经可以击败国际象棋大师(可怜的卡斯帕罗夫！)，真正骗倒一个测试者的日子不知还有多久才能来到，大家自己估计一下好了。
　　计算机在复杂到了一定程度之后便可以实际拥有意识，持这种看法的人通常被称为“强人工智能派”。在他们看来，人的大脑本质上也不过是一台异常复杂的计算机，只是它不由晶体管或者集成电路构成，而是生物细胞而已。但细胞也得靠细微的电流工作，就算我们尚不完全清楚其中的机制，也没有理由认为有某种超自然的东西在里面。就像薛定谔在他那本名扬四海的小册子《生命是什么》中所做的比喻一样，一个蒸汽机师在第一次看到电动机时会惊讶地发现这机器和他所了解的热力学机器十分不同，但他会合理地假定这是按照某些他所不了解的原理所运行的，而不会大惊小怪地认为是幽灵驱动了一切。
　　你可能要问，算法复杂到了何种程度才有资格被称为“意识”呢？这的确对我们理解波函数何时坍缩有实际好处！但这很可能又是一个难题，像那个著名的悖论：一粒沙落地不算一个沙堆，两粒沙落地不算一个沙堆，但10万粒沙落地肯定是一个沙堆了。那么，具体到哪一粒沙落地时才形成一个沙堆呢？对这种模糊性的问题科学家通常不屑解答，正如争论猫或者大肠杆菌有没有意识一样，我们对波函数还是一头雾水！
　　当然，也有一些更为极端的看法认为，任何执行了某种算法的系统都可以看成具有某种程度的“意识”！比如指南针，人们会论证说，它“喜欢”指着南方，当把它拨乱后，它就出于“厌恶”而竭力避免这种状态，而回到它所“喜欢”的状态里去。以这种带相当泛神论色彩的观点来看，万事万物都有着“意识”，只是程度的不同罢了。意识，简单来说，就是一个系统的算法，它“喜欢”那些大概率的输出，“讨厌”那些小概率的输出。一个有着趋光性的变形虫也有意识，只不过它“意识”的复杂程度比我们人类要低级好多好多倍罢了。
　　你也许不相信这种说法，但你只要承认“意识”只是在物质基础上的一种排列模式，你便很难否认我们说到的一些奇特性质。甚至连“意识是否可能在死后继续存在”这样的可怕问题，我们的答案也应该是在原则上肯定的！这就好比问，《第九交响曲》在音乐会结束后是不是还继续存在？显然我们只要保留了这个排列信息的资料，我们随时可以用不同的方法把它具体重现出来(任何时候都不缺碳原子、氢原子……)。当然，在我们的技术能力还达不到能够获得全部组合信息并保留它们之前(可能我们永远也没有这个技术)，人死后自然就没有意识了，就像音乐会后烧毁了所有的乐谱一样，这个乐曲自然就此“失传”了。
　　你可能已经看得瞠目结舌，不过我们的说法把意识建立在完全客观和唯物的基础上，它实在已经是最不故作神秘的一种！意识不是一个独立的存在，而是系统复杂到了一定程度后表现出来的客观性质。它虽然是一种组合机制，但脱离了具体的物质(暂时肉体是唯一可能)它也无法表现出来。就像软件脱离了硬件无法具体运行一样，意识的体现不可能脱离物质而进行。假如我们被迫去寻找一种独立于物质的“意识”的话，那未免走得太远了。
　　当然，对于习惯了二元论的公众来说，试图使他们相信灵魂或者意识只是大量神经原的排列和集体行为是教他们吃惊的。对于彻底的唯物论者，试图使他们相信意识作为一种特定的排列信息可能长期保存并在不同平台上重现也是艰难的任务。心理学家和神经科学家克里克(Francis Crick)不得不把这一论断称为“惊人的假说”(见《惊人的假说：灵魂的科学探索》)。但对于大多数科学家来说，这也许是一种理所当然的推论。当然也有某些人认为意识或者灵魂并非复杂性造就的一个客观的副产品，它并不一定能够用算法来模拟，并的确具有某种主动效应！这里面包括牛津大学的罗杰?彭罗斯(Roger Penrose)，诸位如果有兴趣了解他的观点，可以阅读其著作《皇帝新脑》(The Emperor’s New Mind)。
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全息的相对性与绝对性
李学生
摘要: 文章从唯物辩证法的观点出发根据物理学的现状分析了全息的相对性与绝对性。
关键词：全息、相对性、绝对性、系统论
(一)全息的绝对性
20世纪80年代前后，当乌杰教授将系统哲学与辨证哲学交叉构建系统辨证学的时候，与系统方法认识和处理整体与部分关系相近的，如吴学谋教授的泛系全息、张颖清教授的生物全息、王存臻和严春友教授的宇宙全息等也开始起步。系统辨证论的中心规律---差异协同律揭示得好：任何系统都是差异与协同的整体、同一体。这表达了全息不全的系统辨证规律。然而后三个却强调全息的命题：
1、泛系全息的命题—— 动态系统或广义系统，派生或控制了它的系统与子系统之间、各子系统之间、全过程与子过程之间、历时结构与共时或斜时结构之间、群体进化与个体发育间的缩影、相似、重演和全息等类的模拟关系。任何系统都有这类潜在的或显化的缩影系统间的模拟性。这种规律就叫做泛系全息重演律。它统一地概括了诸如生物重演律、智力发展重演律、生物全息现象、生物全息重演律、历时共时潜似性、认识过程中的泛系观控全息重演律等概念。
2、生物全息的命题—— 生物体的任一相对独立部分的每一位点的化学组成相对于这一部分的其它位点，都和整体上的其所对应部位的化学组成相似程度较大。简言之，生物体每一相对独立的部分的化学组成模式与整体相同，是整体的成比例的缩小。提出者声称：不管是动物还是植物，不管是海星还是大象，不管是水母还是长颈鹿，都有着这样的统一性，即生物体存在每一相对独立的部分，存在部分与部分相似，部分与整体相似的构成。当以这样的观点观察生物时，那些司空见惯的事实，如叶形、果形、斑马的斑纹、人手指的数目就都被赋予了新的意义，使人感到了巨大的惊异，好象是第一次认识它们似的，如全息照片，任何撕裂的碎片，都具有整体的成像。
3、宇宙全息的命题—— 宇宙是一个统一整体，在这个统一体中，各子系与子系、子系与系统、系统与宇宙之间在空间、时间上存在着泛对应性。在这些泛对应关系中，凡对应部位较之非对应部位在物质组成、重演程度、感应程度、对应程度、脉动频率、经络振荡等物质特性上相似程度较大。这样，在潜信息上，子系包含着系统的全部信息，系统包含着宇宙的全部信息；在显信息上，子系是系统的缩影，系统是宇宙的缩影。这很象一幅全息照片，这一图景展示了宇宙整体的大统一性。
泛系、全息在不到十余年的时间，以交叉出数十门学科的速度普及到半个中国学术界。有人声称，系统论和全息论分别体现了两种相反相成的思路。全息认识论丰富与发展了辨证法的认识论，为部分与整体、有限与无限对立统一的辨证关系提出了全新的实际内容和科学证据。中国科技大学的李志超先生所说的：“全息学迄今主要被看作是一门技术科学，但它的深度和广度应该大大扩展。从信息学角度而言，全息学与思维、生命、宇宙等大科学学科有密切关系。为此，有必要从数理基础上重新整顿全息学体系。”分形几何学的基本思想是：客观事物具有自相似性的层次结构，局部与整体在形态、功能、信息、时间、空间等方面具有统计意义上的相似性，称为自相似性。这与宇宙全息统一论是一致的，利用分形几何学可能研究宇宙全息统一论。Einstein认为："西方科学的发展是以两个发现为基础的，这就是希腊哲学家发明的形式逻辑体系（在Euclid几何学中）以及通过系统的实现发现有可能找到因果关系（在文艺复兴时期）。在我看来，中国的贤哲没有走上这两步，这倒不是令人惊奇的，令人惊奇的倒是这些发现在中国全都做出来了"。这说明中国古典哲学中尚存在着许多重要的问题需要研究。
（二）、全息的相对性
只讲任何部分与整体、部分与部分都相似的这种全息，难免不带预见性、确定性。应该说，这不是系统辨证学能接受的观点。差异协同律不独持全息，因为它认为不论是物质世界还是精神世界，也不论是微观世界还是宏观世界、生命体还非生命体，系统形态都存在着对称与非对称问题。也就是说，全息、全息不全、不全息都是系统的题中之议。事实证明也是这样：有人用无芒的小麦和甜玉米做全息遗传势的定域选种试验，证明无全息胚学说的效应，从而提出全息生物学的复杂性思考，即世界上已发现近190万种生物，要建立一个适合于全部生物界的理论，发现能支配全部生物种类的规律，就不能不充分考虑生物界的千差万别。全息胚并不是继虎克、施来登、施旺发现细胞之后，又揭示出生物还有另外的一种统一的结构单位和功能单位，而是继哥德、居维叶、圣希莱尔之后，把已经搁置起来的生物体普适模式问题的争论，再次挑起来。自然全息说到底，只是一种由此及彼的自然联系与思维联系的印记。
即使从DNA的半保留复制和细胞的有丝分裂，使生物体的胚胎和体细胞保留着与整体相同的一套基因来看，这也还不是全息胚向新整体发育的充分必要条件，而仅是一种必要条件。这里可以借用魔方作类比：旋转魔方可以组织4.325×10的19次方余种图案，但魔方每次只能停留在一种图案状态，而且一段时间的旋转也难穷尽这4.325×10的19次方余种图案；相反它在某些人手里只会反复呈现某些固定的图案。这说明魔方的结构与功能，既保持着一种概率性，又保留着一种待开发性。这是不带预见性和确定性的全息演示。对此，耗散结构理论创立者、诺贝尔奖金得主普利高津还说：时间性可逆过程在现实中是罕见的，不可逆过程却在我们周围频频发生；这一明显的不可逆时间流，赋予物理学一种新的文化内涵：我们生活在一个可确定的概率世界，生命和物质在这个世界里沿时间方向不断演化，确定性本身才是错觉。
对此，也能从中科院生物物理所研究员郭爱克写的泛系全息重演律方程中推证出全息不全。郭爱克研究了麦克莱恩关于三位一体的脑结构和脑进化的脑模式：覆盖脊髓、后脑和中脑上面的另外三层连续堆积及其功能特化的爬虫复合体、边缘系统和新皮质，爬虫复合体负责攻击和性行为；边缘系统控制兴奋、恐惧以及多种人所特有的又往往是难以捉摸的感情。以上都是退化了的爬行动物和哺乳动物的脑子，而人类还有自己的脑子，即新皮质的高度发育阶段，是寓藏想象力、辨别力等高级智能活动的物质基础。之后，他对泛系全息重演律的认识是：一个动态发展的泛系在时空结构上隐含了原泛系及发展历程的复合鸟瞰系统的泛系模型，这种模型只有在一定条件下才产生。即脑的进化模式正是一个泛系与作为环境泛系的两者间的协同和泛适应。这不正如产生激光全息照片，需要两束相干光一样吗？
泛系的这种进化或鸟瞰，实质表明泛系或全息隐含一种时间流或时间箭头。即若S为某一泛系，它有某种分划S=US1 ,并设这里有某种泛系模拟f2:SUS2--S1，这里S2为某种泛系环境。这时S就叫做泛系全息体。而全息不全、泛系不泛是由于f(S2(T,t)US(T,t))。t--T分别表示个体发育和种系进化的时间参量，S(t,t2)对于S(t,t1) 有更多的协同模拟性，这里t2 >t1 。然而在自然界中，可同时或同地，或同时同地存在S(t,t2)与S(t,t1)泛系。也许有人会问，这是两个不同种群的部分，它们当然不能相对应。然而正是这种不同群系的不能相对应，在自然界也能同时同地进入或呈现在一个系统或整体中。这其中的道理，是点线面体文明早就揭示了的。例如一个圆圈的旋转或平动，它可以形成球面或环面，即在一个连续系统中可以同时有球面和环面；而球面和环面又是不同伦的。
其次根据自旋的定义，类圈体的整体三旋是与它的转座子三旋不同伦的，即整体的自旋含有对称和能组织旋转面，部分却不能；这又含有“整体与部分不同伦”的命题，并可分解含有“部分与部分同伦”或“类圈体与类圈体同伦”，以及“部分与部分的相似大于部分与整体的相似”这样的意思。只要你是部分，你就不能全息了解整体。精致地研究“部分与整体相似”的一些情况，可以发现是一些弱相似，或者是一种有很强限制条件的相似。例如要做一个部分与整体完全自相似的分形分维图形，是要选择确定的源多边形和生成线的。而且这种图形只等价于球面与球面的一部分，或平面与平面的一部分相似这种情况。因为不管是在球体整个面上画一个圆，还是在球体局部面上画一个圆，对于约当定理这类情况的了解都是一样。但在环面却不一样，部分面不能代表整体面。
所以，全息论中所谓的“部分与整体相似”的命题，只等价于一个球面命题，也只等价于类圈体上“部分与部分相似”这个命题。并且由于球体为能作线旋，因此凡是表面不能作线旋的圈体，在三旋意义上也只和球体类似（这与暂不作线旋不同，这是指死圈），这是三旋不同于拓扑学的地方。
因此层次、等级、阶段的可比原理，首先是要确定系统是三旋系统还是非三旋系统。如果是三旋系统，部分与整体相似或部分等于整体，只存在于整体的大部分与小部分相较之中，确定论意义也在于此。这样，要想从部分了解整体，最好是用无条件概率计进行检查。这就是确定论与统计论的统一与分离。
（三）、全息的相对性与绝对性原理
同伦概念来自微分几何和拓扑学，而它们正代表了当代的点线面体文明。加上诸如映射、连续函数、流形、群等概念，都能揭示全息不全、泛系不泛的内涵。例如把一个圆圈s'映射到环面（内胎）上有三种情况：g(s')是沿此圈可在环面局部开个小孔；f(s')是沿此圈能把环圈切断变成圆柱筒；h(s')是沿此圈可把环圈剖开变成圆环面。这三种情况在环面上找不到一串圆圈或封闭曲线能使g(s')连续地变形成f(s')或h(s'),反过来也是一样。这说明映射g 、f 、h 是互相不同伦的。类此，把s'映射到某个图形X上，所得到的所有映射按照彼此同伦与否划分成等价类，彼此同伦的算一类。同类的集中在一起时就构成一个群，叫做X的同伦群，记作π1(X)。由于球面上的s'的所有映射都同伦，即π1 只含零元素，所以能用π1 把球面与环面区别开来。由于一个系统中可能同时存在类似球面与环面的子系统，而会引发系统辨证学涉及球面与环面不同伦的问题。
即同伦是一种映射连续函数。用此映射，能连续变换的图形称为同伦，反之则称为不同伦。同伦的称为群，不同伦则可分为不同的群。用此群，能分出球面和环面不能连续映射。流形也是一种图形的连续运动的轨迹。流形与群都有判断分类的问题。这是拓扑学、微分几何中的情况。泛系全息、生物全息、宇宙全息涉及的则不同，因为用此标准，球面和环面可能同时存在一个系统中，用连续映射评断各个子系统，会出现球面与环面的不同伦。而连续映射是相似概念的一个最弱*作。既然如此，球面与环面又是系统的子系统，即证明部分与部分有不相似的；同理也能证明部分与整体有不相似的。即证明在泛系全息、生物全息、宇宙全息系统中，会有全息不全。
可以看出，全息的部分是一个群元素，且仅是一个群元素。全息既然是群，群就有差异，而不是仅由球面构成自然界的所有系统。泛系与全息产生的陷阱，是把球面构成的系统当成了从简单到复杂的所有系统的特征，无视环面一类系统或球面与环面混合一类系统的存在。这是中国传统文化和点线面体文明之间的最大差异。全息由于是同伦群，就有条件限制，如物理全息，要有两束相干光。即使分形的自相似也有标度限定。因此不能把任何部分与部分、部分与整体都是相似的，当作是普遍成立的泛系全息、生物全息、宇宙全息的定律。反之，泛系全息、生物全息、宇宙全息从同伦出发，也有存在。即把其中部分与部分相似的，部分与整体相似的看成一个群，剔出来作为一个同伦群来研究，也非常有意义。
在拓扑学和微分几何中，把一个球面与一个环面相靠粘连起来而不封闭环圈，那么新构成的整体将算作环面，即这个限定为：球面+环面=环面。微分几何的定理与拓扑学的定理是相容的，不能这里是错误，在那里是正确。这被引申为数学无矛盾定理，即正确+错误=错误。这使得各门数学中的定理不能相互矛盾，如在平面几何与非欧几何中有第五公设的矛盾，但作平面和曲面的区分限定为都正确，不作区分限定为错误。也许系统现象中也有：正确+错误=正确+错误，但这也要有限定。例如世界上由于国家不同、制度不同、时期不同，有法律规定的矛盾。但在同一个标准限定的系统内，仍然应该是：正确+错误=错误。这有如对应球面+环面=环面。所谓的点线面体文明，是指人类的实践、思维与知识，对投射基础的数学几何思考的依赖，以避免或走出主观或客观设置的陷阱。人类各个时期的实践、思维与知识不一定要追寻到点线面体常识，也不需要停留在点线面体的研究，这是科学技术的层次性。但奇异的是，即使到了今天，现代物理学的理论和应用都取得了无比的辉煌，但在20世纪末科学家们都还不得不回到两千多年前类似最初对点线面体的区别中去。这可真谓叫清理点线面体文明。例如被誉为物理学的第三次革命的超弦理论，就不再把两千多年实践应用下来的能量点，作为科学基础的出发点，而是重新选定能量环。 环面与球面不同伦，科学也经过数千年的发展，最后才在拓扑学、微分几何、微分流形中建树起这种全域性与局域性区分的观念。但也难向其它学科渗透，三旋是第一个作这种全面推广的尝试。简单地说，环面与球面不同伦，类似家庭中的伦辈现象；家庭中不能以好似同构、同胚、同调看待人，表现在文明的社会要想可持续传代发展，是禁讳乱伦的。环面与球面的区别不是类似曲面与平面的区别，而是对应全域性与局域性的那种区别，其不同伦区别的意义在于也有科学文明的拨乱作用。 现在还没有人能从物理实验上证实物质是无限可分的，因为物质实际是对现存物体作的广延、合理抽象而构成的实体，即物质的基础是我们可以观感到的物体；不可观感的物体，如以太、暗物质之类，仍是从可观感到的物体方面，作的抽象、推理或数学、物理之类的延伸。它们都主要是一种动力学概念，而不是象粒子还包含有几何学概念。例如说，它有一个几何包围面，粒子分子，这个添长着的表面现象仍然去不掉；如果它是球面，我们就可以判定它和环面不同伦。如果它是环面又存在三旋，我们就有法证明它上面的标记出现，是成几率波性的。因此，虽然哲学对物质无限可分这类强调有限无限涉及世界整体的世界观问题，有发言权。但粒子可分是具体的科学问题，粒子不是无限可分说正体现物质无限可分必须引进新的概念的宗旨，其次也体现粒子可分强调科学研究要进行实在的*作。所以从三旋的62种自旋态的实际*作上看，如果前夸克是一种类圈体模型，它就定量地结束了粒子结构单元所处的无限可分的猜测阶段。同时也涉及对实验证伪与逻辑推证的传统科学精神，要用球面与三旋环面不同伦作重新审视，而再放光芒异彩。【1】