波函数（一）

“Solipsism may be logically consistent with present Quantum Mechanics, Monism in the sense of Materialism is not.”

“唯我论或许可以逻辑上能够与量子力学兼容，但是纯粹的唯物主义显然不能。”

- 魏格纳

1956年，也就是伟大的爱因斯坦去世后的第二年，一个尚在攻读博士学位的学生，休.艾弗莱特（Hugh Everett）想到了一个问题：“现在的量子力学中，观察导致波函数坍缩。那么在薛定谔猫实验中，猫的观察到底有没有同样的功能呢？我们没有办法向猫求证这件事，因为猫没有办法告诉我们它的感受，但是如果是一个人呢？”于是，为了回答这个问题，他把薛定谔猫实验给改动了一下：

比如说，还是在薛定谔猫的实验中，为了便于对猫的监控，我们把一个朋友和猫一起关进盒子。当然，为了这个可怜的朋友免于被毒死的厄运，我们可以给他一副防毒面具。我们的朋友向我们保证，他绝不是一个动物保护主义者，在全部的实验过程中，他只在那儿静静地观察，不论猫死还是或，他都会保持冷眼旁观，而不会采取任何对实验的干涉行为。然后，实验开始了。一小时之后，我们知道，盒子里的猫有50%的概率被毒死，50%的概率仍然活着。那么这时候我们发出与薛定谔同样的疑问：在我们打开盒子之前，猫是死的还是活的？

这个答案与原版的薛定谔猫实验有何不同？我们可以看到，唯一的不同就是，盒子里多了一个旁观者，见证了盒子内部的全部过程。那么对我们而言，这不会有任何区别 – 如果我们把我们的朋友看作是一堆符合物理和化学定律的蛋白质、脂肪、无机物的组合的话。那么，本着哥本哈根精神，没有被观察的现实不是现实，那么我们自然认为，猫仍然是处于死和活的叠加态，既死又活。而我们的朋友呢？必然就会处于“看到猫死”和“看到猫活”的精神分裂的叠加态。这就更加不可思议了！对我们的朋友而言，他的观察会使得波函数坍缩，因而早在这之前，猫就已经被坍缩为或死或活的确定态了。我们可以向我们的朋友询问加以求证 – 当然，我们的朋友不会突然地变成了精神分裂的发疯状态，他会告诉我们，他看到的一切确定无疑。那么问题就来了，我们的朋友和我们的理论预言就明显冲突了，到底是谁对谁错？

Everett在提出这个思想实验[1]的时候，名不见经传[2]。因而这个故事并不为人所知。五年之后，著名的物理学家魏格纳重新讲了这个故事，于是它获得了巨大的关注度，因而这个故事就成了“魏格纳的朋友”思想实验，直到现在人们仍然对此不甚清楚，然而当我们翻开尘封的历史，我们会发现那个被大家忽略的小人物 – 当然，Everett在生前一直没有成为理论物理界的大人物，但是现在，他的理论传承却几乎覆盖了量子力学的半壁江山。

说到底，这个思想实验暴露出来的，就是哥本哈根诠释中二元对立的矛盾：决定论的波函数演化和突发的波函数坍缩之间的矛盾。说到底，玻尔他们说从微观系统到我们的观察之间存在着某种量子-经典界线，导致了波函数的坍缩，但是他们也说不清楚这条界线到底划在何处。于是，不同的观察者就对这条界线的位置有了不同的解释，于是矛盾就产生了。

那么，这条量子-经典界线到底应该在何处呢？我们在上一章中曾经提到过，有一个天才人物，冯诺依曼，对此展开了探讨。

冯诺依曼所做的第一件事，就是去触碰那个各奔哈哥学派一直含糊处理的测量过程。他把测量过程当做一个具体的物理过程来进行详尽的分析，而整个分析的起点，就是假设量子力学不但对微观粒子有效，对宏观的测量仪器乃至于观察者同样有效。也就是说，不存在所谓的经典世界和量子世界的边界，它们都是由量子力学描述的。

那么，我们考虑这样一次测量：我们要测量一个粒子的自旋状态。首先，我们有一个自旋1/2的粒子，我们知道，每次测量它都会有两种可能的结果，上旋或下旋。为了测量这个粒子，我们还需要一个测量仪器。我们假设，这个仪器用一个指针来显示测量的结果，如果粒子是上旋，那么它的指针偏向左侧，如果是下旋，那么它的指针偏向右侧。最后，还有一个观察者，我们。我们通过指针的左偏或右偏就可以知道粒子是上旋还是下旋。比如说我们特别喜欢上旋的粒子，看到指针左偏就很高兴；相反我们特别讨厌下旋的粒子，看到指针右偏我们就会特别沮丧。无论是粒子、仪器、还是我们，都由量子力学来描述。那么，粒子、仪器、和我们都可以用量子态来描述。

冯诺依曼说，测量，不外乎是被测量的粒子和测量仪器之间的相互作用。这个假设非常合理，因为只有这种相互作用，才会发生粒子与观察者的因果关系，从而使得粒子的信息得以传递给观察者。

如果我们考虑一个初始状态：粒子处于上旋状态，仪器此时没有读数，我们认为它是就绪状态。此时粒子通过仪器，粒子与仪器的相互作用必然会使得仪器指针会左偏。否则的话，这个仪器就是故障的。同理，如果粒子一开始是下旋状态，那么仪表指针就必然会右偏。

那么对于一个一般情况，一开始粒子处于上旋和下旋的叠加态，我们知道，不可能会出现粒子上旋而指针左偏的情况，也不可能出现粒子下旋而指针右偏的情况。那么，在我们不看这个仪表的时候，量子力学的演化规则就要求，上旋的叠加态导致仪表指针左偏，而下旋的叠加态导致右偏，那么一个叠加了上旋和下旋的例子就必然导致（粒子+仪器）这个系统共同处于一个（粒子上旋，指针左偏）和（粒子下旋，指针右偏）的叠加态。

当仪表和粒子完成了相互作用以后（仪表完成了对粒子的测量），作为观察者的我们开始观察这个仪表。此时，粒子、仪表、我们所组成的组合系统，共同处于（粒子上旋、指针左偏、我们高兴）和（粒子下旋、指针右偏、我们沮丧）的叠加态。

这个过程可以表示如下：整个过程按照量子力学的规则必须如此演化。但是，这个演化的结果却是荒谬的：现实世界中，我们只能得到一种结果，要么是是粒子上旋、指针左偏、我们高兴，要么就是反之。如论如何我们也无法想象两种情况的叠加态是怎么回事。原因很简单，因为我们整个过程中并没有引入任何二元对立的过程，因而量子态就不会自发地切换为与之对立的经典态。

冯诺依曼表示，在这整个过程过程中，不存在所谓的“经典”仪器，一切仪器，包括我们的感官，都是由量子微粒构成的，因此它们全部遵从量子定律。粒子的上旋与下旋的叠加，就必然会把仪器拖入左边和右边的叠加，然后当我们观察时，我们的眼睛就被拖入看到上旋和看到下旋的叠加，进而把我们的视神经拖两种不同方式的激发状态的叠加，这个相互作用一直发生，直至传入到我们的大脑，被大脑诠释：如此种种，所有的中间过程都没有坍缩发生，一切都处于叠加态。但是，我们无法回避的是，无论这个过程的链条有多长，我们的经验告诉我们，最终我们只能看到一个状态。最后终止于我们意识中接收到的，要么粒子上旋、指针左偏、我们高兴，要么粒子下旋、指针右偏、我们沮丧的二者之一的状态。整个链条中间，必定是某一个环节出现了打破量子力学演化规则的事情，使得叠加态“坍缩”成为一个确定的状态。到底是哪里出问题了呢？

冯诺依曼认为，物理定律应该是普适性的，但这种普适性应该仅限于物质世界，也就是说，一切宏观物质都是由量子微粒构成，因此我们必须假定即使是宏观物体，也会遵循量子力学规律，所谓的经典现象，是大量量子微粒在一起显示出来的综合效应，是一种“涌现（emerge）”的现象。我们有理由相信量子力学是普适的，但是我们没有理由相信它对物质以外的现象也是是普适的 – 对于精神和意识，没有任何证据表明它们也满足物理定律。对于意识而言，至今物理学还不敢说对它有一丁点的了解。因此，冯诺依曼断言，一定是意识在作怪。意识是这整个链条中唯一的一个可能不遵守物理规律的因素。所以说，必定是意识导致了波函数的坍缩！意识是存在于物质之外的那个神秘的“观察者”，因而它也就是波函数坍缩的唯一可能的罪魁祸首。

这就更加尴尬了！冯诺依曼对观察做出了明确的分析和回答，他拒绝哥本哈根式的含糊和二元对立，但是这个答案却无可避免地让意识直接决定物质世界了！说到底，从多态叠加的量子态到单一确定的经典态，中间必然要经历某种独立于幺正演化的第二类过程才可能实现，因为幺正演化就其本身的性质而言必然要保持这种叠加态永不消失的。那么这种第二类过程必然意味着一种二元对立，因而如果我们去掉了量子 – 经典对立之后，我们必须需要一个角色来替代它的作用，在冯诺依曼这里，这个角色就变成了物质 – 意识的对立。说到底，冯诺依曼的诠释仍然是某种哥本哈根诠释，它只不过是把原本模糊的二元边界明确地划在了人的意识边界处。

冯诺依曼在这个问题上的最大贡献，是建立了一套具体的测量理论，把玻尔他们含糊处理的观察过程用物理的手段进行了分析，并且这种分析成为后人进行量子力学诠释问题研究的基础，成为了后人得以站在他肩膀之上的那个巨人。至于“意识坍缩”，他却并没有深入探讨，而只是简短地对此评价到，“坍缩发生在从仪器到被意识接受的时刻”。然而，他的整个分析过程，绝大多数是纯粹的物理理论，而不仅仅是一个诠释。

对此，物理学家Schreiber总结道：

“The rules of quantum mechanics are correct but there is only one system which may be treated with quantum mechanics, namely the entire material world. There exist external observers which cannot be treated within quantum mechanics, namely human (and perhaps animal) minds, which perform measurements on the brain causing wave function collapse.”（量子力学的规则是正确的，但是它仅对一种系统正确，也就是说是所有的物质世界。在此之外存在的外部观察者却不能被量子力学所描述，诸如人类（也许包括动物）的精神。正是这种外部的观察者在它的大脑中展开的测量坍缩了波函数）

由此我们可以看到，冯诺依曼虽然相信意识必然与坍缩有关，但是态度仍然相对模糊。而真正对此进行扩展并详尽分析的，就是前文提到的魏格纳 - 在他的“魏格纳的朋友”实验中。

我们不妨回忆一下在本部分的开头出提到的笛卡尔和他的“我思故我在”，这是笛卡尔的精神-物质二元论的核心slogan。魏格纳是这种二元思想的坚定拥护者，他坚信，意识和物质是两种截然不同的东西。在魏格纳看来，观察是一种可以被严格界定的东西，而不像哥本哈根学派的那种含糊描述。他说：

“对于一个物体，波函数可以给我们关于它的一切可能知识。它是一个数学概念，其确切含义我们完全不必关心。……更加确切地讲，如果我们让这个物体直接或间接地与我们发生作用，波函数可以让我们事先预见到，这个物体将以何种概率让我们对其产生一种或者其他印象。”

因而，观察其实不过就是人们在意识中形成印象（impression）的过程。比如说我们观察薛定谔猫，我们所谓的“猫死了”或者“猫活着”的观察结果，不过就是“我们的大脑中产生了猫死了（或活着）的印象”。离开了我们的印象，观察结果将不会是一种观察结果 – 它毫无意义。也就是说，观察结果就是被我们的意识所接受到的信息。所以，波函数只不过是一种描述我们对外界事物的知识的数学工具，与“预测事物的未来行为”毫无关系。基于这个原因，我们与事物的相互作用在我们的意识中创造了一种感觉（sensation），这就是观察。当我们获得关于外界印象的时候，我们就对外界的知识形成了更新。同时，当我们接收到某种确切信息（例如“猫死”的信息）的时候，一切与之相悖的信息（例如“猫活”的信息）就自动被我们排除掉了。这就是波函数坍缩的最自然解释：它只不过是我们大脑中的信息更替而已。

在“魏格纳的朋友”实验中，当我们打开盒子的瞬间，我们并不知道猫的死活，它是一种“叠加态”：对它的两种预期印象同时存在于我们的意识中 - 对于一个现实的状态，死活叠加确实是一种难以理解的概念，但是对于我们意识中的印象，却毫无滞涩 - 然后我们问我们的朋友，“猫死了还是活的？”，朋友回答说，“死了（或活着）。”这个回答立刻给了我们一种确定的信息，这种信息就立刻在我们的意识中排除掉了另一种可能，在这一刻，猫态坍缩了 – 它在我们意识中坍缩了，实在是再简单不过了，一点都不奇怪。至于在这之前，波函数表达的叠加态是何意义，魏格纳早已经明确说过，它不过是对我们意识中关于猫可能影响我们印象的数学描述，仅此而已。这时候，我们继续问我们的朋友第二个问题：“在我问你这个问题之前，猫是死的还是活的？”，此时我们的朋友会感到一点不耐烦，他会说，“我早就告诉过你了，它是死的（或活的）！”于是我们就知道，其实早在我们意识中关于猫的印象形成之前，我们的朋友关于猫的确定印象早已经形成了。我们关于印象的信息是可以互相交流的，这就使得我们产生了矛盾：在我们第一次问我们的朋友之前，我们对猫态的描述仍然是一个叠加态，然而我们的朋友在第二次提问的时候却告诉我们，早在这之前，在他那儿猫态早已经是一个坍缩的确定态了！

如果我们的朋友仅仅是一台仪器，那么我们在第一次查询仪器测量结果之前，我们可以很安心地用叠加态来描述猫和仪器：仪器此时处于观测到猫死和观测到猫活的叠加态。但是现在实施观测的不是一台仪器，而是我们的朋友，这就未免太过奇怪了：我们的朋友不可能处于看到猫死和看到猫活的叠加态。当然，我们也可以认为我们的朋友和一台仪器没有任何区别，但是这很难令人接受。因为我们自然而然地会假设我们的朋友应该有着和我们一样的印象和感觉 – 他应该的印象不会处于两种状态的叠加，而是应该有着确定地感知到猫死或猫活的印象。否则的话将会让我们陷入唯我论的泥潭 – 我们逻辑上无法证实别人是否有着和我们一致的印象，从而断然否认他们的意识。所以更加自然的观点就是，我们必须认为在我们知道猫态坍缩之前，它就早就已经被坍缩了：它坍缩在我们的朋友看到它的那一刻。也就是说，一台没有意识的仪器可以处于叠加态，但是一个有意识的人却必然会使得叠加态坍缩。因而，结论就非常简单了：

“It follows that the being with a consciousness must have a different role in quantum mechanics than the inanimate measuring device”（于是乎，我们知道在量子力学中，一个有意识的生物与无意识的仪器有着不同的作用。）

那么，不可避免地，我们必须认为，意识是使波函数坍缩的罪魁祸首。

魏格纳的朋友的思想实验，其实就是把冯诺依曼的测量因果链用一种非常形象的形式向我们表达出来了。冯诺依曼首次提出意识可能与坍缩有关，而魏格纳随后把这个论述具体化，明确化了。因而，持有“意识使波函数坍缩”这类观点的诠释，一般被统称为“冯诺依曼-魏格纳诠释”（简称VW诠释）。

我们可以看到，VW诠释包哥本哈根的二元分立的界线个明确化了。但是却更加令人难以接受。如果说哥本哈根诠释的致命之处在于含糊不清，并且把同样的物理世界划分为对立的两个领域的话，VW诠释的问题就在于打开了潘多拉盒子：它把意识引入到了物理世界。哥本哈根只是认为不依赖于观察的客观实在没有意义，而VW则明确认为没有客观世界，它是由我们的意识创造的！这种观点，注定了让它受到更多人的排斥，而只能是一种小众理论。但是在我看来，VW的理论却显然比哥本哈根的理论更加符合一个物理理论的特征：

首先，它明确，没有任何含糊空间，因而就更加容易被证伪。而反观哥本哈根诠释，它的模糊不清给了它近乎无赖的、自由腾挪进而百战百胜的空间，面对任何实验，它都可以随意地变形从而逃过被证伪的命运，而一脸嘲讽地看着你气急败坏却拿它毫无办法的样子。正如波普尔指出的，“不可辩驳绝非理论之善，而是理论之恶”。

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