量子理论中的“意义”（一）

我发现很多吃瓜群众津津乐道在量子力学中，“意识决定了世界”。这些流传甚广的说法，充满了各种不严谨，乃至近乎玄学。这里我来详细讨论一下。

量子力学的诸多诠释中，有一两种，是明确涉及到“意识”的。但是我们应该知道，它们都是出自一些物理学大师之手，这些大师们的科学素养，并非吃瓜群众中流传的那样简单，他们也都不是闲极无聊，想改行去研究玄学或哲学。这些诠释的背后，其实是有着丝丝入扣的物理学逻辑链的。

我们知道，所有的量子力学诠释问题，最终的根源都在用著名的“测量问题”。也就是说，在量子力学理论框架中，量子态是希尔伯特空间中的矢量，它有着一切希尔伯特空间的数学性质：叠加，幺正，干涉等等。然而，在我们对量子系统进行测量时，我们永远只能得到一个确定的状态。这中间发生了什么？

我们用著名的薛定谔猫思想实验来说明这个问题。

薛定谔设计了这样一个实验系统，在一个封闭的箱子里，有一只猫和一个可以释放杀猫毒药的装置。这个装置用一个量子事件（粒子的衰变过程）引发杀猫毒药的释放，因而可以将猫杀死。毒药释放的概率为50%。

如果我们认为量子力学是个普适规律 – 也就是说，量子力学的规则同样可以描述猫态。这是一个合理的假设，因为猫也是由微观粒子构成的，我们有理由认为大量的微观粒子整体仍然满足量子力学。因而，猫有两个本征态，“死”（用D表示，“Dead”）和“活”（用A表示，“Alive”），毒药系统两个本征态，“释放”（用R表示，“Released”）和“未释放”（用S表示，“Sealed”）。我们已知，释放的毒药必然杀死猫：

|A〉|R〉→ |D〉|R〉

未释放的毒药则不会杀死猫：

|A〉|S〉→ |A〉|S〉

在实验之前，猫活，毒药未释放，猫和毒药相互独立，互相不影响，因而，这个装置的初始态就是猫态与毒药态的张量积：

|A〉|S〉

随着量子事件的发生，粒子态发生演化，进入到释放与不释放的叠加，由幺正演化的线性我们立刻可以得到：

|A〉|S〉→ |A〉（|S〉＋|R〉）＝|A〉|S〉＋|A〉|R〉

然后，猫与毒药发生相互作用，猫与毒药的复合态就发生如下演化：

|A〉|S〉＋ |A〉|R〉→ |A〉|S〉＋|D〉|R〉

那么，现在猫与毒药进入了这样一个纠缠态（贝尔态），

|A〉|S〉＋ |D〉|R〉

现在的问题是，当我们打开箱子的时候，我们会看到什么？

一只死猫或一只活猫，它们出现的概率各为50%。这是所有有理智人的第一反应。然而结合量子力学的怪异，这个答案却模糊不清了。因为在我们没有观察这个量子事件的时候，它只是一个处于叠加态的概率云。就好像我们不观察光子时它处在“穿过左缝”和“穿过右缝”的叠加态一样，我们不观察箱子的时候，这个量子事件处在“发生”和“没发生”的叠加态。而发生必然引发毒气释放，进而引发猫死，不发生则必然不会释放毒气，猫就会活下来。既然事件处于发生与未发生的叠加，那么自然而然地，毒气就会处于释放和未释放的叠加。那么，猫到底是会死去还是会活着？

倘若猫要么活着要么死去，那么按照这种因果链条，活着说明量子事件未发生，死去说明量子事件发生了，那么就说明量子事件要么发生了要么没发生，因而“发生”与“没发生”之间的量子叠加就是不存在的，因而就威胁到量子理论的基础。倘若猫不是要么活着要么死去呢？这又是什么意思？“死”和“活”的叠加态？“既死又活”？！

我们姑且接受猫的这种既死又活的状态，那么为何我们永远看不到？我们打开箱子观察的时候，总是看到“或死或活”的状态，而不是“既死又活”。是我们的观察造就了观察结果吗？

对此，玻尔为首的哥本哈根学派宣称，在观察之前谈论猫态毫无意义。观察过程和观察者必须是独立于理论之外的特殊过程。

这就是哥本哈根学派著名的“量子经典边界”：观察者是经典的，粒子是量子的，观察必然要跨越这个边界。例如，海森堡提出所谓的“海森堡边界”（Heisenburg Cut），边界的一边是经典世界，一切必须按照经典定律来描述，没有叠加，没有干涉，没有不确定性；而另一边则按照量子力学的定律来描述，处处充满了叠加、干涉等量子现象。但是，对于这样一种十分重要的界线，他却语焉不详 – 我怀疑他自己就根本说不清楚，他说：

“在一边，是我们用来帮助观察的仪器，因而必须看作是我们（经典世界）的一部分，在另一边，则是我们想要研究的物理系统，数学上表现为波函数，在这中间我们需要划分一条分界线。……这条划分被观察系统和观察仪器的分界线是由我们所研究的问题本身的性质决定的，但是很显然在这种物理过程中不应该有不连续性。因而这条线在什么位置就有着完全的自由度”

作为量子演化中如此关键的一个概念，采取这样模糊的看法是完全说不过去的，这可以说是哥本哈根诠释一个无法洗白的槽点。

关于量子-经典过渡，玻尔还有一个原理，叫做“对应原理”。在这个原理中，它要求量子力学的理论在经典边界必须能够自然而然地与经典理论兼容。何为经典边界？我们知道，微观粒子尺度微小，质量很低（诸如电子），在这种领域下，各种量子现象诸如干涉、叠加占主要地位；然而在经典领域，尺度宏观，质量很大（诸如一个垒球），这时候我们把这些条件代入量子理论，就会发现它得出的结论与经典理论相一致：量子理论在尺度渐趋增大时，渐渐地蜕化为经典理论。这个要求是自然而然的：因为量子力学的预言必须要符合我们的经验。不确定原理在大质量物体上，不确定度就会变得极小而可以忽略；再例如物质波在宏观物体上波长如此之短，以至于我们无法察觉。那么，量子行为在经典世界中无法被察觉也就是顺理成章的事情了。这就是玻尔对量子-经典过渡的解释。

这个解释看似非常合理，并且在绝大多数教科书中都是这样讲的。但是它仍然存在着极大的漏洞。我们前面提到的“薛定谔猫”的思想实验 [1]，就把整个微观的种种怪异传递到宏观来了，让我们无法接受。这个思想实验表明，所谓的对应原理肯定在某处有问题了。事实上，人们发现，虽然表面上这个原理非常有道理：既然一切微观状态在尺度增大的过程中都渐变为经典状态，那么就不应该存在这种微观-经典的边界。然而事情并非那么简单，这种经典-微观的对应关系，实际上是经典的确定状态与微观量子不确定性的统计平均的对应，而不是经典状态与量子态的对应。也就是说，在经典世界中，量子怪异只是看似消失了而已。在混沌系统中这种矛盾就被放大了：无论我们如何增大系统的尺度，量子力学都是线性的，都不可能产生混沌现象，而经典世界中混沌却无处不在。Zurek等人的研究表明，如果没有退相干理论 [2]的介入，对应原理扎这种情况下根本就无法成立。

事实上，玻尔对他的对应原理的态度也很明确：对应原理所说的只是量子理论在统计解释的意义上重现了经典理论的结论，但是它并非自然蜕化为经典理论。也就是说，在经典边界上，量子理论的统计平均与经典理论的确定结果近似一致。这二者有着截然的不同。经典理论是独立于量子理论的存在，而并不能从量子理论中合理推论出来。玻尔认为，我们不能指望从量子力学中得到我们对观察结果的合理解释，因为我们作为宏观物体，必然是经典的，我们所需要的观察仪器，也是经典的。那么这种经典-量子边界就在观察过程中起到了迫使波函数坍缩的作用：波函数生活在微观领域，我们对观察结果的接收必然处在宏观领域，那么对波函数的观察，必然要使得观察结果穿越这种边界，从量子变为经典，从“既此又彼”的叠加态变为“非此即彼”的概率。

也就是说，玻尔认为，R过程（坍缩过程）必然是一种独立于U过程（幺正演化过程）的演化规则，这种二元对立事实上起源于量子-经典的二元对立 [3]。

那么我们就遇到尴尬了。如果真的存在这样的边界，那么这个边界在哪里？你玻尔不是一直在强调波函数只是一种我们计算观测结果预期用到的工具吗？那么你当然应该指明，我们何时可以用这种工具，又何时不能用它呢？

你宣称存在这么一个边界，然后你却不说它在哪儿？！这近乎敷衍。既然我们人类、我们的观察仪器无一例外都是由微观粒子组成的，那么为何所谓的这些“经典事物”就要必须遵守一种特别的规则呢？事实上，直到今天人们一直都在寻找这个边界是否存在，人们在越来越大尺度的物体上观测到了量子现象，例如，双缝干涉实验已经做到了由810个原子组成的巨大分子尺度，仍然发现量子现象的存在。随着人们在越来越宏观尺度上直接观测到量子效应，人们完全有理由相信，宏观物体从根本上讲，也是遵循着量子规律的。

这时候冯诺依曼说，量子力学必须是对全部物理世界普适的，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。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。因而，观察过程中必然要考虑观察者。如果我们看到猫死，我们伤心（用U表示，“Upset”），如果看到猫活，我们高兴（用H表示，“Happy”）。那么，当我们观察时，这个过程就变成了：

|A〉|S〉|H〉＋|D〉|R〉|U〉

也就是说，我们和猫、毒药一起进入了纠缠的叠加态。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，我们不可能既高兴又伤心。那么我们到底是高兴，还是伤心呢？经验告诉我们，发生了某种过程，把我们从叠加态中“拽出来”，成为一个确定态：

|A〉|S〉|H〉＋|D〉|R〉|U〉→ “H”or“U”

而我们整个“物理的”过程中并没有引入任何有别于幺正演化的过程，因而量子态就不会自发地切换为与之对立的经典态。那么坍缩就只能发生在“意识的”过程中。

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。毒药释放与不释放的叠加，就必然会把猫拖入死和活的叠加，然后当我们观察时，我们的眼睛就被拖入看到死和看到活的叠加，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，要么毒药释放、猫死、我们伤心，要么毒药没释放、猫活、我们高兴的二者之一的状态。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。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。

这就是冯诺依曼最初提出的，意识可能在测量过程中起到的作用。

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。

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？

这就是著名的“魏格纳的朋友”思想实验 – 没错，最早它不是魏格纳提出的，但是是魏格纳让它变得著名的。

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？

魏格纳有着一种二元论的思想，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，我们打开盒子的瞬间并不知道猫的死活，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！

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