量子物理 notes

量子派物理學家現在終於逐漸領悟到了事情的真相：我們的結論和我們的觀測行為本身大有聯係。這就像那匹馬是白的還是紅的，這個結論和我們用什麽樣的方法去觀察它有關係。有些看官可能還不服氣：結論隻有一個，親眼看見的才是唯一的真實。色盲是視力缺陷，眼鏡是外部裝備，這些怎麽能夠說是看到“真實”呢？其實沒什麽分別，它們不外乎是兩種不同的觀測方式罷了，我們的論點是，根本不存在所謂“真實”。
　　好吧，現在我視力良好，也不戴任何裝置，看到馬是白色的。那麽，它當真是白色的嗎？其實我說這話前，已經隱含了一個前提：“用人類正常的肉眼，在普通光線下看來，馬呈現出白色。”再技術化一點，人眼隻能感受可見光，波長在400-760納米左右，這些頻段的光混合在一起才形成我們印象中的白色。所以我們論斷的前提就是，在400-760納米的光譜區感受馬，它是白色的。
　　許多昆蟲，比如蜜蜂，它的複眼所感受的光譜是大大不同的。蜜蜂看不見波長比黃光還長的光，卻對紫外線很敏感。在它看來，這匹馬大概是一種藍紫色，甚至它可能繪聲繪色地向你描繪一種難以想象的“紫外色”。現在你和蜜蜂吵起來了，你堅持這馬是白色的，而蜜蜂一口咬定是藍紫色。你和蜜蜂誰對誰錯呢？其實都對。那麽，馬怎麽可能又是白色又是紫色呢？其實是你們的觀測手段不同罷了。對於蜜蜂來說，它也是“親眼”見到，人並不比蜜蜂擁有更多的正確性，離“真相”更近一點。話說回來，色盲隻是對於某些頻段的光有盲點，眼鏡隻不過加上一個濾鏡而已，本質上也是一樣的，也沒理由說它們看到的就是“虛假”。
　　事實上，沒有什麽“客觀真相”。討論馬本質上“到底是什麽顏色”，正如我們已經指出過的，是很無聊的行為。根本不存在一個絕對的所謂“本色”，除非你先定義觀測的方式。
　　玻爾也好，海森堡也好，現在終於都明白：談論任何物理量都是沒有意義的，除非你首先描述你測量這個物理量的方式。一個電子的動量是什麽？我不知道，一個電子沒有什麽絕對的動量，不過假如你告訴我你打算怎麽去測量，我倒可以告訴你測量結果會是什麽。根據測量方式的不同，這個動量可以從十分精確一直到萬分模糊，這些結果都是可能的，也都是正確的。一個電子的動量，隻有當你測量時，才有意義。假如這不好理解，想象有人在紙上畫了兩橫夾一豎，問你這是什麽字。嗯，這是一個“工”字，但也可能是橫過來的“H”，在他沒告訴你怎麽看之前，這個問題是沒有定論的。現在，你被告知：“這個圖案的看法應該是橫過來看。”這下我們明確了：這是一個大寫字母H。隻有觀測手段明確之後，答案才有意義。
　　測量！在經典理論中，這不是一個被考慮的問題。測量一塊石頭的重量，我用天平，用彈簧秤，用磅秤，或者用電子秤來做，理論上是沒有什麽區別的。在經典理論看來，石頭是處在一個絕對的，客觀的外部世界中，而我--觀測者--對這個世界是沒有影響的，至少，這種影響是微小得可以忽略不計的。你測得的數據是多少，石頭的“客觀重量”就是多少。但量子世界就不同了，我們已經看到，我們測量的對象都是如此微小，以致我們的介入對其產生了致命的幹預。我們本身的擾動使得我們的測量中充滿了不確定性，從原則上都無法克服。采取不同的手段，往往會得到不同的答案，它們隨著不確定性原理搖搖擺擺，你根本不能說有一個客觀確定的答案在那裏。在量子論中沒有外部世界和我之分，我們和客觀世界天人合一，融和成為一體，我們和觀測物互相影響，使得測量行為成為一種難以把握的手段。在量子世界，一個電子並沒有什麽“客觀動量”，我們能談論的，隻有它的“測量動量”，而這又和我們的測量手段密切相關。




量子論革命的破壞力是相當驚人的。在概率解釋，不確定性原理和互補原理這三大核心原理中，前兩者摧毀了經典世界的因果性，互補原理和不確定原理又合力搗毀了世界的客觀性和實在性。新的量子圖景展現出一個前所未有的世界，它是如此奇特，難以想象，和人們的日常生活格格不入，甚至違背我們的理性本身。但是，它卻能夠解釋量子世界一切不可思議的現象。這種主流解釋被稱為量子論的“哥本哈根”解釋，它是以玻爾為首的一幫科學家作出的，他們大多數曾在哥本哈根工作過，許


多是量子論本身的創立者。
哥本哈根解釋的基本內容，全都圍繞著三大核心原理而展開。我們在前麵已經說到，首先，不確定性原理限製了我們對微觀事物認識的極限，而這個極限也就是具有物理意義的一切。其次，因為存在著觀測者對於被觀測物的不可避免的擾動，現在主體和客體世界必須被理解成一個不可分割的整體。沒有一個孤立地存在於客觀世界的“事物”(being)，事實上一個純粹的客觀世界是沒有的，任何事物都隻有結合一個特定的觀測手段，才談得上具體意義。對象所表現出的形態，很大程度上取決於我們的觀察方法。對同一個對象來說，這些表現形態可能是互相排斥的，但必須被同時用於這個對象的描述中，也就是互補原理。
　　最後，因為我們的觀測給事物帶來各種原則上不可預測的擾動，量子世界的本質是“隨機性”。傳統觀念中的嚴格因果關係在量子世界是不存在的，必須以一種統計性的解釋來取而代之，波函數ψ就是一種統計，它的平方代表了粒子在某處出現的概率。當我們說“電子出現在x處”時，我們並不知道這個事件的“原因”是什麽，它是一個完全隨機的過程，沒有因果關係。


有些人可能覺得非常糟糕：又是不確定又是沒有因果關係，這個世界不是亂套了嗎？物理學家既然什麽都不知道，那他們還好意思呆在大學裏領薪水，或者在電視節目上欺世盜名？然而事情並沒有想象的那麽壞，雖然我們對單個電子的行為隻能預測其概率，但我們都知道，當樣本數量變得非常非常大時，概率論就很有用了。我們沒法知道一個電子在屏幕上出現在什麽位置，但我們很有把握，當數以萬億記的電子穿過雙縫，它們會形成幹涉圖案。這就好比保險公司沒法預測一個客戶會在什麽時候死去，但它對一個城市的總體死亡率是清楚的，所以保險公司一定是賺錢的！
　　傳統的電視或者電腦屏幕，它後麵都有一把電子槍，不斷地逐行把電子打到屏幕上形成畫麵。對於單個電子來說，我並不知道它將出現在屏幕上的哪個點，隻有概率而已。不過大量電子疊在一起，組成穩定的畫麵是確定無疑的。看，就算本質是隨機性，但科學家仍然能夠造出一些有用的東西。如果你家電視畫麵老是有雪花，不要懷疑到量子論頭上來，先去檢查一下天線。



在論文的第5節，薛定諤描述了那個常被視為惡夢的貓實驗。好，哥本哈根派說，沒有測量之前，一個粒子的狀態模糊不清，處於各種可能性的混合疊加，是吧？比如一個放射性原子，它何時衰變是完全概率性的。隻要沒有觀察，它便處於衰變/不衰變的疊加狀態中，隻有確實地測量了，它才隨機選擇一種狀態而出現。
　　好得很，那麽讓我們把這個原子放在一個不透明的箱子中讓它保持這種疊加狀態。現在薛定諤想象了一種結構巧妙的精密裝置，每當原子衰變而放出一個中子，它就激發一連串連鎖反應，最終結果是打破箱子裏的一個毒氣瓶，而同時在箱子裏的還有一隻可憐的貓。事情很明顯：如果原子衰變了，那麽毒氣瓶就被打破，貓就被毒死。要是原子沒有衰變，那麽貓就好好地活著。
　　自然的推論：當它們都被鎖在箱子裏時，因為我們沒有觀察，所以那個原子處在衰變/不衰變的疊加狀態。因為原子的狀態不確定，所以貓的狀態也不確定，隻有當我們打開箱子察看，事情才最終定論：要麽貓四腳朝天躺在箱子裏死掉了，要麽它活蹦亂跳地“喵嗚”直叫。問題是，當我們沒有打開箱子之前，這隻貓處在什麽狀態？似乎唯一的可能就是，它和我們的原子一樣處在疊加態，這隻貓當時陷於一種死/活的混合。
　　現在就不光光是原子是否幽靈的問題了，現在貓也變成了幽靈。一隻貓同時又是死的又是活的？它處在不死不活的疊加態？這未免和常識太過衝突，同時在生物學角度來講也是奇談怪論。如果打開箱子出來一隻活貓，那麽要是它能說話，它會不會描述那種死/活疊加的奇異感受？恐怕不太可能。
　　薛定諤的實驗把量子效應放大到了我們的日常世界，現在量子的奇特性質牽涉到我們的日常生活了，牽涉到我們心愛的寵物貓究竟是死還是活的問題。這個實驗雖然簡單，卻比EPR要辛辣許多，這一次紮得哥本哈根派夠疼的。他們不得不退一步以咽下這杯苦酒：是的，當我們沒有觀察的時候，那隻貓的確是又死又活的。
　　不僅僅是貓，一切的一切，當我們不去觀察的時候，都是處在不確定的疊加狀態的，因為世間萬物也都是由服從不確定性原理的原子組成，所以一切都不能免俗。量子派後來有一個被哄傳得很廣的論調說：“當我們不觀察時，月亮是不存在的”。這稍稍偏離了本意，準確來說，因為月亮也是由不確定的粒子組成的，所以如果我們轉過頭不去看月亮，那一大堆粒子就開始按照波函數彌散開去。於是乎，月亮的邊緣開始顯得模糊而不確定，它逐漸“融化”，變成概率波擴散到周圍的空間裏去。當然這麽大一個月亮完全融化成空間中的概率是需要很長很長時間的，不過問題的實質是：要是不觀察月亮，它就從確定的狀態變成無數不確定的疊加。不觀察它時，一個確定的，客觀的月亮是不存在的。但隻要一回頭，一輪明月便又高懸空中，似乎什麽事也沒發生過一樣。
　　不能不承認，這聽起來很有強烈的主觀唯心論的味道。雖然它其實和我們通常理解的那種哲學理論有一定區別，不過講到這裏，許多人大概都會自然而然地想起貝克萊(George Berkeley)主教的那句名言：“存在就是被感知”(拉丁文：Esse Est Percipi)。這句話要是稍微改一改講成“存在就是被測量”，那就和哥本哈根派的意思差不離了。貝克萊在哲學史上的地位無疑是重要的，但人們通常樂於批判他，我們的哥本哈根派是否比他走得更遠呢？好歹貝克萊還認為事物是連續客觀地存在的，因為總有“上帝”在不停地看著一切。而量子論？“陛下，我不需要上帝這個假設”。
　　與貝克萊互相輝映的東方代表大概要算王陽明。他在《傳習錄?下》中也說過一句有名的話：“你未看此花時，此花與汝同歸於寂；你來看此花時，則此花顏色一時明白起來……”如果王陽明懂量子論，他多半會說：“你未觀測此花時，此花並未實在地存在，按波函數而歸於寂；你來觀測此花時，則此花波函數發生坍縮，它的顏色一時變成明白的實在……”測量即是理，測量外無理。

意識使波函數坍縮？可什麽才是意識呢？這是被哲學家討論得最多的問題之一，但在科學界的反應卻相對冷淡。在心理學界，以沃森(John B.Watson)和斯金納(B.F.Skinner)等人所代表的行為主義學派通常樂於把精神事件分解為刺激和反應來研究，而忽略無法用實驗確證的“意識”本身。的確，甚至給“意識”下一個準確的定義都是困難的，它產生於何處，具體活動於哪個部分，如何作用於我們的身體都還是未知之謎。人們一般能夠達成共識的是，並非大腦的所有活動都是“意識”，事實上大腦的許多活動是我們本身意識不到的，我們


通常隻注意到它的輸出結果，而並不參控它運行的整個過程。當我的耳邊響起《第九交響曲》時，我的眼前突然不由浮現出我在中學時代的童年時光，但我自己一點都不知道我的大腦是如何具體地一步步完成了這個過程，這是在我的“下意識”中完成的！有時候我甚至會奇怪：我為什麽會這樣想呢？另外，許多人也承認，“意識”似乎與我們的“注意”密切相關，它同時還要求一定的記憶能力來完成前後連貫的動作。




===========================================　------我們都知道，普通的物質是具有累加性的，一滴水加上一滴水一定是兩滴水，而不會一起消失。但是波動就不同了，一列普通的波，它有著波的高峰和波的穀底，如果兩列波相遇，當它們正好都處在高峰時，那麽疊加起來的這個波就會達到兩倍的峰值，如果都處在低穀時，疊加的結果就會是兩倍深的穀底。但是，等等，如果正好一列波在它的高峰，另外一列波在它的穀底呢？
　　答案是它們會互相抵消。如果兩列波在這樣的情況下相遇(物理上叫做“反相”)，那麽在它們重疊的地方，將會波平如鏡，既沒有高峰，也沒有穀底。這就像一個人把你往左邊拉，另一個人用相同的力氣把你往右邊拉，結果是你會站在原地不動。


托馬斯?楊在研究牛頓環的明暗條紋的時候，被這個關於波動的想法給深深打動了。為什麽會形成一明一暗的條紋呢？一個思想漸漸地在楊的腦海裏成型：用波來解釋不是很簡單嗎？明亮的地方，那是因為兩道光正好是“同相”的，它們的波峰和波穀正好相互增強，結果造成了兩倍光亮的效果(就好像有兩個人同時在左邊或者右邊拉你)；而黑暗的那些條紋，則一定是兩道光處於“反相”，它們的波峰波穀相對，正好互相抵消了(就好像兩個人同時在兩邊拉你)。這一大膽而富於想象的見解使楊激動不已，他馬上著手進行了一係列的實驗，並於1801年和1803年分別發表論文報告，闡述了如何用光波的幹涉效應來解釋牛頓環和衍射現象。甚至通過他的實驗數據，計算出了光的波長應該在1/36000至1/60000英寸之間。
　　在1807年，楊總結出版了他的《自然哲學講義》，裏麵綜合整理了他在光學方麵的工作，並在裏麵第一次描述了他那個名揚四海的實驗：光的雙縫幹涉。後來的曆史證明，這個實驗完全可以躋身於物理學史上最經典的前五個實驗之列，而在今天，它已經出現在每一本中學物理的教科書上。
　　楊的實驗手段極其簡單：把一支蠟燭放在一張開了一個小孔的紙前麵，這樣就形成了一個點光源(從一個點發出的光源)。現在在紙後麵再放一張紙，不同的是第二張紙上開了兩道平行的狹縫。從小孔中射出的光穿過兩道狹縫投到屏幕上，就會形成一係列明、暗交替的條紋，這就是現在眾人皆知的幹涉條紋。
　　楊的著作點燃了革命的導火索，物理史上的“第二次微波戰爭”開始了。波動方麵軍在經過了百年的沉寂之後，終於又回到了曆史舞台上來。但是它當時的日子並不是好過的，在微粒大軍仍然一統天下的年代，波動的士兵們衣衫襤褸，缺少後援，隻能靠遊擊戰來引起人們對它的注意。楊的論文開始受盡了權威們的嘲笑和諷刺，被攻擊為“荒唐”和“不合邏輯”，在近20年間竟然無人問津。楊為了反駁專門撰寫了論文，但是卻無處發表，隻好印成小冊子，但是據說發行後“隻賣出了一本”。
　　不過，雖然高傲的微粒仍然沉醉在牛頓時代的光榮之中，一開始並不把起義的波動叛亂分子放在眼睛裏。但他們很快就發現，這些反叛者雖然人數不怎麽多，服裝並不那麽整齊，但是他們的武器卻今非昔比。在受到了幾次沉重的打擊後，幹涉條紋這門波動大炮的殺傷力終於驚動整個微粒軍團。這個簡單巧妙的實驗所揭示出來的現象證據確鑿，幾乎無法反駁。無論微粒怎麽樣努力，也無法躲開對手的無情轟炸：它就是難以說明兩道光疊加在一起怎麽會反而造成黑暗。而波動的理由卻是簡單而直接的：兩個小孔距離屏幕上某點的距離會有所不同。當這個距離是波長的整數值時，兩列光波正好互相加強，就形成亮點。反之，當距離差剛好造成半個波長的相位差時，兩列波就正好互相抵消，造成暗點。理論計算出的明亮條紋距離和實驗值分毫不差。


經典物理

經典物理學和經典時空觀

因為所知道的一切物理現象，幾乎都可以從現成的理論裏得到解釋。力、熱、光、電、磁……一切的一切，都在控製之中，而且用的是同一種手法。物理學家們開始相信，這個世界所有的基本原理都已經被發現了，物理學已經盡善盡美，它走到了自己的極限和盡頭，再也不可能有任何突破性的進展了。如果說還有什麽要做的事情，那就是做一些細節上的修正和補充，更加精確地測量一些常數值罷了。人們開始傾向於認為：物理學已經終結，所有的問題都可以用這個集大成的體係來解決，而不會再有任何真正激動人心的發現了。一位著名的科學家(據說就是偉大的開爾文勳爵)說：“物理學的未來，將隻有在小數點第六位後麵去尋找”。普朗克的導師甚至勸他不要再浪費時間去研究這個已經高度成熟的體係。

\
物體的內在規律--和物體本身性質無關的絕對規律--代表了某種客觀的永恒不變的東西。它獨立於人和物質世界而存在，不受外部世界的影響，是科學追求的最崇高的目標。普朗克的這種偏愛正是經典物理學的一種傳統和風格，對絕對嚴格規律的一種崇尚。

必須假定，能量在發射和吸收的時候，不是連續不斷，而是分成一份一份的。”
　　在了解它的具體意義之前，不妨先了解一個事實：正是這個假定，推翻了自牛頓以來200多年，曾經被認為是堅固不可摧毀的經典世界。這個假定以及它所衍生出的意義，徹底改變了自古以來人們對世界的最根本的認識。極盛一時的帝國，在這句話麵前轟然土崩瓦解，倒坍之快之徹底，就像愛倫?坡筆下厄舍家那間不祥的莊園。
　　好，回到我們的故事中來。能量不是連續不斷的，這有什麽了不起呢？
　　很了不起。因為它和有史以來一切物理學家的觀念截然相反(可能某些偽科學家除外，嗬嗬)。自從伽利略和牛頓用數學規則馴服了大自然之後，一切自然的過程就都被當成是連續不間斷的。如果你的中學物理老師告訴你，一輛小車沿直線從A點行駛到B點，卻不經過兩點中間的C點，你一定會覺得不可思議，甚至開始懷疑該教師是不是和校長有什麽裙帶關係。自然的連續性是如此地不容置疑，以致幾乎很少有人會去懷疑這一點。當預報說氣溫將從20度上升到30度，你會毫不猶豫地判定，在這個過程中間氣溫將在某個時刻到達25度，到達28度，到達29又1/2度，到達29又3/4度，到達29又9/10度……總之，一切在20度到30度之間的值，無論有理的還是無理的，隻要它在那段區間內，氣溫肯定會在某個時刻，精確地等於那個值。
　　對於能量來說，也是這樣。當我們說，這個化學反應總共釋放出了100焦耳的能量的時候，我們每個人都會潛意識地推斷出，在反應期間，曾經有某個時刻，總體係釋放的能量等於50焦耳，等於32.233焦耳，等於3.14159……焦耳。總之，能量的釋放是連續的，它總可以在某個時刻達到範圍內的任何可能的值。這個觀念是如此直接地植入我們的內心深處，顯得天經地義一般。
　　這種連續性，平滑性的假設，是微積分的根本基礎。牛頓、麥克斯韋那龐大的體係，便建築在這個地基之上，度過了百年的風雨。當物理遇到困難的時候，人們縱有懷疑的目光，也最多盯著那巍巍大廈，追問它是不是在建築結構上有問題，卻從未有絲毫懷疑它腳下的土地是否堅實。而現在，普朗克的假設引發了一場大地震，物理學所賴以建立的根本基礎開始動搖了。
　　普朗克的方程倔強地要求，能量必須隻有有限個可能態，它不能是無限連續的。在發射的時候，它必須分成有限的一份份，必須有個最小的單位。這就像一個吝嗇鬼無比心痛地付帳，雖然他盡可能地試圖一次少付點錢，但無論如何，他每次最少也得付上1個penny，因為沒有比這個更加小的單位了。這個付錢的過程，就是一個不連續的過程。我們無法找到任何時刻，使得付帳者正好處於付了1.00001元這個狀態，因為最小的單位就是0.01元，付的帳隻能這樣“一份一份”地發出。我們可以找到他付了1元的時候，也可以找到他付了1.01元的時候，但在這兩個狀態中間，不存在別的狀態，雖然從理論上說，1元和1.01元之間，還存在著無限多個數字。
　　普朗克發現，能量的傳輸也必須遵照這種貨幣式的方法，一次至少要傳輸一個確定的量，而不可以無限地細分下去。能量的傳輸，也必須有一個最小的基本單位。能量隻能以這個單位為基礎一份份地發出，而不能出現半個單位或者四分之一單位這種情況。在兩個單位之間，是能量的禁區，我們永遠也不會發現，能量的計量會出現小數點以後的數字。




　為了找出N個振子具有總能量Un的可能性，我們必須假設Un是不可連續分割的，它隻能是一些相同部件的有限總和……
　　(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…)
　　這個基本部件，普朗克把它稱作“能量子”(Energieelement)，但隨後很快，在另一篇論文裏，他就改稱為“量子”(Elementarquantum)，英語就是quantum。這個字來自拉丁文quantus，本來的意思就是“多少”，“量”。量子就是能量的最小單位，就是能量裏的一美分。一切能量的傳輸，都隻能以這個量為單位來進行，它可以傳輸一個量子，兩個量子，任意整數個量子，但卻不能傳輸1又1/2個量子，那個狀態是不允許的，就像你不能用現錢支付1又1/2美分一樣。








1905年3月18日，愛因斯坦在《物理學紀事》(Annalen der Physik)雜誌上發表了一篇論文，題目叫做《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》(A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light)，作為1905年一係列奇跡的一個開始。這篇文章是愛因斯坦有生以來發表的第六篇正式論文(第一篇是1901年發表的關於毛細現象的東東，用他自己的話來說，“毫無價值”)，而這篇論文將給他帶來一個諾貝爾獎，也開創了屬於量子論的一個新時代。
　　愛因斯坦是從普朗克的量子假設那裏出發的。大家都還記得，普朗克假設，黑體在吸收和發射能量的時候，不是連續的，而是要分成“一份一份”，有一個基本的能量單位在那裏。這個單位，他就稱作“量子”，其大小則由普朗克常數h來描述。如果我們從普朗克的方程出發，我們很容易推導一個特定輻射頻率的“量子”究竟包含了多少能量，最後的公式是簡單明了的：
　　E = hν
　　其中E是能量，h是普朗克常數，ν是頻率。哪怕小學生也可以利用這個簡單的公式來做一些計算。比如對於頻率為10的15次方的輻射，對應的量子能量是多少呢？那麽就簡單地把10^15乘以h＝6.6×10^-34，算出結果等於6.6×10^19焦耳。這個數值很小，所以我們平時都不會覺察到非連續性的存在。
　　愛因斯坦閱讀了普朗克的那些早已被大部分權威和他本人冷落到角落裏去的論文，量子化的思想深深地打動了他。憑著一種深刻的直覺，他感到，對於光來說，量子化也是一種必然的選擇。雖然有天神一般的麥克斯韋理論高高在上，但愛因斯坦叛逆一切，並沒有為之而止步不前。相反，他倒是認為麥氏的理論隻能對於一種平均情況有效，而對於瞬間能量的發射、吸收等等問題，麥克斯韋是和實驗相矛盾的。從光電效應中已經可以看出端倪來。
　　讓我們再重溫一下光電效應和電磁理論的不協調之處：
　　電磁理論認為，光作為一種波動，它的強度代表了它的能量，增強光的強度應該能夠打擊出更高能量的電子。但實驗表明，增加光的強度隻能打擊出更多數量的電子，而不能增加電子的能量。要打擊出更高能量的電子，則必須提高照射光線的頻率。
　　提高頻率，提高頻率。愛因斯坦突然靈光一閃，E = hν，提高頻率，不正是提高單個量子的能量嗎？更高能量的量子能夠打擊出更高能量的電子，而提高光的強度，隻是增加量子的數量罷了，所以相應的結果是打擊出更多數量的電子。一切在突然之間，顯得順理成章起來。
　　愛因斯坦寫道：“……根據這種假設，從一點所發出的光線在不斷擴大的空間中的傳播時，它的能量不是連續分布的，而是由一些數目有限的，局限於空間中某個地點的“能量子”(energy quanta)所組成的。這些能量子是不可分割的，它們隻能整份地被吸收或發射。”
　　組成光的能量的這種最小的基本單位，愛因斯坦後來把它們叫做“光量子”(light quanta)。一直到了1926年，美國物理學家劉易斯(G.N.Lewis)才把它換成了今天常用的名詞，叫做“光子”(photon)。
　　從光量子的角度出發，一切變得非常簡明易懂了。頻率更高的光線，比如紫外光，它的單個量子要比頻率低的光線含有更高的能量(E = hν)，因此當它的量子作用到金屬表麵的時候，就能夠激發出擁有更多動能的電子來。而量子的能量和光線的強度沒有關係，強光隻不過包含了更多數量的光量子而已，所以能夠激發出更多數量的電子來。但是對於低頻光來說，它的每一個量子都不足以激發出電子，那麽，含有再多的光量子也無濟於事。
　　我們把光電效應想象成一場有著高昂入場費的拍賣。每個量子是一個顧客，它所攜帶的能量相當於一個人擁有的資金。要進入拍賣現場，每個人必須先繳納一定數量的入場費，而在會場內，一個人隻能買一件物品。
　　一個光量子打擊到金屬表麵的時候，如果它帶的錢足夠(能量足夠高)，它便有資格進入拍賣現場(能夠打擊出電子來)。至於它能夠買到多好的物品(激發出多高能量的電子)，那要取決於它付了入場費後還剩下多少錢(剩餘多少能量)。頻率越高，代表了一個人的錢越多，像紫外線這樣的大款，可以在輕易付清入場費後還買的起非常貴的貨物，而頻率低一點的光線就沒那麽闊綽了。
　　但是，一個人有多少資金，這和一個“代表團”能夠買到多少物品是沒有關係的。能夠買到多少數量的東西，這隻和“代表團”的人數有關係(光的強度)，而和每一個人有多少錢(光的頻率)沒關係。如果我有一個500人的代表團，每個人都有足夠的錢入場，那麽我就能買到500樣貨品回來，而你一個人再有錢，你也隻能買一樣東西(因為一個人隻能買一樣物品，規矩就是這樣的)。至於買到的東西有多好，那是另一回事情。話又說回來，假如你一個代表團裏每個人的錢太少，以致付不起入場費，那哪怕你人數再多，也是一樣東西都買不到的，因為規矩是你隻能以個人的身份入場，沒有連續性和積累性，大家的錢不能湊在一起用。
　　愛因斯坦推導出的方程和我們的拍賣是一個意思：
　　1/2 mv^2 = hν- P
　　1/2 mv^2是激發出電子的最大動能，也就是我們說的，能買到“多好”的貨物。hν是單個量子的能量，也就是你總共有多少錢。P是激發出電子所需要的最小能量，也就是“入場費”。所以這個方程告訴我們的其實很簡單：你能買到多好的貨物取決於你的總資金減掉入場費用。

在玻爾體係內部，也已經蘊藏了隨機性和確定性的矛盾。就玻爾理論而言，如何判斷一個電子在何時何地發生自動躍遷是不可能的，它更像是一個隨機的過程。1919年，應普朗克的邀請，玻爾訪問了戰後的柏林。在那裏，普朗克和愛因斯坦熱情地接待了他，量子力學的三大巨頭就幾個物理問題展開了討論。玻爾認為，電子在軌道間的躍遷似乎是不可預測的，是一個自發的隨機過程，至少從理論上說沒辦法算出一個電子具體的躍遷條件。愛因斯坦大搖其頭，認為任何物理過程都是確定和可預測的。這已經埋下了兩人日後那場曠日持久爭論的種子。



德布羅意身上。他一直在思考一個問題，就是如何能夠在玻爾的原子模型裏麵自然地引進一個周期的概念，以符合觀測到的現實。原本，這個條件是強加在電子上麵的量子化模式，電子在玻爾的硬性規定下，雖然乖乖聽話，總有點不那麽心甘情願的感覺。德布羅意想，是時候把電子解放出來，讓它們自己做主了。
　　如何賦予電子一個基本的性質，讓它們自覺地表現出種種周期和量子化現象呢？德布羅意想到了愛因斯坦和他的相對論。他開始這樣地推論：根據愛因斯坦那著名的方程，如果電子有質量m，那麽它一定有一個內稟的能量E = mc^2。好，讓我們再次回憶那個我說過很有用的量子基本方程，E = hν，也就是說，對應這個能量，電子一定會具有一個內稟的頻率。這個頻率的計算很簡單，因為mc^2 = E = hν，所以ν= mc^2/h。
　　好。電子有一個內在頻率。那麽頻率是什麽呢？它是某種振動的周期。那麽我們又得出結論，電子內部有某些東西在振動。是什麽東西在振動呢？德布羅意借助相對論，開始了他的運算，結果發現……當電子以速度v0前進時，必定伴隨著一個速度為c^2/v0的波……
　　噢，你沒有聽錯。電子在前進時，總是伴隨著一個波。細心的讀者可能要發出疑問，因為他們發現這個波的速度c^2/v0將比光速還快上許多，但是這不是一個問題。德布羅意證明，這種波不能攜帶實際的能量和信息，因此並不違反相對論。愛因斯坦隻是說，沒有一種能量信號的傳遞能超過光速，對德布羅意的波，他是睜一隻眼閉一隻眼的。
“波，隻有波才是唯一的實在。”薛定諤肯定地說，“不管是電子也好，光子也好，或者任何粒子也好，都隻是波動表麵的泡沫。它們本質上都是波，都可以用波動方程來表達基本的運動方式。”
　　“絕對不敢苟同。”海森堡反駁道，“物理世界的基本現象是離散性，或者說不連續性。大量的實驗事實證明了這一點：從原子的光譜，到康普頓的實驗，從光電現象，到原子中電子在能級間的跳躍，都無可辯駁地顯示出大自然是不連續的。你那波動方程當然在數學上是一個可喜的成就，但我們必須認識到，我們不能按照傳統的那種方式去認識它--它不是那個意思。”

通常我們會以為，先有物理量的定義，然後才談得上尋找它們的數學關係。比如我們懂得了力F，加速度a和質量m的概念，之後才會理解F=ma的意義。但現代物理學的路子往往可能是相反的，比如物理學家很可能會先定義某個函數F，讓F＝ma，然後才去尋找F的物理意義，發現它原來是力的量度。薛定諤的ψ，就是在空間中定義的某種分布函數，隻是人們還不知道它的物理意義是什麽。



　飯後閑話：決定論
　　可以說決定論的興衰濃縮了整部自然科學在20世紀的發展史。科學從牛頓和拉普拉斯的時代走來，輝煌的成功使它一時得意忘形，認為它具有預測一切的能力。決定論認為，萬物都已經由物理定律所規定下來，連一個細節都不能更改。過去和未來都像已經寫好的劇本，宇宙的發展隻能嚴格地按照這個劇本進行，無法跳出這個窠臼。
　　矜持的決定論在20世紀首先遭到了量子論的嚴重挑戰，隨後混沌動力學的興起使它徹底被打垮。現在我們已經知道，即使沒有量子論把概率這一基本屬性賦予自然界，就牛頓方程本身來說，許多係統也是極不穩定的，任何細小的幹擾都能夠對係統的發展造成極大的影響，差之毫厘，失之千裏。這些幹擾從本質上說是不可預測的，因此想憑借牛頓方程來預測整個係統從理論上說也是不可行的。典型的例子是長期的天氣預報，大家可能都已經聽說過洛倫茲著名的“蝴蝶效應”，哪怕一隻蝴蝶輕微地扇動它的翅膀，也能給整個天氣係統造成戲劇性的變化。現在的天氣預報也已經普遍改用概率性的說法，比如“明天的降水概率是20%”。
　　1986年，著名的流體力學權威，詹姆士?萊特希爾爵士(Sir James Lighthill，他於1969年從狄拉克手裏接過劍橋盧卡薩教授的席位，也就是牛頓曾擔任過的那個)於皇家學會紀念牛頓《原理》發表300周年的集會上發表了轟動一時的道歉：
　　“現在我們都深深意識到，我們的前輩對牛頓力學的驚人成就是那樣崇拜，這使他們把它總結成一種可預言的係統。而且說實話，我們在1960年以前也大都傾向於相信這個說法，但現在我們知道這是錯誤的。我們以前曾經誤導了公眾，向他們宣傳說滿足牛頓運動定律的係統是決定論的，但是這在1960年後已被證明不是真的。我們都願意在此向公眾表示道歉。”
關於光的本性，粒子和波動兩種理論是如何從300年前開始不斷地交鋒，其間興廢存亡有如白雲蒼狗，滄海桑田。從德布羅意開始，這種本質的矛盾成為物理學的基本問題，而海森堡從不連續性出發創立了他的矩陣力學，薛定諤沿著另一條連續性的道路也發現了他的波動方程。這兩種理論雖然被數學證明是同等的，但是其物理意義卻引起了廣泛的爭論，波恩的概率解釋更是把數百年來的決定論推上了懷疑的舞台，成為浪尖上的焦點。而另一方麵，波動和微粒的戰爭現在也到了最關鍵的時候。
　　接下去，物理學中將會發生一些真正奇怪的事情。它將把人們的哲學觀改造成一種似是而非的瘋狂理念，並把物理學本身變成一個大漩渦。20世紀最著名的爭論即將展開，其影響一直延綿到今日。

　　(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.)
　　決定論的垮台是否注定了自由意誌的興起？這在哲學上是很值得探討的。事實上，在量子論之後，物理學越來越陷於形而上學的爭論中。也許形而上學(metaphysics)應該改個名字叫“量子論之後”(metaquantum)。在我們的史話後麵，我們會詳細地探討這些問題。
　　Ian Stewart寫過一本關於混沌的書，書名也叫《上帝擲骰子嗎》。這本書文字優美，很值得一讀，當然和我們的史話沒什麽聯係。我用這個名字，一方麵是想強調決定論的興衰是我們史話的中心話題，另外，畢竟愛因斯坦這句名言本來的版權是屬於量子論的。



原子還是拚命地保有最後的一點內能不讓我們測準它的動量。不管是誰，也無法讓原子完全靜止下來，傳說中的聖鬥士也不行--他們無法克服不確定性原理。
　　動量p和位置q，它們真正地是“不共戴天”。隻要一個量出現在宇宙中，另一個就神秘地消失。要麽，兩個都以一種模糊不清的麵目出現。海森堡很快又發現了另一對類似的仇敵，它們是能量E和時間t。隻要能量E測量得越準確，時刻t就愈加模糊；反過來，時間t測量得愈準確，能量E就開始大規模地起伏不定。而且，它們之間的關係遵守相同的不確定性規則：
　　△E×△t > h/2π

獨立而完備地分析選擇--量子力學本征態
分類:真理
2007.8.27 16:34 作者：unifytruth | 評論：0 | 閱讀：245
物理學強調進行完備的本征態態展開，這相當於完備而獨立地研究追求者的各種選擇。
態展開的完備性是首先要強調的。所有可能的位置和所有可能的動量都能成為完備的基函數，這相當於研究一名完美消費者的所有欲望和研究他的所有消費是等效的。但是，僅僅有完備性還不夠，如果基函數之間不能保持相互獨立，研究的難度會大大增加，用矩陣力學的語言就是說，如果各成分之間相互獨立就隻需要研究對角矩陣（n個元素），否則就要研究所有矩陣元（nXn個元素）。
態的獨立性的經濟中是很少被注意到的研究條件，但是在物理學中就非常重要。什麽是相互獨立的態呢？首先要認識到，獨立的態隻是相對於環境（在經濟中就是可能契約環境，在宇宙中就是勢場環境）而言，如果在固定環境下，追求者在各態上的比重不會改變，相位也相對不變（這樣各個態之間的相互疊加結果也不會改變），就被認為是相互獨立的。這些相互獨立的態就是該環境下的能量本征態。
改變環境就會改變態的相互獨立性，也就是改變本征態集合。例如，一種產品的價格分布如果是中心對稱的，消費者會有圍繞該產品的一組本征態，但是，如果在一個小的範圍內有兩種不同產品具有中心對稱價格分布，其本征態就會是另一個樣子了。中心對稱價格分布相當於價格僅僅是該產品消費金額占總消費金額比例的函數，不存在態歧視，完美市場中的價格分布（庫侖勢）都是這一類型，而完美市場中的本征態也就對應於各種原子軌道。有意思的是，雖然價格分布本身沒有歧視，態分布本身卻可以有歧視，在庫侖勢中，除了s態（角動量為零的本征態）以外的波函數都不是中心對稱的。
所以，隻要環境改變，就要小心本征態的改變。如果環境的變化導致本征態改變了，原來穩定不變的態（必然是原來本征態的某種疊加）就必然要改變。
在量子力學中，本征態之重要性在於很容易計算各種平均值，隻要計算出粒子處於各本征態的幾率以及各本征態的能量，對能量進行幾率加權求和（或者說對幾率進行能量加權求和）就是平均能量。如果本征態還有其它的有單一值的量（如庫侖勢場中的角動量），在量子力學中就稱為該量的算符和能量算符對易（可同時測量），不可對易就是不可同時測量（測不準原理）。
一個重要的情況是：能量算符和時間算符總是不可對弈的。如“用‘布裏丹之鳥’解釋測不準原理”一文所述，這是因為時間方向上固定強度的欲望總是周期性的，特定時間點的欲望總是包含所有周期的。
從平均能量的計算方法可以看出，高能態的占據幾率小並不一定意味著對平均能量的貢獻小。在經濟中，對一個追求者的觀察有交易觀察法和價值分析法兩種，觀察一個人做各種交易的機會就是觀察他的幾率分布，觀察他的利潤來源就是價值分析法，他的主要利潤可能來自於很少從事的一些活動。
在傳記文學方麵，重視科學家、思想家的日常生活逐漸成為了一種趨勢，這就類似於幾率觀察法。但是，如果不附加價值權重，這種觀察往往導致嚴重的錯誤。思想的價值可能無限大，所以，即使隻有很少的比重處於無限大能級，它對平均能量的貢獻也可能很高。況且，思想家的行為容易觀察，思想過程卻難以捕捉，日常生活類型的傳記要容易寫得多，但是，這並不意味著這是最好的傳記，例如，愛因斯坦的自述就堅決地以思想為主線。


潛意識

輻射能量的不連續性已經是一個不可避免的結果
直覺
意識


意識使波函數坍縮？可什麽才是意識呢？這是被哲學家討論得最多的問題之一，但在科學界的反應卻相對冷淡。在心理學界，以沃森(John B.Watson)和斯金納(B.F.Skinner)等人所代表的行為主義學派通常樂於把精神事件分解為刺激和反應來研究，而忽略無法用實驗確證的“意識”本身。的確，甚至給“意識”下一個準確的定義都是困難的，它產生於何處，具體活動於哪個部分，如何作用於我們的身體都還是未知之謎。人們一般能夠達成共識的是，並非大腦的所有活動都是“意識”，事實上大腦的許多活動是我們本身意識不到的，我們


通常隻注意到它的輸出結果，而並不參控它運行的整個過程。當我的耳邊響起《第九交響曲》時，我的眼前突然不由浮現出我在中學時代的童年時光，但我自己一點都不知道我的大腦是如何具體地一步步完成了這個過程，這是在我的“下意識”中完成的！有時候我甚至會奇怪：我為什麽會這樣想呢？另外，許多人也承認，“意識”似乎與我們的“注意”密切相關，它同時還要求一定的記憶能力來完成前後連貫的動作。
　　可以肯定的是，意識不是一種具體的物質實在。沒有人在進行腦科手術時在顱骨內發現過任何有形的“意識”的存在。它是不是腦的一部分的作用體現呢？看起來應該如此，但具體哪個部分負責“意識”卻是眾說紛紜。有人說是大腦，因為大腦才有種種複雜的交流性功能，而掌握身體控製的小腦看起來更像一台自動機器。我們在學習遊泳或者騎自行車的時候，一開始總是要戰戰兢兢，注意身體每個姿勢的控製，每個動作前都要想想好。但一旦熟練以後，小腦就接管了身體的運動，把它變成了一種本能般的行為。比如騎慣自行車的人就並不需要時時“意識”到他的每個動作。事實上，我們“意識”的反應是相當遲緩的(有實驗報告說有半秒的延遲)，當一位鋼琴家進行熟練的演奏時，他往往是“不假思索”，一氣嗬成，從某種角度來說，這已經不能稱作“完全有意識”的行為，就像我們平常說的：“熟極而流，想都不想”。而且值得注意的是，這種後天學習的身體技能往往可以保持很長時間不被遺忘。
　　也有人說，大腦並沒有意識，而隻是指揮身體的行動。在一個實驗中，我們刺激大腦的某個區域使得試驗者的右手運動，但試驗者本身“並不想”使它運動！那麽，當我們“有意識”地想要運動我們的右手時，必定在某處由意識產生了這種欲望，然後通過電信號傳達給特定的皮層，最後才導致運動本身。實驗者認為中腦和丘腦是這種自由意識所在。但也有別人認為是網狀體，或者海馬體的。很多人還認為，大腦左半球才可以稱得上“有意識”，而右半球則是自動機。
　　這些具體的爭論且放在一邊不管，我們站高一點來看問題：意識在本質上是什麽東西呢？它是不是某種神秘的非物質世界的幽靈，完全脫離我們的身體大腦而存在，隻有當它“附體”在我們身上時，我們才會獲得這種意識呢？顯然絕大多數科學家都不會認同這種說法，一種心照不宣的觀點是，意識是一種結構模式，它完全基於物質基礎(我們的腦)而存在，但卻需要更高一層次的規律去闡釋它。這就是所謂的“整體論”(Holism)的解釋。
　　什麽是意識？這好比問：什麽是信息？一個消息是一種信息，但是，它的載體本身並非信息，它所蘊涵的內容才是。我告訴你：“湖人隊今天輸球了”，這8個字本身並不是信息，它的內容“湖人隊輸球”才是真正的信息。同樣的信息完全可以用另外的載體來表達，比如寫一行字告訴你，或者發一個E-Mail給你，或者做一個手勢。所以，研究載體本身並不能得出對相關信息有益的結論，就算我把這8個字拆成一筆一劃研究個透徹，這也不能幫助我了解“湖人隊輸球”的意義何在。信息並不存在於每一個字中，而存在於這8個字的組合中，對於它的描述需要用到比單個字更高一層次的語言和規律。
　　什麽是貝多芬的《第九交響曲》？它無非是一串音符的組合。但音符本身並不是交響曲，如果我們想描述這首偉大作品，我們要涉及的是音符的“組合模式”！什麽是海明威的《老人與海》？它無非是一串字母的組合。但字母本身也不是小說，它們的“組合模式”才是！為了更好地理解字母不是小說，組合模式才是小說的概念，我們假設用最簡單的編碼方法來加密《老人與海》這部作品，也就是對於每一個字母用相應的符號來替換。比如說A換成圓圈，B換成方塊，C換成三角……等等。現在我們手上有一本充滿了古怪符號的書，我問你：這還是《老人與海》嗎？大部分人應該承認：還是。因為原書的信息並沒有任何的損失，它的“組合模式”仍然原封不動地保留在那裏，隻不過在基礎層麵上換了一種表達方式罷了，它完全可以再反編譯回來。這本密碼版《老人與海》完全等價於原本《老人與海》！
　　回到我們的問題上來：什麽是意識？意識是組成腦的原子群的一種“組合模式”！我們腦的物質基礎和一塊石頭沒什麽不同，是由同樣的碳原子、氫原子、氧原子……組成的。構成我們腦的電子和構成一塊石頭的電子完全相同，就算把它們相互調換，也不會造成我們的腦袋變成一塊石頭的奇觀。我們的意識，完全建築在我們腦袋的結構模式之上！隻要一堆原子按照特定的方式排列起來，它就可以構成我們的意識，就像隻要一堆字母按照特定的方式排列起來，就可以構成《老人與海》一樣。這裏並不需要某個非物質的“靈魂”來附體，就如你不會相信，隻有當“海明威之魂”附在一堆字母上才會使它變成《老人與海》一樣。單個腦細胞顯然不能意識到任何東西，但是許多腦細胞按照特定的模式組合起來，“意識”就在組合中產生了。
　　好，到此為止，大部分人還是應該對這種相當唯物的說法感到滿意的。但隻要再往下合理地推論幾步，許多人可能就要覺得背上出冷汗了。如果“意識”完全取決於原子的“組合模式”的話，第一個推論就是：它可以被複製。出版社印刷成千上萬本的《老人與海》，為什麽原子不能被複製呢？假如我們的技術發達到一定程度，可以掃描你身體裏每一個原子的位置和狀態，並在另一個地方把它們重新組合起來的話，這個新的“人”是不是你呢？他會不會擁有和你一樣的“意識”？或者幹脆說，他和你是不是同一個人？假如我們承認意識完全基於原子排列模式，我們的回答無疑就是YES！這和“克隆人”是兩個概念，克隆人隻不過繼承了你的基因，而這個“複製人”卻擁有你的意識，你的記憶，你的感情，你的一切，他就是你本人！
　　近幾年來，在量子通信方麵我們有了極大的突破。把一個未知的量子態原封不動地傳輸到第二者那裏已經成為可能，而且事實上已經有許多具體協議的提出。雖然令人欣慰的是，有一個叫做“不可複製定理”(no cloning theorem，1982年Wootters，Zurek和Dieks提出)的原則規定在傳輸量子態的同時一定會毀掉原來那個原本。換句話說，量子態隻能cut paste，不能copy paste，這阻止了兩個“你”的出現。但問題是，如果把你“毀掉”，然後在另一個地方“重建”起來，你是否認為這還是“原來的你”？
　　另一個推論就是：“組合模式”本身並非要特定的物質基礎才能呈現。我們已經看到，我們完全可以用另一套符號係統去重寫《老人與海》，這並不造成實質的差別。一套電影，我可以用膠片記錄，也可以用錄像帶，VCD，LD或者DVD記錄。當然有人會提出異議，說壓縮實際上造成了信息的損失，VCD版的Matrix已經不是電影版的Matrix，其實這無所謂，我們換個比喻說，一張彩色數字照片可以用RGB來表示色彩，也可以用另一些表達係統比如說CMY，HSI，YUV或者YIQ來表示。再比如，任何序列都可以用一些可逆的壓縮手法例如Huffman編碼來壓縮，字母也可以用摩爾斯電碼來替換，歌曲可以用簡譜或者五線譜記錄，雖然它們看上去很不同，但其中包含的信息卻是相同的！假如你有興趣，用圍棋中的白子代表0，黑子代表1，你無疑也可以用鋪滿整個天安門廣場的圍棋來拷貝一張VCD，這是完全等價的！
　　那麽，隻要有某種複雜的係統可以包含我們“意識模式”的主要信息或者與其等價，顯然我們應該認為，意識並不一定要依賴於我們這個生物有機體的肉身而存在！假設我們大腦的所有信息都被掃描而存入一台計算機中，這台計算機嚴格地按照物理定律來計算這些分子對於各種刺激的反應而最終求出相應結果以作出回應，那麽從理論上說，這台計算機的行為完全等同於我們自身！我們是不是可以說，這台計算機實際上擁有了我們的“意識”？
　　對於許多實證主義者來說，判定“擁有意識”或者“能思考”的標準便嚴格地按照這個“模式結構理論”的方法。意識隻不過是某種複雜的模式結構，或者說，是在輸入和輸出之間進行的某種複雜算法。任何係統隻要能夠模擬這種算法，它就可以被合理地認為擁有意識。和馮?諾伊曼同為現代計算機奠基人的阿蘭?圖靈(Alan Turin)在1950年提出了判定計算機能否像人那般實際“思考”的標準，也就是著名的“圖靈檢驗”。他設想一台超級計算機和一個人躲藏在幕後回答提問者的問題，而提問者則試圖分辨哪個是人哪個是計算機。圖靈爭辯說，假如計算機偽裝得如此巧妙，以致沒有人可以在實際上把它和一個真人分辨開來的話，那麽我們就可以聲稱，這台計算機和人一樣具備了思考能力，或者說，意識(他的原詞是“智慧”)。現代計算機已經可以擊敗國際象棋大師(可憐的卡斯帕羅夫！)，真正騙倒一個測試者的日子不知還有多久才能來到，大家自己估計一下好了。
　　計算機在複雜到了一定程度之後便可以實際擁有意識，持這種看法的人通常被稱為“強人工智能派”。在他們看來，人的大腦本質上也不過是一台異常複雜的計算機，隻是它不由晶體管或者集成電路構成，而是生物細胞而已。但細胞也得靠細微的電流工作，就算我們尚不完全清楚其中的機製，也沒有理由認為有某種超自然的東西在裏麵。就像薛定諤在他那本名揚四海的小冊子《生命是什麽》中所做的比喻一樣，一個蒸汽機師在第一次看到電動機時會驚訝地發現這機器和他所了解的熱力學機器十分不同，但他會合理地假定這是按照某些他所不了解的原理所運行的，而不會大驚小怪地認為是幽靈驅動了一切。
　　你可能要問，算法複雜到了何種程度才有資格被稱為“意識”呢？這的確對我們理解波函數何時坍縮有實際好處！但這很可能又是一個難題，像那個著名的悖論：一粒沙落地不算一個沙堆，兩粒沙落地不算一個沙堆，但10萬粒沙落地肯定是一個沙堆了。那麽，具體到哪一粒沙落地時才形成一個沙堆呢？對這種模糊性的問題科學家通常不屑解答，正如爭論貓或者大腸杆菌有沒有意識一樣，我們對波函數還是一頭霧水！
　　當然，也有一些更為極端的看法認為，任何執行了某種算法的係統都可以看成具有某種程度的“意識”！比如指南針，人們會論證說，它“喜歡”指著南方，當把它撥亂後，它就出於“厭惡”而竭力避免這種狀態，而回到它所“喜歡”的狀態裏去。以這種帶相當泛神論色彩的觀點來看，萬事萬物都有著“意識”，隻是程度的不同罷了。意識，簡單來說，就是一個係統的算法，它“喜歡”那些大概率的輸出，“討厭”那些小概率的輸出。一個有著趨光性的變形蟲也有意識，隻不過它“意識”的複雜程度比我們人類要低級好多好多倍罷了。
　　你也許不相信這種說法，但你隻要承認“意識”隻是在物質基礎上的一種排列模式，你便很難否認我們說到的一些奇特性質。甚至連“意識是否可能在死後繼續存在”這樣的可怕問題，我們的答案也應該是在原則上肯定的！這就好比問，《第九交響曲》在音樂會結束後是不是還繼續存在？顯然我們隻要保留了這個排列信息的資料，我們隨時可以用不同的方法把它具體重現出來(任何時候都不缺碳原子、氫原子……)。當然，在我們的技術能力還達不到能夠獲得全部組合信息並保留它們之前(可能我們永遠也沒有這個技術)，人死後自然就沒有意識了，就像音樂會後燒毀了所有的樂譜一樣，這個樂曲自然就此“失傳”了。
　　你可能已經看得瞠目結舌，不過我們的說法把意識建立在完全客觀和唯物的基礎上，它實在已經是最不故作神秘的一種！意識不是一個獨立的存在，而是係統複雜到了一定程度後表現出來的客觀性質。它雖然是一種組合機製，但脫離了具體的物質(暫時肉體是唯一可能)它也無法表現出來。就像軟件脫離了硬件無法具體運行一樣，意識的體現不可能脫離物質而進行。假如我們被迫去尋找一種獨立於物質的“意識”的話，那未免走得太遠了。
　　當然，對於習慣了二元論的公眾來說，試圖使他們相信靈魂或者意識隻是大量神經原的排列和集體行為是教他們吃驚的。對於徹底的唯物論者，試圖使他們相信意識作為一種特定的排列信息可能長期保存並在不同平台上重現也是艱難的任務。心理學家和神經科學家克裏克(Francis Crick)不得不把這一論斷稱為“驚人的假說”(見《驚人的假說：靈魂的科學探索》)。但對於大多數科學家來說，這也許是一種理所當然的推論。當然也有某些人認為意識或者靈魂並非複雜性造就的一個客觀的副產品，它並不一定能夠用算法來模擬，並的確具有某種主動效應！這裏麵包括牛津大學的羅傑?彭羅斯(Roger Penrose)，諸位如果有興趣了解他的觀點，可以閱讀其著作《皇帝新腦》(The Emperor’s New Mind)。
　　*********
全息的相對性與絕對性
李學生
摘要: 文章從唯物辯證法的觀點出發根據物理學的現狀分析了全息的相對性與絕對性。
關鍵詞：全息、相對性、絕對性、係統論
(一)全息的絕對性
20世紀80年代前後，當烏傑教授將係統哲學與辨證哲學交叉構建係統辨證學的時候，與係統方法認識和處理整體與部分關係相近的，如吳學謀教授的泛係全息、張穎清教授的生物全息、王存臻和嚴春友教授的宇宙全息等也開始起步。係統辨證論的中心規律---差異協同律揭示得好：任何係統都是差異與協同的整體、同一體。這表達了全息不全的係統辨證規律。然而後三個卻強調全息的命題：
1、泛係全息的命題—— 動態係統或廣義係統，派生或控製了它的係統與子係統之間、各子係統之間、全過程與子過程之間、曆時結構與共時或斜時結構之間、群體進化與個體發育間的縮影、相似、重演和全息等類的模擬關係。任何係統都有這類潛在的或顯化的縮影係統間的模擬性。這種規律就叫做泛係全息重演律。它統一地概括了諸如生物重演律、智力發展重演律、生物全息現象、生物全息重演律、曆時共時潛似性、認識過程中的泛係觀控全息重演律等概念。
2、生物全息的命題—— 生物體的任一相對獨立部分的每一位點的化學組成相對於這一部分的其它位點，都和整體上的其所對應部位的化學組成相似程度較大。簡言之，生物體每一相對獨立的部分的化學組成模式與整體相同，是整體的成比例的縮小。提出者聲稱：不管是動物還是植物，不管是海星還是大象，不管是水母還是長頸鹿，都有著這樣的統一性，即生物體存在每一相對獨立的部分，存在部分與部分相似，部分與整體相似的構成。當以這樣的觀點觀察生物時，那些司空見慣的事實，如葉形、果形、斑馬的斑紋、人手指的數目就都被賦予了新的意義，使人感到了巨大的驚異，好象是第一次認識它們似的，如全息照片，任何撕裂的碎片，都具有整體的成像。
3、宇宙全息的命題—— 宇宙是一個統一整體，在這個統一體中，各子係與子係、子係與係統、係統與宇宙之間在空間、時間上存在著泛對應性。在這些泛對應關係中，凡對應部位較之非對應部位在物質組成、重演程度、感應程度、對應程度、脈動頻率、經絡振蕩等物質特性上相似程度較大。這樣，在潛信息上，子係包含著係統的全部信息，係統包含著宇宙的全部信息；在顯信息上，子係是係統的縮影，係統是宇宙的縮影。這很象一幅全息照片，這一圖景展示了宇宙整體的大統一性。
泛係、全息在不到十餘年的時間，以交叉出數十門學科的速度普及到半個中國學術界。有人聲稱，係統論和全息論分別體現了兩種相反相成的思路。全息認識論豐富與發展了辨證法的認識論，為部分與整體、有限與無限對立統一的辨證關係提出了全新的實際內容和科學證據。中國科技大學的李誌超先生所說的：“全息學迄今主要被看作是一門技術科學，但它的深度和廣度應該大大擴展。從信息學角度而言，全息學與思維、生命、宇宙等大科學學科有密切關係。為此，有必要從數理基礎上重新整頓全息學體係。”分形幾何學的基本思想是：客觀事物具有自相似性的層次結構，局部與整體在形態、功能、信息、時間、空間等方麵具有統計意義上的相似性，稱為自相似性。這與宇宙全息統一論是一致的，利用分形幾何學可能研究宇宙全息統一論。Einstein認為："西方科學的發展是以兩個發現為基礎的，這就是希臘哲學家發明的形式邏輯體係（在Euclid幾何學中）以及通過係統的實現發現有可能找到因果關係（在文藝複興時期）。在我看來，中國的賢哲沒有走上這兩步，這倒不是令人驚奇的，令人驚奇的倒是這些發現在中國全都做出來了"。這說明中國古典哲學中尚存在著許多重要的問題需要研究。
（二）、全息的相對性
隻講任何部分與整體、部分與部分都相似的這種全息，難免不帶預見性、確定性。應該說，這不是係統辨證學能接受的觀點。差異協同律不獨持全息，因為它認為不論是物質世界還是精神世界，也不論是微觀世界還是宏觀世界、生命體還非生命體，係統形態都存在著對稱與非對稱問題。也就是說，全息、全息不全、不全息都是係統的題中之議。事實證明也是這樣：有人用無芒的小麥和甜玉米做全息遺傳勢的定域選種試驗，證明無全息胚學說的效應，從而提出全息生物學的複雜性思考，即世界上已發現近190萬種生物，要建立一個適合於全部生物界的理論，發現能支配全部生物種類的規律，就不能不充分考慮生物界的千差萬別。全息胚並不是繼虎克、施來登、施旺發現細胞之後，又揭示出生物還有另外的一種統一的結構單位和功能單位，而是繼哥德、居維葉、聖希萊爾之後，把已經擱置起來的生物體普適模式問題的爭論，再次挑起來。自然全息說到底，隻是一種由此及彼的自然聯係與思維聯係的印記。
即使從DNA的半保留複製和細胞的有絲分裂，使生物體的胚胎和體細胞保留著與整體相同的一套基因來看，這也還不是全息胚向新整體發育的充分必要條件，而僅是一種必要條件。這裏可以借用魔方作類比：旋轉魔方可以組織4.325×10的19次方餘種圖案，但魔方每次隻能停留在一種圖案狀態，而且一段時間的旋轉也難窮盡這4.325×10的19次方餘種圖案；相反它在某些人手裏隻會反複呈現某些固定的圖案。這說明魔方的結構與功能，既保持著一種概率性，又保留著一種待開發性。這是不帶預見性和確定性的全息演示。對此，耗散結構理論創立者、諾貝爾獎金得主普利高津還說：時間性可逆過程在現實中是罕見的，不可逆過程卻在我們周圍頻頻發生；這一明顯的不可逆時間流，賦予物理學一種新的文化內涵：我們生活在一個可確定的概率世界，生命和物質在這個世界裏沿時間方向不斷演化，確定性本身才是錯覺。
對此，也能從中科院生物物理所研究員郭愛克寫的泛係全息重演律方程中推證出全息不全。郭愛克研究了麥克萊恩關於三位一體的腦結構和腦進化的腦模式：覆蓋脊髓、後腦和中腦上麵的另外三層連續堆積及其功能特化的爬蟲複合體、邊緣係統和新皮質，爬蟲複合體負責攻擊和性行為；邊緣係統控製興奮、恐懼以及多種人所特有的又往往是難以捉摸的感情。以上都是退化了的爬行動物和哺乳動物的腦子，而人類還有自己的腦子，即新皮質的高度發育階段，是寓藏想象力、辨別力等高級智能活動的物質基礎。之後，他對泛係全息重演律的認識是：一個動態發展的泛係在時空結構上隱含了原泛係及發展曆程的複合鳥瞰係統的泛係模型，這種模型隻有在一定條件下才產生。即腦的進化模式正是一個泛係與作為環境泛係的兩者間的協同和泛適應。這不正如產生激光全息照片，需要兩束相幹光一樣嗎？
泛係的這種進化或鳥瞰，實質表明泛係或全息隱含一種時間流或時間箭頭。即若S為某一泛係，它有某種分劃S=US1 ,並設這裏有某種泛係模擬f2:SUS2--S1，這裏S2為某種泛係環境。這時S就叫做泛係全息體。而全息不全、泛係不泛是由於f(S2(T,t)US(T,t))。t--T分別表示個體發育和種係進化的時間參量，S(t,t2)對於S(t,t1) 有更多的協同模擬性，這裏t2 >t1 。然而在自然界中，可同時或同地，或同時同地存在S(t,t2)與S(t,t1)泛係。也許有人會問，這是兩個不同種群的部分，它們當然不能相對應。然而正是這種不同群係的不能相對應，在自然界也能同時同地進入或呈現在一個係統或整體中。這其中的道理，是點線麵體文明早就揭示了的。例如一個圓圈的旋轉或平動，它可以形成球麵或環麵，即在一個連續係統中可以同時有球麵和環麵；而球麵和環麵又是不同倫的。
其次根據自旋的定義，類圈體的整體三旋是與它的轉座子三旋不同倫的，即整體的自旋含有對稱和能組織旋轉麵，部分卻不能；這又含有“整體與部分不同倫”的命題，並可分解含有“部分與部分同倫”或“類圈體與類圈體同倫”，以及“部分與部分的相似大於部分與整體的相似”這樣的意思。隻要你是部分，你就不能全息了解整體。精致地研究“部分與整體相似”的一些情況，可以發現是一些弱相似，或者是一種有很強限製條件的相似。例如要做一個部分與整體完全自相似的分形分維圖形，是要選擇確定的源多邊形和生成線的。而且這種圖形隻等價於球麵與球麵的一部分，或平麵與平麵的一部分相似這種情況。因為不管是在球體整個麵上畫一個圓，還是在球體局部麵上畫一個圓，對於約當定理這類情況的了解都是一樣。但在環麵卻不一樣，部分麵不能代表整體麵。
所以，全息論中所謂的“部分與整體相似”的命題，隻等價於一個球麵命題，也隻等價於類圈體上“部分與部分相似”這個命題。並且由於球體為能作線旋，因此凡是表麵不能作線旋的圈體，在三旋意義上也隻和球體類似（這與暫不作線旋不同，這是指死圈），這是三旋不同於拓撲學的地方。
因此層次、等級、階段的可比原理，首先是要確定係統是三旋係統還是非三旋係統。如果是三旋係統，部分與整體相似或部分等於整體，隻存在於整體的大部分與小部分相較之中，確定論意義也在於此。這樣，要想從部分了解整體，最好是用無條件概率計進行檢查。這就是確定論與統計論的統一與分離。
（三）、全息的相對性與絕對性原理
同倫概念來自微分幾何和拓撲學，而它們正代表了當代的點線麵體文明。加上諸如映射、連續函數、流形、群等概念，都能揭示全息不全、泛係不泛的內涵。例如把一個圓圈s'映射到環麵（內胎）上有三種情況：g(s')是沿此圈可在環麵局部開個小孔；f(s')是沿此圈能把環圈切斷變成圓柱筒；h(s')是沿此圈可把環圈剖開變成圓環麵。這三種情況在環麵上找不到一串圓圈或封閉曲線能使g(s')連續地變形成f(s')或h(s'),反過來也是一樣。這說明映射g 、f 、h 是互相不同倫的。類此，把s'映射到某個圖形X上，所得到的所有映射按照彼此同倫與否劃分成等價類，彼此同倫的算一類。同類的集中在一起時就構成一個群，叫做X的同倫群，記作π1(X)。由於球麵上的s'的所有映射都同倫，即π1 隻含零元素，所以能用π1 把球麵與環麵區別開來。由於一個係統中可能同時存在類似球麵與環麵的子係統，而會引發係統辨證學涉及球麵與環麵不同倫的問題。
即同倫是一種映射連續函數。用此映射，能連續變換的圖形稱為同倫，反之則稱為不同倫。同倫的稱為群，不同倫則可分為不同的群。用此群，能分出球麵和環麵不能連續映射。流形也是一種圖形的連續運動的軌跡。流形與群都有判斷分類的問題。這是拓撲學、微分幾何中的情況。泛係全息、生物全息、宇宙全息涉及的則不同，因為用此標準，球麵和環麵可能同時存在一個係統中，用連續映射評斷各個子係統，會出現球麵與環麵的不同倫。而連續映射是相似概念的一個最弱*作。既然如此，球麵與環麵又是係統的子係統，即證明部分與部分有不相似的；同理也能證明部分與整體有不相似的。即證明在泛係全息、生物全息、宇宙全息係統中，會有全息不全。
可以看出，全息的部分是一個群元素，且僅是一個群元素。全息既然是群，群就有差異，而不是僅由球麵構成自然界的所有係統。泛係與全息產生的陷阱，是把球麵構成的係統當成了從簡單到複雜的所有係統的特征，無視環麵一類係統或球麵與環麵混合一類係統的存在。這是中國傳統文化和點線麵體文明之間的最大差異。全息由於是同倫群，就有條件限製，如物理全息，要有兩束相幹光。即使分形的自相似也有標度限定。因此不能把任何部分與部分、部分與整體都是相似的，當作是普遍成立的泛係全息、生物全息、宇宙全息的定律。反之，泛係全息、生物全息、宇宙全息從同倫出發，也有存在。即把其中部分與部分相似的，部分與整體相似的看成一個群，剔出來作為一個同倫群來研究，也非常有意義。
在拓撲學和微分幾何中，把一個球麵與一個環麵相靠粘連起來而不封閉環圈，那麽新構成的整體將算作環麵，即這個限定為：球麵+環麵=環麵。微分幾何的定理與拓撲學的定理是相容的，不能這裏是錯誤，在那裏是正確。這被引申為數學無矛盾定理，即正確+錯誤=錯誤。這使得各門數學中的定理不能相互矛盾，如在平麵幾何與非歐幾何中有第五公設的矛盾，但作平麵和曲麵的區分限定為都正確，不作區分限定為錯誤。也許係統現象中也有：正確+錯誤=正確+錯誤，但這也要有限定。例如世界上由於國家不同、製度不同、時期不同，有法律規定的矛盾。但在同一個標準限定的係統內，仍然應該是：正確+錯誤=錯誤。這有如對應球麵+環麵=環麵。所謂的點線麵體文明，是指人類的實踐、思維與知識，對投射基礎的數學幾何思考的依賴，以避免或走出主觀或客觀設置的陷阱。人類各個時期的實踐、思維與知識不一定要追尋到點線麵體常識，也不需要停留在點線麵體的研究，這是科學技術的層次性。但奇異的是，即使到了今天，現代物理學的理論和應用都取得了無比的輝煌，但在20世紀末科學家們都還不得不回到兩千多年前類似最初對點線麵體的區別中去。這可真謂叫清理點線麵體文明。例如被譽為物理學的第三次革命的超弦理論，就不再把兩千多年實踐應用下來的能量點，作為科學基礎的出發點，而是重新選定能量環。 環麵與球麵不同倫，科學也經過數千年的發展，最後才在拓撲學、微分幾何、微分流形中建樹起這種全域性與局域性區分的觀念。但也難向其它學科滲透，三旋是第一個作這種全麵推廣的嚐試。簡單地說，環麵與球麵不同倫，類似家庭中的倫輩現象；家庭中不能以好似同構、同胚、同調看待人，表現在文明的社會要想可持續傳代發展，是禁諱亂倫的。環麵與球麵的區別不是類似曲麵與平麵的區別，而是對應全域性與局域性的那種區別，其不同倫區別的意義在於也有科學文明的撥亂作用。 現在還沒有人能從物理實驗上證實物質是無限可分的，因為物質實際是對現存物體作的廣延、合理抽象而構成的實體，即物質的基礎是我們可以觀感到的物體；不可觀感的物體，如以太、暗物質之類，仍是從可觀感到的物體方麵，作的抽象、推理或數學、物理之類的延伸。它們都主要是一種動力學概念，而不是象粒子還包含有幾何學概念。例如說，它有一個幾何包圍麵，粒子分子，這個添長著的表麵現象仍然去不掉；如果它是球麵，我們就可以判定它和環麵不同倫。如果它是環麵又存在三旋，我們就有法證明它上麵的標記出現，是成幾率波性的。因此，雖然哲學對物質無限可分這類強調有限無限涉及世界整體的世界觀問題，有發言權。但粒子可分是具體的科學問題，粒子不是無限可分說正體現物質無限可分必須引進新的概念的宗旨，其次也體現粒子可分強調科學研究要進行實在的*作。所以從三旋的62種自旋態的實際*作上看，如果前誇克是一種類圈體模型，它就定量地結束了粒子結構單元所處的無限可分的猜測階段。同時也涉及對實驗證偽與邏輯推證的傳統科學精神，要用球麵與三旋環麵不同倫作重新審視，而再放光芒異彩。【1】