[智悲翻译]佛教与量子物理学

Buddhism and Quantum Physics

作者:希恩·罗波斯威利

Sean Robsville

量子物理学的实验似乎表明,需要一个观察者存在,以使潜在的可能性成为现实。

量子物理学是在基本粒子层面上,对物质和能量的表现形式,成功地用数学方式作出清晰描述的一门科学。迄今为止没有发现量子理论的预测和实验观察之间,存在任何差异[彭罗斯1990 a]。

但应该注意的是,对一种科学理论价值的评判,通常取决于其预测能力,而不是靠其描述的能力。仅仅是描述性的理论而不具可测试性的预测,很少具有科学价值或者甚至可以说没有任何科学价值。

需要特别强调的是,量子物理学的数学方程式并不描述真实的存在,但却可以预测其存在的可能性。对于一个由基本粒子组成的系统,通过建立量子力学方程式,便可得到粒子可能出现的范围、量值和随时间进化及变化的属性。

但是对于任何系统,只有一个可能性能够真实出现。这是量子物理学的革命性发现,即由于观察者预测的存在,才使得这些状态变为可能。

物质和能量并不如它们所表现的那样,那只是观察时所得到的结果。

下面的实验,在最基本层面上,给出意识与物质如何相互作用的一些感觉:

1、双狭缝悖论

双狭缝实验包含一个装置(发射器),它将电子从原子上剥离并将它们发射在屏幕上。屏幕上覆盖着成千上万的微小荧光点(类似一个电视屏幕),当一个电子击打这些荧光点时,它们会发光。为了获得实验结果的永久性记录,我们可以把一张感光纸放在屏幕的背后。

1.1单缝在上方位置——由电子产生的发光强度

我们放一张铝箔纸,它可以将电子阻止在发射器与屏幕之间。纸上有一个很窄的单缝,恰好在发射器水平位置的上方。这时向屏幕上看,我们可以看到所期望的结果——大部分屏幕是黑的,但在狭缝的后面有一个发光带。在此,电子得以通过并且撞击荧光点。发光带、狭缝和发射器都在一条直线上。

1.2单缝在底部位置——由电子产生的发光强度

我们用另一张铝箔纸更换第一片铝箔,其中有一个很窄的狭缝低于发射器的水平位置。此时观察屏幕,我们可以看到所预期的结果,那几乎同我们在第一个狭缝中所看到的一样。大部分的屏幕是黑的,但在狭缝后面有一个发光带,电子在此通过并撞击荧光点。发光带、狭缝和发射器都在同一条直线上,发光带的位置比第一次狭缝的发光带位置稍微低些。

1.3双狭缝一束粒子流——预期的效果

现在我们用含有两个狭缝的铝箔取代刚才那张,其大小和位置与前面的那两张完全相同。常识告诉我们,我们应该看到两个单独狭缝叠加的效果。应该有两个发光带,每一个与先前的位置相同(即一个在上面,一个在下面)。

但常识是错误的——这样的结果不会发生!

1.4双狭缝一束粒子流——实际结果

但结果与预期完全不同。与前面两次独立的单狭缝位置有所不同,我们在许多不同的位置上看到了不同的发光带。在前两次实验中为黑暗的区域变亮,原来发光的区域变暗,事实上,电子呈现出干涉的效果,这是典型的波的特点。在通过两条不同的路径之后,波在波峰和波谷同时聚集的地方表现出很高的能量状态,而零能量的点是波谷与波峰能量一致并相互抵消的地方。

将常识扩展一些,我们可以得出结论:引入的第二个狭缝在某种程度上,迫使电子表现为波的特性而不是粒子的特性。

波的特点之一是它们可以传播。但如果我们密切观察屏幕就会注意到,辉光并没有传播。单独的光点依然瞬时发光,可其附近很大可能保持黑暗,电子是以粒子的特性到达(屏幕)的。所以我们可以得出结论:电子以波的形式传递,并且与一个又一个电子互相干涉。但是当它们遇到探测器时,则立即还原为粒子的特性。

1.5两个狭缝,每次一个粒子

摆脱干涉影响的有效方式,是确保在任何一个时间只有一个电子通过。如果我们令每个电子这样做的话,电子会畅通无阻地通过,之后,我们应该看到建立了一个如同两个单狭缝叠加在一起的结果。

为此,需要降低发射器的功率。做到只有在第一个电子撞击到屏幕后,才发射第二个电子,这样便可以消除可能的干涉。实际上我们可以坐着观看每个独立的电子到达屏幕过程,但这会很费时。取而代之,我们可以把感光纸贴在屏幕上,并停留一段时间。

但是当我们将感光纸显影时,会发现与我们看到过的,许多电子同时通过狭缝时完全同样的干涉现象!双狭缝实验中黑暗的区域保持黑暗,尽管它们在单缝实验中是发光的。

如此一来,我们原来认为的,电子通过抵消与加强,致使彼此相互干涉的见解是错误的。当两个狭缝是开放的时候,每一个电子抵消、加强自身,但当只有一个狭缝是开着的时候并非如此。剩下的唯一合乎逻辑的解释是,一个单独的电子必须同时穿过两个狭缝。我们可以在狭缝后面安装探测器来证实此事。

1.6检查两个狭缝

我们把高灵敏度的粒子探测器放在每一个狭缝的后面,然后设置发射器释放单个电子。我们等待观察同时到达两个粒子探测器的两小块电子。我们等待着……等啊等…一直等待。结果我们看到的是,任何一个粒子探测器,可以捕捉一个电子或另一个电子,但从不同时捕捉两个电子。单个电子只能穿越其中一个狭缝或者另一个狭缝。

如果电子没有穿越这两条途径,它如何才能‘知道’另一个狭缝存在呢。一个明显的、再简单不过的事实是电子并不知道另一个狭缝的存在。

在这一系列实验中,第二个狭缝的存在是由具有深层知识的人设置的,比起实际粒子的轨迹及其他物理事件,可能性的知识似乎更需要由物体的特性来确定。但如果电子不具备对其周围环境的认知,那么唯一的能够具有此知识的另外一个地方,是在观察者的脑中。因此观察者的意识,在某种程度上决定了观察的结果。

实验者观测时,若认为结果是粒子会以波的形式出现,那么他所看到的就是,粒子将以波的形式出现。如果他认为实验结果是,粒子将以 ‘粒子’的形式出现,那么他就会看到粒子样的特性。

因为采用这种做法的实验者有了电子是‘粒子’概念,因此尽管两个狭缝保持开放,只有一个路线是通畅无阻的,则即使把粒子探测器只放在一个狭缝的背后,也会消除干涉模式。双狭缝悖论更详细的描述可参见罗杰·彭罗斯的《皇帝新脑》 [彭罗斯1990 b] 和大卫·林德利《命运之神应置何方?》 [林德利1997 a]。

2、斯特恩和格拉赫的磁铁

最早观察量子系统的性质(而非仅仅观察已经存在的那些现象)属于波还是粒子的演示之一,是从斯特恩和格拉赫开始的。

许多次原子粒子可视为微小的磁铁,其北极和南极的磁力相等。我们从一个随机的磁源,如热导线获得一束粒子流,然后期待他们能够随机排列成一条直线。南北轴向可能是自上而下、自左而右、自后向前,或反之亦然,或任何中间方向。事实上,我们只能期望有很小的比例准确地上下排成一线,绝大多数会在两者之间。

斯特恩和格拉赫建立了一种特殊类型的磁场,其中磁场的强度随着距离快速地下降。在磁场的特定区域内粒子应该根据其(磁场)方向偏转。

该机制的原理如下:假设粒子经过装置顶部的北极,因粒子的北极朝上,预期其会向下偏转非常大的幅度,因为其北极的斥力会比南极的吸引力大(此时粒子的南极远离仪器的北极,所以处在较弱的磁场中)。相反,此粒子向上的南极将会向上偏转。

然而,绝大多数的粒子不会直接向上或向下成一直线,而是在两者之间。这些粒子的偏转强度会减弱,大批的粒子或多或少会成一线,与磁场成直角的粒子很少或几乎不发生偏转。

2.1斯特恩-格拉赫——预期结果

仔细检查经过磁场后的光束(采用放一个感光屏幕的方式),我们预想会有一个细长的形状的最亮的区域(大多数粒子)且处于中央无偏转的地方。但这种情况根本没有发生!

2.2斯特恩-格拉赫——实际结果

所有的粒子以50:50的比例向上偏转或同样地向下偏转,没有中间位置。

改为:因此结论只可能有以下三个:

(1)粒子偏转之前,被强迫与磁场平行并排成一行。

(2)粒子并非以随机方向发射,而是以上或下的方式产生。

(3)粒子直到它被观察到之前是没有方向的,观察的行为本身,使它产生了方向。

可以否定被强迫定位的结论,因为没有已知的两位置机械装置,会令磁场等到所有的小型磁铁(即粒子),在决定转向之前排成一行。

同时,由于磁场会逐渐弱化,预计一些粒子会逃离排列成行的过程,但是这个现象并没有发生。在实验测量范围内的粒子,都以相同的程度,准确地向上或向下偏转。

粒子束保持不变,观察斯特恩—格拉赫磁铁旋转90度时会发生什么,就可以否定第二个结论。此时粒子或者向左或者向右,而不会停留在中间位置。

事实上,定位(的方向)完全是随意的。如果斯特恩—格拉赫磁场与任意轴的方向成一线(如1点/ 7点的方向或2点/ 8点钟的方向)等,那么,原来的光束将分裂成两束,其所有粒子显示出1点钟或7点钟位置的相同偏转。

所以,我们还剩下结论三——方向并不固定存在。定位的属性在无观察者时完全是无意义的,方向是观察者的意识所投射的结果。如果观察者(想)将一束粒子流的方式定位为上/下,那所有的粒子要被排序为那样的方向。如果选择任何其他的方向,那么这些粒子就会沿着其他方向排序。量子理论在观察者的意识和要观察的结果之间,似乎没有任何根本性的不同。详细的斯特恩—格拉赫实验,可参见大卫·林德利《命运之神应置何方?》 [1997 b]

3、幽灵似的超距作用——EPR

EPR给出了观察者的意识,与一个量子系统之间互动的最生动的展示——EPR为“爱因斯坦·波多尔斯基·卢森悖论”,或就像有时很多人所知道的那样,称为“灵异超距作用”(又译:幽灵似的超距作用,鬼魅般的超距作用)。实验证据似乎都表明观察者的头脑可以无阻碍地、瞬间到达它的对象,例如在十公里之内瞬间就可以了知日内瓦的城市概貌(墙、建筑物、火车站,非常多!)。

其效果不随着距离减弱。从哥本哈根诠释的量子理论上说, “灵异作用”可以瞬间影响一个粒子,无论这个粒子是距观察者一米之外,还是距他跨越整个宇宙距离的一半。

“灵异作用”的观察要依靠纠缠的概念,我们知道在基本粒子对中,这些粒子将总是具有相互抵消彼此的特性,即使在这些特性没有被定义时(也是同样)。这些粒子对被称为“纠缠”。,当然,纠缠是概念上而非物理上的纠缠,并且这些粒子处于自由状态,可以移动很远并相互分离。

设想一个实验,在其中我们创造一个纠缠的磁粒子对。它们的极性永远相反并在一条直线上。我们允许它们可以分开,然后在其中的一个粒子和观察者的路径中,放置一个斯特恩—格拉赫磁铁,并观察它穿过时会发生什么情况。如果它向上偏转,那么根据“灵异作用”的假说,其远处粒子对中的另一个由于类似的磁(场)会向下偏转。即通过对近处的粒子进行观察,我们可以瞬间定义远处粒子的性质。

但这并不是说,近处的粒子总是向上而我们并不知道,除非我们想要观察它;远处的粒子一定向下,尽管我们当时并不知道。

上述说法与量子学理论不相符,因为我们同样可能会令斯特恩—格拉赫磁铁处于左/右轴一线,而不是上/下轴成一线。此时,我们可能会调整近处的粒子,令其向左偏转,同时远处的粒子会立即向右偏转。

多年来,理论和技术上的原因,使得证实“灵异作用” 是否确实发生变得非常困难。然而,由于约翰·贝尔的理论工作和阿兰·阿斯派克特巧妙的实验设计,获得了在几米距离内产生此效果的有力证据。

若决定对一个纠缠粒子对成员之一的属性进行观测,就可以立即确定另一个成员的属性。

自此之后,演示“灵异作用” 的距离不断增加。最新记录的观测距离是10公里,是由日内瓦大学的尼古拉斯·吉森和他的团队完成的 [布坎南1997]。从日内瓦火车站附近开始,发送纠缠光子使其沿光纤通过城市,到达相隔10公里的目的地。结果显示,观测粒子对其中一个成员的状态,便可以同时确定另一个成员的状态。

4、量子空性

基本上,量子理论诠释的是,基本粒子其自性是空无的,其存在的可能性并不确定;直到意识与其相互作用并给予其意义,否则不会现为真实的存在。

无论何时何地只要没有意识的参与,这些粒子就没有意义并且也不实存。这是一个与大乘佛法教导的空性相类似的结论。

量子空性的最终证实是当量子理论应用到整个宇宙时。根据某些宇宙学家的观点,宇宙最初是以量子波动的形式存在于无限的 “空无”中(哈妥—霍金假设)宇宙是巨大的量子叠加并可以呈现为所有状态,直到第一个原始意识观察到它,便使它变成了一种现实。

在《参与人择原理》中讨论了这一令人着迷的理论。

文章来源:http://www.spiritual-minds.com/articles/Buddhism%20and%20Quantum%20Physics.htm

翻译:圆唐

校对:耀安