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【Stapp】心智的宇宙(3)-- 作用、知识和信息

已有 4276 次阅读 2012-7-4 14:34 |个人分类:意识科学|系统分类:观点评述| 量子力学, 意识, Stapp, 斯塔普

3 作用、知识和信息

Actions, Knowledge, and Information

 

出自:

Mindful UniverseQuantum Mechanics and the Partipating Observer.

《心智的宇宙——量子力学和参与的观察者》

Springer 2007.

 

作者简介:

Henry Stapp, 加州大学伯克利分校物理学教授,美国著名量子物理学家,长期在劳伦斯伯克利国家实验室从事研究工作。Henry Stapp早年在加州大学伯克利分校攻读物理学博士,在诺贝尔奖获得者Emilio Segrè和Owen Chamberlain的指导下获得粒子物理学博士学位。此后,Stapp到苏黎世联邦工学院(ETH Zurich)在沃夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)的指导下从事博士后研究工作。在这一期间,他完成了一篇题为“心智、物质和量子力学”的文章,这篇文章他从未发表,数年后他将其扩充为一本同名的专著,并于1993年出版。1958年泡利去世后,他转往慕尼黑与海森堡(Werner Heisenberg)合作从事研究。那时候,他在中子散射的分析、以及发展S-矩阵理论等方面开始做出重要贡献。同时,Stapp还是贝尔定理的专家,他解决了贝尔和爱因斯坦等人提出的关于非局域性的几个问题。Stapp最为著名的工作或许是关于量子力学基础的研究,尤其是他把研究的焦点放在揭示意识的本性和作用方面。近年来Stapp应邀为多部百科全书撰写意识的量子理论章节,并多次应邀在国际会议上介绍这一思想。

译者:

倪志勇

 

 

 

3.1 反牛顿的革命The Anti-Newtonian Revolution

    从牛顿时代直到1925年前后,科学始终把意识降格为被动的旁观者:我们的思想、想法和感觉都被作为无效力的旁观者依附于被微观的基本要素的机械相互作用所主导的一系列事件之上。而量子力学的创立者们掀起的革命,则把人类的意识经验从根本上带入了物理学理论中。在被忽视了200年之后,我们的思想突然被置于众人瞩目的中心。这是一个对传统的令人惊叹的反转,因为此前物理学的巨大成功在很大程度上要归因于在物理学框架中排除所有类思想(idea-like)性质的方针。

    是什么样的危机能够迫使量子论的创立者们深思、并最终拥抱这一把我们思想注入物理学基本定律之中的革命性观念呢?

    这个问题的答案开始于19世纪末的一个科学发现。1900年的12月,马克思·普朗克宣布了“作用量子”的发现。作用量子的度量值被称为普朗克常数。这个常数确定了构筑于物理宇宙深层脉络的三个基本性质中的一个。另外两个常数中,万有引力常数,它确定了每块物质对另一物质的吸引力的大小,光速则控制了每一粒子对所有力的响应速度。

    将上述三个基本量整合入物理学产生了我们自然观的里程碑式的变革。艾萨克·牛顿发现了联系着天体运动和地球上物体运动的引力常数。从天体的运动、到地球上加农炮弹的运动、到潮起潮落都离不开这个常数。只要他的定律是完整的,整个物理宇宙就被数学方程所控制着,这个方程联系着所有的物质颗粒,甚至确定着宇宙有史以来的整个历史进程。

    爱因斯坦认识到,光速不仅仅是某种被称为“光”的波状扰动的传播速度。它是一个进入每种物质运动防护层的基本的常数,它不允许任何物质的运行速度快于这个最大值。正如牛顿的引力常数一样,这个常数无处不在地进入到了自然的基本结构之中。虽然这两个常数的效应是重要的,但是就深刻性而言,与普朗克的发现相比,它们就像是小孩游戏一般。

    普朗克的“作用量子”首先在光的研究、随后在更为普遍的电磁辐射的研究中被揭示出来。从一个被加热的空腔容器的小孔中散发出来的辐射能可以被分解为各种频率的组分。19世纪的经典物理对这些能量应该在各种频率间分布给出了预言,但是实验事实与这个理论预言不符。最终,普朗克发现,实验上给出的正确公式可以通过假设能量集中于一些有限的小包而得到,在每一个这种单元里能量的大小正比于携带它的辐射频率。能量和频率之比被称作普朗克常数。与通常人类活动的尺度相比,这个数值非常的小,但是我们当我考察原子粒子和场的时候这个常数的效应就凸显出来,而我们的身体、大脑和我们周围的大型物理客体都是由原子粒子和场所构成的。

    普朗克的发现粉碎了200多年来作为科学世界图景基础的经典定律。从那时以来,人们开展了许多试验来探究其行为敏感的依赖于它们的原子组分性质的系统。人们不断的发现,经典的原理是无效的:它们能够给出明确的预言,但是与实验结果相对照的时候,却被证明是完全错误的。每个学物理的学生都会学到的物理学基本定律,这些定律也是许多工业和技术的基础,是失效的。更重要而且令人惊讶的是,这些定律的失效方式无法通过修修补补能够补救。而是有着根本性的差错。没人能够说出,这些曾经如此重要、看起来如此完美的定律如何能够得到补救。没人曾经预见,是否一个新理论能够被建立,它将解释所有这些奇异的和难以预料的结果,并且保持着我们对自然理解的理性秩序。但是对于这个问题的热切探寻中有一点是清晰的:普朗克常数在一某种方式位于问题的中心。

 

3.2 作用的世界The World of Actions

    维纳·海森堡是量子论的创始人。他在1925年的发现,对这个困惑给出了令人惊讶的和前所未有的解决方案:经典物理理论所基于的、并被认为是数字的量,不能当做数字而应该当做作用!通常的数字,例如23,具有这种性质:它们相乘的顺序不影响结果,2乘以3等于3乘以2,即满足乘法交换律。但是海森堡发现,如果人们把在经典物理中描述某个物质系统的特定物理量的特定数字不要当做自然数,那么就可能给出正确的答案。这些量,应该被作为作用来处理,它们具有不可对易性,即两个作用相乘的顺序将影响运算结果。这个‘解决方案’听起来是荒唐的、或者疯狂的。但是数学家们早已发现了,对常规数学的逻辑上自洽的推广是存在的,在这种数学中数字被“作用”所取代,并且具有相乘次序影响运算结果的性质。我们每天所使用的常规数字,例如买面包、或者交税时所使用的数字,仅仅是一个更为广泛的、理性上自洽的数学集合中的一个特例。在这个最简单的特例中,A乘以B恰好等于B乘以A。但是没有任何逻辑上的理由需要大自然不能采用更广泛的运算法则:也没有同样的理由告诉我们为什么我们的物理理论必须建立在常规数字上而不是作用上。基于海森堡发现的理论,开掘了更为广泛的逻辑可能性。它被称之为量子力学,或者量子论。量子力学和经典力学的差别被普朗克常数所规定,这个常数在人类行为尺度上来看是非常小的数字。

    这样,物理定律的这种调整或许看上去就是一点数学上的细节,而对宇宙的本质和我们在其中的角色没有什么关系。但是,将数字代之以作用彻底掀翻的整架苹果车。它在思想上产生了一个令人震撼的变革:关于实在的本质,以及我们与包围着我们、支撑着我们的这个实在之间的关系的本质。理论所表述的自然面貌从存在要素(elements of being)转向了行动要素(elements of doing)。这个变革的效应是深刻的:它将物质实体的世界转变为充满作用、和这些作用产生的各种可能的观测反馈发生几率的世界。因此,这一从“存在”到“作用”的转换使得物理学的理论中的客观物质,从由自足的与心智不相干的物质所构成的想象中的宇宙,转变为一个充满由可能的物理作用和它们所形成的可能的经验反馈的宇宙。一个由物质本身构成的虚幻的理论被转变为心物相互关联的理论。

    海森堡所带来的变革是多么重大呢?在经典物理中,每个物理客体的质心,在每一时刻,都具有一个确定的位置,它可以用某个坐标系下的三维坐标(x, y, z)所表示。例如,趴在房檐上的一个蜘蛛的位置,可以用三维坐标来表示,z表示距离地板的距离,xy分别表示距离两个正交的墙壁的距离。与之相似,蜘蛛的速度,例如在狂风吹拂下掉落地面过程中的运动速度,可以用这三个坐标随时间的变化率来表示。如果这三个坐标的变化率——它们共同决定了速度,乘以蜘蛛的质量,那么我们会得到三个数值,用(p, q, r)表示,它决定了蜘蛛的动量。在经典物理中,我们用(x, y, z)表示的三个数字构成的数组代表客体的质心,而用(p, q, r)表示的数组代表那个客体的动量。这六个数字都是通常的数字,它们遵循乘法交换律——我们在三年级就学过的:x*p 等于 p * x,这里*表示乘法。

    由所有(x, y, z; p, q, r)的可能值构成的六维空间被称为相空间:这个空间中包含着粒子所有可能的瞬时“状态”。

    海森堡的分析表明,为了让经典物理学的公式仍然可以广泛的成立,x*p必定不同于 p * x。他发现这两个乘积之间的差必须是普朗克常数(实际上,差是普朗克常数除以2,并且乘以一个单位虚数i,这里,ii等于-1)。这样,现代量子理论就诞生了,通过认识、宣布在经典物理学里使用的用来表示通常数字的符号实际上应该替换为作用、而作用的次序对结果是有影响的。从经典物理学中创造量子力学的数学结构的程序就是把数字替换为对应的作用,这被称为“量子化”。

    将描述粒子的位置以及运动速度的数字替换为新的数学量,这种对简单的算术弃而不用的想法可能会让你感到惊讶,如果这是你第一次听到这件事的话,你或许会认为这是向错误的方向迈进了一大步。你或许会有些微的抱怨:科学家应该让事情更简单一些,而不是放弃了一种我们已经很熟悉的东西,例如在算术里两数相乘的次序不影响结果。但是除了这种直觉的感想之外,我们必须认识到,这一变革在实践中运用的非常好:所有对量子力学的预言的检验都被证明是正确的,其中包括难以置信的以亿分之一的精度做出的预言。这就意味着,将数字替换为作用的过程中,必定包含着非常非常正确的因素。

    在经典物理学中,每一个粒子在每一时刻都被赋予一个特定的位置——用3个一组的数字表示(x, y, z),并被赋予一个确定的动量——也用3个一组的数字表示(p, q, r)。在量子论中,人们通常考虑由许多粒子构成的系统,但是现在,我们可以仅考虑一个粒子,这个粒子在任何时刻将被用一团云一般的数字对所表示,每一对数字(称为复数)被赋予三维(位置)空间中的每个点。对这一粒子实施一次探测行动,在现象上(例如,实验上/经验上)可描述的。在量子力学中,每一个这种可能的探测行动都被证明,能够产生一组相关的、在实验上可区分的可能的输出结果。描述这一粒子的云团数字作为一个整体,决定了探测行为可能产生的每一种可能结果的出现几率。因此,量子力学法则确定了如何对每一种可能的探测行动(人类实验者可能会选择实施的)中产生的每一可能的、在经验上可描述的探测结果的出现几率,但是没有法则规定人们将会做出哪种探测行为的选择。

    在经典物理理论中,当我们从可见物体的宏观世界下降到构成它们的微观组成部分的时候,我们到达了一个牛顿所说的“坚硬的、有质量的、不可分的运动着的粒子”所构成的世界。但是在量子理论中,我们却到达了代表经验意义上的各种可能经验几率的、作为整体的数字所描述的“云团”或者量子弥散物。

    简言之,量子理论的正统形式(见附录D)宣称,为了连接数学上可以完整描述的一个物理系统的状态与人类经验,就必须对那一系统在数学上连续演化的状态实施某种武断的干预。根据正统量子力学形式,这些干预就是被人类主体所实施的探测行为,人类主体可以“自由的”从他们可能实施的各种探测行为中选择其中的一个。选定的行为在物理上可描述的效应是以某种特殊的形式将被探测系统的此前物理状态分裂为一组分立的状态。每一个在物理上可描述的分立状态对应于一个可以想象的输出,这一输出对应于从特定的探测行为中可能产生的一组分立的各种可能输出中的一个。

    如果这种探测行动被实施,那么这一探测行动所允许的各种输出中的一个将会出现在观察者的意识流之中,并且被探测系统在数学上可描述的状态将会突然跳跃,从干预之前的形式跳跃到观测到的反馈所对应的状态。这就意味着,根据当前的正统物理理论,主体所实施的探测行为的“自由”选择非常关键地进入到了心理和物理描述的事件进程中。这里“自由”一词意思是,主体选择没有被当前已知的物理定律所确定;而不是指这一选择在实在的整个心理物理结构中没有任何起因。很可能这一选择具有某种原因,难以想象它就是简单的无中生有,但是现存的理论没有任何理由让人认为这一原因必定是被物理层面的自然所单独决定的。

    如果在量子力学方程中将普朗克常数设为零,那么它就恢复到了经典力学(虽然这在根本上是错误的)。因此,经典物理是量子物理的近似。在这种近似中,量子弥散将不会发生,每一片“云”都被压缩为一个点,由此就变成了经典物理,并且就产生了经典物理学所蕴含的物理决定论(物理学的因果封闭)。

    在经典近似的情况下,没有必要、也没有给任何探测作用的效果留下位置。不确定性产生于量子云大小不为零,在非近似的理论中,量子云需要某种特定的探测作用来予以确定。如果普朗克常数被设置为零,那么不确定性也就降为零了。因此主体通过自由选择的作用施加在物理数学描述的自然进行中的效应也就都被经典近似抹去了。其结果是,任何试图在经典物理学的框架中解释意识的物理效应都是不合理的,因为经典近似已经消除了人们试图去研究的效应。

 

3.3意图行为和经验反馈

    主体实施的意图行为这一概念具有核心的重要性。每一个这种行为都试图产生一种经验反馈。例如,一个科学家可能会在一个辐射源附近摆放一个盖革计数器,他意图在一段时期内看到计数器或者“激活”,或者“没有激活”。对应于“计数器是否激活?”这一问题的或“是”或“否”的经验反馈,确定了一个比特的信息。量子论的变革,从根本上来说,是从高度抽象的飞行平面,例如不可见的基本物质粒子的不可见的精确轨迹,转变为实实在在的由意识选择的意图行为和它们的经验反馈,以及允许我们成功预言这些经验实在相互关系的数学程序的理论说明。

    这种探测行为不仅被科学家所实施。每一个健康和觉醒的婴孩都在致力于实施能够产生经验反馈的意志努力,他(或她)很快形成了从哪些特定的努力之后会产生哪种反馈的期望。因此,经验科学和通常的人类生活都基于这种行为的实在——有期望的探测与反馈。我们的物理和心理学理论从根本上都试图在一个理性的概念框架下去理解这些相关关联的实在。

    人类主体的目标化行为都具有两面性。一方面是他的有意识的意图,用心理学术语所描述。另一方面是与之相关的物理行为,用物理术语描述,例如用表示为时空点上的数学实体所描述。为了成功的生存,物理描述的行为应该是有意识的意图的功能对应物:在通过有效的学习过程的充分经验训练之后,有意图的行为所对应的物理层面,应该趋向于产生意图中的经验反馈。

    约翰·冯诺依曼,在它的经典著作《量子力学的数学基础》中,把潜在的、连续的物理几率分裂为一个在经验上可识别的各种可能性的可数集合的探测行为,命名为“过程1”。我将沿用这一术语。冯诺依曼把发生在不同干预时刻之间的、由机械过程所控制的演化过程,命名为“过程2”。这个过程就是被薛定谔方程所主导的过程。数字12,强调了经典量子论概念框架中的一个重要事实,那就是它首先需要一种对知识的获取,第二才是用数学描述的对已获得知识的某种表达形式的演化。在此后的某一时刻新的探测会进一步实施。

    需要指出的是,还有其它两个与之相关的过程。其中之一就是选择结果的过程,探测行为产生或“是”或“否”的结果。狄拉克把这一干预称之为“对局部自然的选择”,根据量子论,它服从统计法则。我把这一过程称之为“过程3”,这个统计性的过程确定了结果的选择,而结果是从过程1的探测行为中所选择出来的行为所产生出来的。

    最后,与每一过程1行为相连的某些过程尚未被当前的量子论所描述,它确定了由实验者所实施的被称之为“自由选择”的将会是什么。看起来,这种选择至少部分地来自有意识的推理和评估,而且可能强烈地受到实验者大脑状态的影响。我此前将这一选择过程称之为“过程4”,但是在这里我将使用一个更恰当的名字,“过程0”,因为这个过程必定发生在冯诺依曼的过程1之前。正统量子论中缺乏对过程0的任何描述,这就造成了当前正统物理理论的因果鸿沟。这就是量子力学表述中所提供的自由度,与玻尔所说的“实验的自由度”(Bohr 1958, p. 73)相关,它阻挡了物理的因果封闭,也因此把人类行为从实在的物理描述层面的束缚中释放出来。

  

3.4 云状形态

    每个基本粒子的量子态可以粗略的视为,一片由数字(复数)构成的连续云,它给三维空间中的每一点都赋予了数值。这一数字云作为一个整体在时间中演化,在每一瞬间,对于每一个允许的过程1作用,都给予一个与之相关的实验结果的可能值的集合,以及发现(或者经验到)某一特定输出的几率。

    海森堡不确定原理指出,如果压缩这个在空间延展的云,将之从数值不为零的宽广的空间区域挤压为一个充分小的区域,那么当移去约束力之后,这片云将剧烈的暴胀开来。

 

3.5 简谐振子

    量子态的云状特征的最重要、最具启发性的例子与单摆相关,或者精确地说,是简谐振子。在简谐振子系统中,回复力总是倾向于把物体的质心拉向一个基点,并且回复力的大小正比于物体的质心距基点的距离。

    根据经典物理,任何简谐振子系统都具有一个可能的最低能量态。在这个最低能量态中,物体在基点处静止不动。在量子论中,简谐振子系统也具有一个最低能量态。但是这个态并不是定域在基点。它是一个云状空间结构,它弥散在无限宽阔的区域中。然而,这个云状形态所代表的几率分布的是钟形的:几率值在基点处最大,并且以钟形曲线的形状随着离开基点距离增大而减小。

    如果把这个最低能量态的系统置入一个容器中,把它压缩紧一个更狭小的空间里,然后再释放它,云状形态将会暴胀开,然后稳定于振荡运动。因此,这个云状空间结构的行为更像一团蜜蜂,它们越是被压缩在狭小的空间中,它们相对于邻居们就飞行得越快,并且如果撤去容器蜂群暴胀的速度也越快。

    这种压缩态的暴胀特性在量子脑动力学中扮演着重要角色,我们很快就会看到这一点。这种暴胀特性是海森堡不确定原理的一个推论,它意味着,这种“云”在常规空间的压缩对应着其对应的系统在动量(或者速度)空间的扩展。

 

3.6 双缝实验

    在量子云状形态和经典统计力学中的几率分布有着本质的差别。这种差别在著名的双缝实验中展现出来。如果人们发射一个电子,或者一个钙离子,或者任何其它量子体射向一个狭缝,在物体穿越狭缝的过程中与之对应的云状形态以一个广角扩散开,在本质上就是上面描述过的压缩-暴胀过程。但是如果人们打开两个紧邻着的狭缝,那么通过狭缝的几率分布就不仅仅是当两个缝单独打开时的两个分立的扇形结构的和。而是,在某些点上,几率值将是两个单独狭缝几率值之和,而在另外一些地方几率值则将为零,即使当分别打开狭缝的时候每个狭缝中通过粒子的扇形几率分布在这些地方的值很大。这种非加和性,或者量子云的干涉性使得它产生的结构与经典物理中的几率分布存在着巨大差别,因为在经典的情况下,两条狭缝对应的几率值将会是简单相加的值。

    这种量子粒子例如电子或者钙离子的非加和性,甚至在一粒、一粒单独发射的情况下仍然保持着!根据经典的观念,每个微小的客体必定穿越狭缝之一,因此几率分布必定是两条个单独打开狭缝的贡献度之和。但是,这并不是实验中所观测到的现象。量子力学与这种非加和性是一致的,蕴含着所有关于这些云状结构的其它非经典特性。如果人们接受这个基本的观念——实在不是由物质实体而是由‘事件’(行动)和这些事件发生的‘潜在性’所构成的,那么这种非加和性就根本不神秘、也不怪异了。潜在性不是物质实在,因此在逻辑上也不需要它们是加和的。根据数学上自洽的量子论法则,量子潜在性不是简单的加和:它们具有波状的本性,并且可以像波那样产生干涉。



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