同一个世界,不同的世界观。大约从一九○○年代开始的量子思维与经典思维的差异,几乎就代表着近代与现代的差异。
在牛顿之前,人们不知道怎样描绘、把握世界,但是牛顿把我们这个肉眼观察到的世界,用公式表达了出来。事实上,
在他之前,人们有同样的感觉,但却不知道怎么描述,但牛顿出现后,人们发现这个思维方式太好了,这个世界可以通过精确的公式描述。有种机械确定的思维方式,统治人类的大脑有数百年,这是惯性思维的显形化。什么是惯性思维?比方说,以一定的速度和一定方向往前进,过了二十分钟后,就知道其必然所处的地方。结果就是以前的人不会做,牛顿把这题给做了。但那个时候的人只知道有经典科学、机器世界,而这个经典科学推动了工业革命的发生。德国、英国、法国、意大利发生的工业革命,主要是抓住了牛顿那个时代的机遇。牛顿经典力学的核心表达是,一切东西的运动,都是可精确预测的。比如说宇宙中有太阳,所有行星围绕这个轨迹是可以精确预算的。这些轨迹就像一条条线是可以精确运算的。这是牛顿力学的一个非常重要的特点。
我再讲另外一种思维特点,量子力学的测不准。比如微观的电子绕原子核,只有大概如云雾的轨迹和模糊的位置,量子力学只能大概告诉你下一个位置电子出现的概率是多少。人们常把太阳的行星运转规律用来描述电子绕着原子核的旋转过程,其实这是不对的。为什么不对?形象地打个比方吧,你拿一根线轻轻扣住一颗石子,你在轻轻转的时候,石子在绕着你的手心转,外面像一条圈线,一条弧一样,
当你速度很快的时候,你会发现它像一把扇子,是一个平面,速度更快时,你就看不见了,再看,它似乎就变成了云。在这么小的一个原子核中,电子的速度接近光速, 运转的空间又是那么的微小,所以可想而知;第二,当我们需要观察一个电子在围绕原子核运转时,我们观察的东西必须是和电子及原子核差不多大小的。因为当你在观察这些高速运转的东西时,你和它们是有相互作用相互牵扯的,而不是相对静止的,你到这儿它跳到那儿,你到那儿它又跳到这儿,无法精确。这和在宏观经典世界里相互间几乎无作用的尺子丈量桌子行为完全不一样。因此,在量子世界,它呈现哪个“象”,与观察者的思想与行动密切相关。测不准原理告诉我们,这些非惯性的量子思维和人们经典的惯性思维完全不一样。又比如,量子力学用
“波粒二象性”描述光,意思就是光既是波又是粒子。那么谁在这里获得了最大利益?最早发现的是德国人普朗克,近百年来引发了不可思议的力量,而抓住这个机会,产业和现代化后来居上的是美国、日本。
有个著名的量子概念,就是量子纠缠。比方说鸟为什么会认家?它就是通过量子纠缠完成的。什么是量子纠缠?当转动一个微观粒子,与它处于纠缠状态的那个粒子也会相应转动,两个粒子相距即使超过宇宙的距离,也能以光速无法企及的速度瞬间“感知”对方的状态;又比如说因特网、手机、医药、设计,这些全部都是基于量子力学的基本原理而出现的。还有就是量子宇宙学,一个宇宙多个世界。人们发现了四个由“宇宙摩擦”形成的圆形图案, 这表明我们的宇宙可能至少四次进入过其他宇宙。又比如包括超导、激光都是从量子理论发展出来的。这里提醒一下,过去,人们认为量子只能适用于微观,而经典只适用于宏观,而今天,认为量子也被应用于宏观,如量子宇宙学、量子经济学,而经典也应用于微观,如分子力学等。量子和经典在各自的传统领地相互渗透融合,二○一三化学诺贝尔奖就是有趣的例子(图2)。
图2 经典力学与量子力学的融合
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再谈量子的波粒二象性,光既是波也是粒子,但光到底是波还是粒子,具体呈现哪个象,取决于看它的这个人的视角。如果理解波粒二象性不透彻的话,就会庸俗地简化为两句话:光是波也是粒子。这是因为生活在宏观世界的人不能理解这个微观世界,只能由看到的宏观世界的东西的叠加来理解这个微观世界。
从量子思维的角度,我个人认为比较正确的理解应该是:光是波也是粒子,光不是波也不是粒子,光仅仅是光量子。它是一种根本就不能用你以前所知道的东西来描述或者叠加描述的东西,它是一种量子,光量子。我们知道中国禅修里的源自于宋朝的山水谣:“见山是山见水是水,见山不是山见水不是水,见山只是山见水只是水。”如果你没有量子思维的体验的话, 单单从这些文字就根本无法理解这句话的含义。这句话实际上讲的是一种思维方式,一种类似于量子思维的禅修思维方式。我们看到的,仅仅只是我们所看到的,和我们没看到的不尽相同。在宏观世界这种感觉可能并不明显,但是在一定的微观世界里是会非常明显的。
对于大脑的研究,心理学把大脑看成黑箱一样,进去一个数据出来一个数据。但是大脑当中发生了什么,没人告诉你, 也没法知道这是怎么回事。即使有人告诉你,靠的也只是经典力学的解析。事实上人的身体可以完全通过机械式的经典力学的解释,可是人的大脑就不一样了,是要靠量子力学来解释的。又比如,我们说日有所思,夜有所梦,相由心声。这种特定的状态是没有办法描述的。因为人的大脑和计算机一样,而且远远超过计算机。这里讲个故事,有人认为冥想和打坐是一种迷信,但现在的科学证明,这种静修锻炼方式确实是有效的。二十分钟的冥想和打坐就可以使人的情绪大大改善,而且还可以大大提升阅读能力、理解能力、创造能力,这些都是靠大脑完成的。如果要解释由此导致的大脑微观结构、血流改变、脑电波图像等变化,就需要量子力学来解释,
因为人的意识是具有独特性的,普通的方法是解释不了的。人与人交往就是脑与脑的识别,正因为意识是会受你影响的,倒过来它也会影响你。而观察的结果与观察者息息相关,所以会出现仁者见仁,智者见智。
这里总结一下,两种截然不同的思维方式带来的是什么?经典境界带来的是机械、惯性、精确、同一、定域、因果、被动、计划。宏观经典的观点是非此即彼,要么死,要么活,不是你死就是我活;而量子境界则是差异、多向、不准、离域、飘忽、互动、变幻。这个怎么理解?比如我们评价一个人,每个人的评价可能都是不一样的,
因为每个人和这个人都是会有相互作用的。这在经典的世界是不可能的,可在量子的世界就是各不相同的。又比如,一个人未来的发展有多种可能性,通过你的努力,某一种可能性就有可能成为现实。再举个例子,比如薛定谔的猫,你如果用宏观的概念来理解,这就只有两种可能,要么是死的,要么是活的。那么微观的量子力学会怎么解释呢?在开箱观测瞬息之前,猫既是死的,又是活的,原子衰变也处于一个叠加态,只有在开箱的一刹那才能确定猫的死活。这其实就是说世界本身是具有很多种可能性的,你和这个世界是有相互作用的,只在你看见它和它接触到的那个瞬间,原始纯真的波函数就因你而“崩塌”,成为你看见的那个景象。而这种景象原来可能只是成千上万种可能景象中的一种。再比如,过去是唯一的,未来是多样的。历史事实之所以是唯一的,是因为人的干涉,多种可能性已经消失,而只呈现唯一的景象;而未来具有多种可能性、差异性,最终呈现哪个景象,将取决于人们的愿望和事物本身的多样性规律。两种思维会带来两个世界观,正影响着我们经济、社会、教育的各个方面。
【本系列文章系作者2013年3月30日在新华·知本读书会所作演讲。录音整理:吴妍、达醴。】