量子卫星上天对每个人的生存意义—中国科学院朱清时：量子意识（人人能懂版）

作者：南日明诚

朱清时，中国科学技术大学前校长、中国科学院院士、国务院学位委员会委员、第三世界科学院院士、中国绿色化学的主要倡导者和组织者、南方科技大学创校校长、1994年获海外华人物理学会亚洲成就奖和汤普逊纪念奖。

 

量子力学的诡异现象

量子力学也是自然科学史上被实验证明最精确的一个理论，但是量子的观念，没有人能够理解。我说的没有人能够理解，绝不是指像我们这个层次的人，而是说连量子力学的创始人都不能理解。

 

那么量子力学最不好懂的是些什么问题呢？我先把量子力学中人们最不好懂的东西介绍给大家，而最不好懂的东西最后恰好是证明了：意识不能被排除在客观世界之外。一定要把意识加进去你才能够认识搞懂它。

 

1、态叠加与坍缩

量子力学的第一个诡异现象叫做态叠加原理和坍缩。为了解释量子力学观念，我先说说普通人的日常经验。一般人认为客观物体一定要有一个确定的空间位置，这种存在，是不以人的意志为转移的、是客观的。比如说，我的女儿现在在客厅里面，或者说我的女儿现在不在客厅里面，两者必居其一。女儿可以既在又不在客厅里吗？但在量子力学里就不一样了。量子力学就像说你的女儿既在客厅又不在客厅，你要去看这个女儿在不在，你就实施了观察的动作。你一观察，这个女儿的存在状态就坍缩了，她就从原来的，在客厅又不在客厅的叠加状态，一下子变成在客厅或者不在客厅的唯一的状态了。所以量子力学怪就怪在这儿：你不观察它，它就处于叠加态，也就是一个电子既在A点又不在A点。你一观察，它这种叠加状态就崩溃了，它就真的只在A点或者真的只在B点了，只出现一个。

 

那有人就会说了：这是诡辩，你怎么知道电子不观察它的时候，它既在A点又不在A点呢？好，这就是量子力学发展过程中，很多实验确证的事情，其中一个最著名最重要的实验，就是干涉实验证实。电子同时在两处。电子在没有观测的时候，没有确定的状态。所以这件事是量子力学最诡异的事情。懂了这个，就懂了量子力学最诡异的东西，而且随后我们就能来证明：量子力学离不开意识，意识是量子力学的基础。

 

2、单体的叠加态：

 

薛定谔的猫刚才说的是量子力学第一个诡异之点，现在我们来看看这个诡异之点往下推论，能够推出什么结果。最后结果会使大家认识到，意识是量子力学的基础，物质世界和意识不可分开。

 

这个实验是量子力学的创始人薛定谔提出的，被称为“薛定谔的猫”。既死又活的叠加态猫现在我来说薛定谔的实验是什么：把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子接到一个装置上，这个装置包含一个原子核和一个毒气设施。原子核有百分之五十的可能性发生衰变，衰变的时候就会发射出一个粒子来，这个粒子一发出来就会触发毒气设施，毒气一触发就会杀死这只猫，就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。这是他想象中的一个实验。

 

这个问题一提出来，物理学家一个个都惊呆了，原来以为只有微观世界才有这种态叠加，就是状态不确定，既处于这个状态，又不处于这个状态。现在宏观世界也一样了，猫不就是这样吗？有一只既死又活的猫。这与我们的经验严重违背。这个实验实际上就是“女儿在客厅里，女儿不在客厅里”变了个样子说出来。这个猫是死了还是活着？既死又活是同时存在的，量子力学认为两者同时存在。那么怎么可能既死又活同时存在呢？人不能想象这种状态，于是大家就把这个实验进一步讨论下去。

 

从不确定到确定可避免意识参与吗？1963年获得诺贝尔物理学奖的维格纳想了一个新的办法，他说：我让个朋友戴着防毒面具也和猫一起呆在那个盒子里面去，我躲在门外，对我来说，这猫是死是活我不知道，猫是既死又活。事后我问在毒气室里戴防毒面具的朋友，猫是死是活？朋友肯定会回答，猫要么是死要么是活，不会说是半死不活的。

 

他这个说法一出来大家就发现，问题在哪儿呢？一个人和猫一起呆在盒子里，人有意识，意识一旦包含到量子力学的系统中去，它的波函数就坍缩了，猫就变成要么是死，要么是活了。也就是说猫是死是活，只要一有人的意识参与，就变成要么是死，要么是活了，就不再是模糊状态了。

 

维格纳总结道，当朋友的意识被包含在整个系统中的时候，叠加态就不适用了。即使他本人在门外，箱子里的波函数还是因为朋友的观测而不断地被触动，因此只有活猫或者死猫两个纯态的可能。维格纳认为，意识可以作用于外部世界，使波函数坍缩是不足为奇的。确实只能这样认为。因为外部世界的变化可以引起我们意识的改变。

 

大家想过没有，牛顿第三定律说作用力与反作用力是相等的。我们的意识能够受外部世界的影响而改变，大家都觉得没有问题，对吧？人的意识就是受外界客观世界的影响改变了，随时都在变化。那为什么客观世界就能改变意识，意识就不能改变客观世界呢？他就说意识是能够改变客观世界的，意识改变客观世界就是通过波函数坍缩，就是使不确定状态变成确定的状态，这样来影响的。

 

所以波函数，也就是量子力学的状态，从不确定到确定必须要有意识的参与，这就是争论到最后大家的结论。测量的核心是人的意识自然科学总是自诩为最客观、最不能容忍主观意识的，现在量子力学发展到这个地步，居然发现人类的主观意识是客观物质世界的基础了。因为量子力学是我们客观物质世界最基础的理论。

 

刚才说过了，二十世纪人类技术进展都跟量子力学有关，而且量子力学经过了最精确的实验验证。量子力学的基础就是：从不确定的状态变成确定的状态，一定要有意识参与。这是物理学的一个重大成就。

 

到这一步，我们对量子力学的诡异已经有所了解了，诡异的基础实际上是：意识和物质世界不可分开，意识促成了物质世界从不确定到确定的转移。这点很像在佛学中，一个念头一下子使物质世界产生出来了，这样的概念。物质世界产生出来实际上是从不确定一下子变成确定的，这两者很类似。

 

刚才讲了量子力学两个诡异之点，诡异之点到最后就达到了物质世界离不开意识，意识是物质世界的基础，意识才使物质世界从不确定到确定，发生这样的坍缩，也就是变化。

 

3、多体的叠加态：量子纠缠

 

现在再来讲量子力学第三个诡异之点，这个和前面讲的状态有关，是它们的直接结论，叫做量子纠缠。

量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的，只不过“薛定谔的猫”讲的是同一个东西处于不同的状态的叠加，量子纠缠讲的是如果有两个以上的东西它们都处于不同的状态的叠加，它们彼此之间一定有明确的关系。这就是量子纠缠。

 

纠缠态的手套比方，我们从北京买了一双手套，把手套中的一只寄到香港，另一只寄到华盛顿，那么寄到香港的是左手戴的还是右手戴的？谁都不知道，如果香港的人收到了打开一看，是左手的，那华盛顿的人不用看就知道收到的是右手的，因为手套是左右配对的，这是个规则。一旦寄出去了，寄的过程中不确定，但是一个人只要观测了他收到的手套是左手的还是右手的，另一个人不用观测就知道了。这就是纠缠的一个例子。

 

大家会认为，你看没看它没关系，它早就确定了。但量子力学大量实验证明，如果把同一个量子体系分开成几个部分，在未检测之前，你永远不知道这些部分的准确状态；如果你检测出其中之一的状态，在这瞬间其他部分立即调整自己的状态与之相应。这样的量子体系的状态叫做“纠缠态”。就好比这个手套在寄出以后，在还没被观测之前，它是不是确定呢？肯定不确定。只有在你确定了其中某一个的状态，另一个的状态立刻就变化了，也变得确定起来了。这种关联就叫作量子纠缠。

 

大家也许很难理解这个纠缠，说实话，这个已经超出了我们人类的理解能力的范围之外，你只能去试图想他、接受他，跟我们日常生活中的客观经验已经不符了。

 

量子隐形传输

 

——瞬间传输的未来这个例子还说明纠缠的一个重要特点：纠缠一方得到的任何信息，另一方也会马上感到，不需要信息传递。这一点很重要，后面要用到。这种纠缠的例子大家还容易理解，但是对于物质世界的纠缠大家不太容易理解，原因就在于大家的观念都认为一个事物永远都有个确定的状态，但是量子力学发现微观世界的事物，在还没被观察之前没有明确的状态。大家记住量子纠缠就是对于多个微观物体，在被观察之后，它们的状态会从不确定到确定，作一个有关联的突变。量子纠缠现在已经变成一个工具了，这个工具可以用来传输东西、传输信息。

 

我先来说，非量子力学的经典物理学的信息传输。比如一位女士有一本书，或者任何信息，她想传输到一位男士手上去，这个男士在纽约，两个人根本看不见。经典物理学的传输方式是女士拿扫描仪来扫描这本书，扫描之后通过网络系统，把信号传到男士那去，男士再把它打印出来，这就是经典信号传输了。

 

但经典信号传输有个大缺点，就是不完全。因为一本书在扫描时候只能得到它的部分信息，这本书的颜色、纸张的厚度、纸张的原子分子结构那就传不过去，传的只是照相的图像，这就是经典物理学的信号传输。

 

量子信号传输就完全不同了。量子信号的传输利用量子纠缠态。如果这位女士与男士离得很远，一个在火星上，一个在地球上，他们可以用量子纠缠来传输信息。如果女士在A点，她有光子A；男士在B点，他有光子B。光子A和B处于纠缠态，对A光子施加的任何作用或给她的任何信息，B光子都马上得到。如果把这本书的全部信息作用于A光子，那么B光子也马上得到。这就是量子隐形传输中，最后的B点得到的是和原来完全一样的信息。

 

经典物理传输后所复制出来的，只是纸上图像的信息，没有复制任何“实体”本身。而量子隐形传输却从“实体”得到完整的信息，从而复制出了“实体”本身，尽管只是一个小小的量子态！

这个工作现在在全世界做得最领先的是欧洲国家，然后就是中国。中科大有个年轻教授叫潘建伟，他做这个在全世界很有名，做得很好。这个量子隐性传输能够实现，就使得人类有这种可能：可以把在地球上某个东西的全部信息传到火星上去，而且瞬间就传播了。现在传播的是某个东西的全部信息，总有一天能实现把一个人的全部信息传递到火星上去，然后在那个地方用原子组装出来，不就变成传输了一个人了吗？这个超远距离隐性传输，就类似于中国古典小说中的幻想。（注：不是幻想，这就是中国刚发射的量子卫星原理）

 

我讲这个，主要想让大家理解并记住，如果两个地方的物质处于纠缠态，从纠缠的一方的所有信息可以瞬间传递到纠缠的另一方去，这种传输没有时间空间的限制，是瞬间传播的。

 

这是量子力学第三个诡异的地方。意识是量子物理现象意识是一种量子力学现象。

为什么这么说呢？比如你面前出现了一朵花，这时有两种可能的状态：

 

一个没有任何分别心的人，“对境无心”，看花不是花，此时他的意识处于自由的状态，他没看到花是不是红的，好不好看，他看它并不是花，他根本就不动念头。这种境界在唐代张拙的诗中写道“一念不生全体现，六根才动被云遮”。

未经测试的电子&未生念头的意识这个自由状态与刚才所说量子力学的诡异现象怎么可以比较起来呢？就是电子这些东西，在你没有测量的时候，它处处都存在，也处处不存在，一旦你测量，电子就有个固定状态出来了。

 

意识也是这样，如果你看到这朵花，一下子动念头了，动念头实质上就是作了测量。你用鼻子作了测量发现是香的，你眼睛进行测量发现是红色的而且美丽，你动意念去测量它，发现它很令人愉快。于是这些测量的结果，也就是念头的结果，一下子使你产生了进一步的念头：这是一朵玫瑰花，就认出它来了。

 

人意识的发动的过程实际上是通过动念进行测量，然后产生念头。这时候念头产生出来了，实质是通过测量得出的几个我们制造出来的概念。这时意识不再自由，它突然坍塌到一个概念“玫瑰花”上。因此是念头产生了“客观”，念头就是测量，客观世界是一系列复杂念头造成的。

 

说得更深一步，《楞严经》讲“性觉必明,妄为明觉,本觉明妙,觉明为咎”，是什么意思呢？整个物质世界的产生，实际上在意识形成之初，宇宙本体本来是清净本然的，一旦动了念头想去看它了，这念头就是一种测量，一下子就使这个“清净本然”变成一种确定的状态，这样就生成为物质世界了。《楞严经》最早、最清楚地把意识和测量的关系说出来了。

 

佛学和自然科学最终会在山顶汇合吗？

 

有很多人习惯说佛学是迷信，我说不，佛学不是迷信，佛学研究的东西和自然科学不同，是宇宙的另一方面，就是意识。佛学和自然科学的研究就像爬喜马拉山一样，一个从北坡往上爬，一个从南坡往上爬，总有一天两者要会合的。

 

量子意识这一部分介绍现在世界上的科学家研究量子意识达到什么水平了。这些材料取自于《科技日报》上一篇大文章，标题是《物理学和数学能完整描述真实吗——世界著名物理学家论辩量子意识》，其中介绍世界上对量子意识的研究。科学家们现在已经开始认识到了，意识是种量子力学现象。这点可能与我前面讲的这些东西有关：意识像量子力学的现象，意识的念头像量子力学的测量。

 

人的意识过去一直都没有搞清楚，包括中医经络学说讲的“气”，“真气循环”。“气”用任何实验方法都没有找到。很可能意识或是“真气”这种东西，实际上是量子力学现象，用经典物理学的电学、磁学及力学方法去测量，是测量不出来的。

 

量子力学现象的一个主要状态，就是刚才说的量子纠缠。大脑中有海量电子，它们处于复杂的纠缠状态。意识就是大脑中这些处于纠缠状态的电子在周期性的坍缩中间产生出来的。这些电子不断坍缩又不断被大脑以某种方式使之重新处于纠缠态。这就是现在量子意识的一种基本观念。

 

这个假说在解释大脑的功能方面已经开始有一些地位了，形成了量子意识现象的基础。

 

目前关于量子意识的理论有好几种，这里介绍影响最大的：英国剑桥大学的教授彭罗斯（Roger Penrose）和美国一位教授哈梅罗夫(Stuart Hameroff)他俩创立的理论。彭罗斯曾和霍金合作发现了黑洞的各种特征，是现代顶级的物理学家。他写了一本非常著名的书叫《皇帝新脑》，不知大家看了这本书没有，现在到书店去还找得着。

 

他这本书就是研究意识，他认为人的大脑有一点是现在的计算机和机器人做不到的，就是人的大脑有直觉。计算机和机器人都是逻辑运算，所以它不能产生直觉。直觉这种现象，彭罗斯认为只能是量子系统才能够产生。

 

灵魂也是量子信息吗？彭罗斯和哈梅罗夫认为，在人的大脑神经元里有一种细胞骨架蛋白，是由一些微管组成的，这些微管有很多聚合单元等等，微管控制细胞生长和神经细胞传输，每个微管里都含有很多电子，这些电子之间距离很近，所以都可以处于量子纠缠的状态。在坍缩的时候，也就是进行观测的时候，起心动念开始观测的时候，在大脑神经里，就相当于海量的纠缠态的电子坍缩一次，一旦坍缩，就产生了念头。

如果按照他们的理论，脑细胞里存在着大量的纠缠态的电子，那就不可避免地有量子隐性传输存在，因为宇宙中的电子和大脑中的电子都来源于“大爆炸”，是可能纠缠在一起的，一旦纠缠，信息传输就能不受时间空间限制地隐性传输了。

按照彭罗斯和哈梅罗夫的理论，我们的大脑中真是存在海量的纠缠态电子的话，而且我们的意识是这些纠缠态电子坍缩而产生的，那么意识就不光是存在于我们的大脑神经系统细胞之中，不只是大脑神经细胞的交互，而且也形成在宇宙之中，因为宇宙中不同地方的电子可能是纠缠在一起的。

 

这样一来，人的意识不仅存在于大脑之中，也存在于宇宙之中，在宇宙的哪个地方不确定。量子纠缠告诉我们，一定有个地方存在着人的意识，这是量子纠缠的结论。如果人的意识不光存在于大脑之中，也通过纠缠而存在于宇宙某处，那么在人死亡的时候，意识就可能离开你的身体，完全进入到宇宙中。所以他们认为有些人的濒死体验，实际上是大脑中的量子信息所致。在这个时候，心脏停止跳动、血液停止流动，微管失去量子状态，而大脑中的量子信息并没有被破坏，它只是被干扰驱散到宇宙中去了。如果一个人死后复生，苏醒过来，量子信息又回到他的大脑中去，此时他会惊讶地说：“我经历了一次濒死的经验。”如果这位患者没有死而复生，最终死亡之后量子信息将离开身体，从而可能被模糊地鉴别为灵魂。所以，彭罗斯和哈梅罗夫就认为，如果是用量子信息的方法来解释，说人的大脑意识真是产生于量子信息的状态，有量子纠缠存在的话，那么人体的信息是不会消灭的，只会回到宇宙的某一处。

 

他们认为人体的这种信息可以模模糊糊地定义为灵魂。不是和大家说的那个灵魂一模一样，但是它的状态与我们过去说的灵魂非常类似。以上的这些是彭罗斯和哈梅罗夫的理论，现在的科学家正在开始进行大量的实验，来验证人的大脑中是否存在量子纠缠态的电子。已经有一批实验做出来了。

 

探索量子意识，任重而道远2003年到2009年之间，有个叫康特的人做了一系列实验，他证明了人的精神也就是意识状态，存在着量子纠缠的现象。加州大学伯克利分校的物理学家，认为他们发现了生物系统量子相干现象的证据，相干是纠缠的一种。他们认为绿色植物在光合作用中就是表现出了量子计算的能力，量子计算就是量子纠缠的一种运用，所以量子纠缠在大脑中是存在的。

 

2010年，英国牛津大学的科学家，在《物理评论快报》上发表了一篇论文，他们发现在欧洲有种鸟，叫欧洲知更鸟(European robins)，这种鸟是候鸟，它们飞得很高，但是每次找路都找得很准确。他们发现在这种鸟的眼睛中有一个基于量子纠缠态的指南针，所以它们能用量子纠缠态的指南针来感知地球磁场很微弱的变化，来指导它们的飞行。因此如果鸟的感知系统使用了量子纠缠的话，那么人的系统中自然就有可能存在量子纠缠了。

 

总之，关于量子意识理论的实验仍正在进行之中，目前还很难下结论。但是毫无疑问，物理学已经从任何事物都是“如露亦如电，应作如是观”这个方向往佛学的境界上又靠近一步了。世界上可能存在着类似灵魂的东西，它在人生结束之后不死，只是回到宇宙中的某个地方去了。这种观念跟佛教唯识论的根本-阿赖耶识学说是相一致的。

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