量子力學中,意識可以決定物質嗎?

如果我的意識足夠強大,能把客觀世界存在的蘋果變成香蕉嗎?


正好今天Badis Ydri在arxiv上掛出了一篇綜述性的文章,

[1811.04245] On the foundations of quantum theory?

arxiv.org

其中直接將The many-minds interpretation作為單獨的一節來談,也提到了 @賈明子 關於意識的The von Neumann-Wigner interpretation,還有認為的被人遺棄的Bohm理論,作為年輕的高能物理學教授,Badis Ydri的態度我想已經很能說明了問題了。我們不排除意識有關的可能。但是對於公眾談這個問題要慎重而有據以免成為了民科與迷信的旁證

詮釋問題是個懸而不決的大問題,在有一個最終的答案之前,物理學家們有著開放而包容的心態,我們更習慣用理論上的漏洞、實踐性的檢驗去認知對錯,而不是上來就搞什麼「打倒知乎考據派民科」。

研究物理問題有兩個核心,一是要嚴謹縝密,二是要打破束縛,缺了哪個都不行。

最後,真心勸「打倒知乎考據派民科」,要不好好去學物理,開拓一下眼界,免得污了南大的名聲;要麼早點去醫院,好好看看自己的意識,還清楚不清楚。

我為大家附上原文PDF的Summary截圖,徵求大神幫我找找綜述哪裡說哪些被遺棄了,誰能找出來,我當眾給這個人賠禮道歉。

你知道什麼是中國的民科了吧。


最後一更:

鑒於評論區某杠精自以為是的糾纏(不勝其煩已拉黑),為不引起其它讀者的誤解,對這個問題做一個相對徹底的說明。

首先,引用評論區一個知友的簡短而有力的概括, @文睿 ,意識坍縮「也就是假設測量序列在意識處終止」。非常感謝這個精闢的總結。

說道測量序列,就必須對馮諾依曼的測量理論做出一個概述。這個理論具有劃時代的性質,它不懼艱難第一次對測量這個過程做出了具體的物理性的描述,而以後所有關於測量問題的研究,絕大多數都是基於這個理論的。這個理論有一個通俗的版本,叫做「魏格納的朋友」。(馮諾依曼1932年提出意識坍縮,1961年魏格納加以引申發展,形成了馮諾依曼-魏格納詮釋,是最接近題主問題的一個詮釋。)知乎上有人對此作出過解釋,請允許我因為用 @尹璋琦 的文章如下:

尹璋琦:魏格納的朋友?

zhuanlan.zhihu.com圖標

一個合格的測量儀器,都必須能對一個疊加態的每一個本徵態做出正確的指示。例如一個二態的自旋系統,我們知道,每次測量它都會有兩種可能的結果,上旋或下旋。為了測量這個粒子,我們還需要一個測量儀器。我們假設,這個儀器用一個指針來顯示測量的結果,如果粒子是上旋,那麼它的指針偏向左側,如果是下旋,那麼它的指針偏向右側。最後,還有一個觀察者,我們。我們通過指針的左偏或右偏就可以知道粒子是上旋還是下旋。比如說我們特別喜歡上旋的粒子,看到指針左偏就很高興;相反我們特別討厭下旋的粒子,看到指針右偏我們就會特別沮喪。無論是粒子、儀器、還是我們,都由量子力學來描述。那麼,粒子、儀器、和我們都可以用量子態來描述。分別為P、A、和O (Particle、Apparatus、Observer)。最一般的量子態就可以表述如下:

mathinner{|P
angle}=amathinner{|uparrow
angle}+bmathinner{|downarrow
angle}\ mathinner{|A
angle}=mmathinner{|左
angle}+bmathinner{|右
angle}\ mathinner{|O
angle}=kmathinner{|高興
angle}+lmathinner{|沮喪
angle}

馮諾依曼說,測量,不外乎是被測量的粒子和測量儀器之間的相互作用。而測量儀器本身也是由微觀粒子組成的,必定滿足薛定諤方程。

如果我們考慮一個初始狀態:粒子處於上旋狀態,儀器此時沒有測量,也就沒有讀數(就緒狀態)。此時粒子通過儀器,粒子與儀器的相互作用必然會使得儀器指針會左偏。否則的話,這個儀器就是故障的。我們不考慮故障的情況。這個演化過程就可以表示為:

mathinner{|uparrow
angle}mathinner{|就緒
angle}Rightarrow mathinner{|uparrow
angle}mathinner{|左
angle}

同理,如果粒子一開始是下旋狀態,演化過程就是

mathinner{|downarrow
angle}mathinner{|就緒
angle}Rightarrow mathinner{|downarrow
angle}mathinner{|右
angle}

那麼對於一個一般情況,一開始粒子處於上旋和下旋的疊加態,我們知道,不可能會出現粒子上旋而指針左偏的情況,也不可能出現粒子下旋而指針右偏的情況。整個測量過程就表示為:

left( amathinner{|uparrow
angle}+bmathinner{|downarrow
angle} 
ight)mathinner{|就緒
angle}Rightarrow amathinner{|uparrow
angle}mathinner{|左
angle}+bmathinner{|downarrow
angle}mathinner{|右
angle}

這個,是由線性演化決定的,只要薛定諤方程成立就必然如此。那麼,在我們不看這個儀錶的時候,量子力學的演化規則必然導致(粒子+儀器)這個系統共同處於一個(粒子上旋,指針左偏)和(粒子下旋,指針右偏)的疊加態。在馮諾依曼20年之後,科學家們才知道,這個就叫做量子糾纏,而這種狀態被稱為貝爾態

當儀錶和粒子完成了相互作用以後(儀錶完成了對粒子的測量),作為觀察者的我們開始觀察這個儀錶。在觀察之前,我們處於一種完全無知的狀態,但是同樣根據線性演化的規則,我們有:

left( amathinner{|uparrow
angle}mathinner{|左
angle}+bmathinner{|downarrow
angle}mathinner{|右
angle} 
ight)mathinner{|無知
angle}Rightarrow amathinner{|uparrow
angle}mathinner{|左
angle}mathinner{|高興
angle}+bmathinner{|downarrow
angle}mathinner{|右
angle}mathinner{|沮喪
angle}

也就是說,此時,粒子、儀錶、我們所組成的組合系統,共同處於(粒子上旋、指針左偏、我們高興)和(粒子下旋、指針右偏、我們沮喪)的疊加態。這是一個三態糾纏

這個過程可以表示如下:

這個從量子系統到儀器再到我們的認知的整個鏈條,就是前面知友說的「測量序列」。

顯然,這個和我們認知不符。因為我們從來就沒有感覺到同時處於高興和沮喪的疊加態。那麼是哪兒出問題了?這就是測量問題的核心

單一世界的觀點認為,在這個序列的某處,疊加態變成了單一態:只有一個狀態保留下來,而剩下的都消失了,這個過程是概率性的,滿足玻恩規則。這,叫做波函數坍縮

  • 單一世界觀點最具代表性的,是傳統的哥本哈根詮釋,它認為,從量子態到我們認知的這個序列中,總有一處是從量子到經典的過渡,因為我們是經典物體。那麼,坍縮發生在量子-經典邊界。坍縮前一切滿足薛定諤方程,而坍縮後一切滿足經典物理定律。請注意,哥本哈根本身並沒有對這個測量過程做出物理分析,而是(現在看起來)相當隨意地根據實驗結果做出這個假定。馮諾依曼測量理論實在哥本哈根詮釋之後才有的。
  • 而馮諾依曼-魏格納詮釋則不同,它認為一切都是由量子構成,因而也必須被量子力學法則決定。那麼,就不存在量子-經典邊界。那麼這個坍縮發生在何時?它說,整個序列中唯一可能不滿足的,就是意識。因為系統、儀器、眼睛、大腦這些物理實體都必須滿足薛定諤方程。因而對薛定諤方程的違背只能是在物理-意識邊界。也就是說,坍縮發生在物理-意識邊界

多世界觀點與單一世界觀點相反,它認為一切的一切都滿足量子力學法則,從來就不會發生坍縮,因而整個疊加態從來就沒有被破壞過,最終我們仍處於疊加態。一個「世界」里,我們高興,另一個世界裡,我們沮喪。(請注意多世界理論的含義遠比這個字面意思豐富和符合邏輯,有需要請參見我的專欄)。

至於為何這個疊加態只能是按照本徵態的方式疊加而不是其他(因為我們有任意多種疊加方式),這個叫做「preferred basis problem」,偏好基問題。這個問題被認為已經通過退相干理論解決了。如果用一句話概況,就是說量子糾纏系統是一個整體而無法分割,但是我們的觀察只是針對其中一部分(在這裡我們只觀察系統),所以這種強行分割就損失了大量糾纏信息(用糾纏熵表徵),因而我們只能用經典態來做這個疊加。

還有一個問題,就是我們作為糾纏態的一部分,以「檻內人」的視角、而不是上帝視角看,最終得到的是哪一個結果,以及概率為何滿足玻恩規則,這個叫「Outcome problem」,輸出問題。這個問題至今懸而未決。這是多世界理論現存的最大障礙,如果解決,它必然取代其它所有詮釋而一統江湖。

多世界觀點如果不牽扯意識,輸出問題本身並不嚴重,因為多世界斷言所有狀態疊加並存,它所要解決的,是概率是何意義(因為多世界中其實嚴格講不存在概率),以及我們為何認為每個「世界」的概率滿足波恩規則。這個,一些大佬像Deutsch、Wallace、Tegmark、Coroll、Zurek都做出了很多研究,有所進展。

但是一旦多世界觀點開始牽扯意識,也就是「多意識」,就很麻煩了。根據多世界理論的綱領,一切滿足薛定諤方程,意識不過是大腦量子態的一種體現,也就不存在意識的問題了。但是,談論意識就必然引入一個問題,為何「我」只能意識到一個「世界」,而不能意識到並存的其它一切世界?我的大腦量子態的諸多疊加態中,究竟哪一個才代表了「我」?

馮諾依曼的問題是,「諸多量子分支在意識當中如何突然消失而只剩下一個?」而多意識理論的問題就是「我的意識如何選擇了諸多量子分支其中之一?」兩者其實並沒有本質的不同,只是一個承認多意識並存,而另一個承認只有單一意識存在,如此而已。

如果outcome problem不解決,多意識理論的這個問題也就不能徹底解決。對此我所見的所有研究文章中,只有Corroll的「self allocation uncertainty」看似直接回答過。其餘的研究最多做到回答了這樣一個問題「如果存在概率,那麼概率為何滿足波恩規則?」

物理學家們都不希望過多涉及「意識」這個怪胎。因此,多數哥本哈根的人不願意談論馮諾依曼-魏格納詮釋,多數多世界的人不願意談論多意識詮釋。不論是馮諾依曼的意識坍縮,還是多意識理論,都非常小眾。但是,應該說,窮究哥本哈根必然導致意識坍縮,窮究多世界必然導致多意識。兩者陣營對立,但是現在看來並不能分出高下。

而這個問題,並不影響現在物理學的發展,因為它暫時還是一個無法證偽的問題。

一些關於多世界、退相干、測量理論的詳細討論可以移步我的專欄

魔鬼眼中的自然界?

zhuanlan.zhihu.com圖標

以上。


鑒於和評論區的一個杠精的對話,再次更新:

意識坍縮,又叫做馮諾依曼-魏格納詮釋,這個詮釋的核心內容和哥本哈根詮釋類似,而和隱變數理論、多世界理論對立,表現在:

1、承認坍縮的存在(R過程);

2、承認概率性的幺正演化(U過程);

3、承認觀察者的特殊地位;

4、承認只有一個單一世界(和多世界對立)。

所不同的是,馮-魏詮釋不承認哥本哈根的所謂「量子-經典邊界」。因而它把坍縮推到了主客觀邊界上。也就是說,觀察者的意識導致波函數的坍縮。即,U過程中,幺正演化決定了系統的概率,而R過程中,觀察者的意識決定了系統狀態。

請注意,這是量子力學中諸多詮釋中的一個,從一開始就是小眾詮釋,到現在仍然是小眾詮釋。但是它是一個基於嚴肅理論的詮釋 - 馮諾依曼測量」,馮諾依曼測量已經是業界共識,而意識詮釋則不是共識。因為在馮諾依曼測量的基礎上,後來出現了退相干理論。

看過我專欄的人都知道,我暫時是多世界+退相干的信徒,我並不相信意識坍縮。但是這並不妨礙我準備隨時切換到這個詮釋門下 - 如果有足夠的證據出現的話。事實上,如果有足夠證據出現,我會隨時切換到任何一個詮釋門下。退相干理論並沒有徹底解決意識問題。哪怕是多世界理論也還沒有,這就是為何會有多意識詮釋

原因很簡單,所有關於量子力學詮釋的問題都還處於爭論當中,沒有結論。意識坍縮也沒有結論。現在大家所能做的是相信(或不相信)其中的某個詮釋,或者不關心任何詮釋(閉嘴計算)。

現在的各種詮釋,只有三個方案有可能能解決意識問題:一個是承認意識-客觀邊界(承認意識坍縮);一個是承認量子-經典邊界(哥本哈根);還有一個是否認任何邊界(多世界)。

意識-客觀邊界指的是意識和物理遵循兩套不同的規則;

量子-經典邊界指的是微觀和宏觀遵循兩套不同的規則;

無邊界,就是微觀、宏觀、客觀、主觀都遵循一個終極規則:宏觀是微觀粒子量子態的體現,意識也是大腦量子態的體現。但是這樣一來就不可能有坍縮存在,那麼必然需要承認多重世界並存。

各位上來就diss這個詮釋的人,還是洗洗睡吧。詮釋問題水深得很。

所以,就題主這個問題答案就是反問,你相信意識可以決定物質嗎?


看到評論,更新一個吧,

關於意識坍縮說,雖然現在相信的人不多,但是大家想一想是誰提出來的,馮諾依曼,一個簡直不能算人的人:

一個6歲就可以秒算8位數四則運算、15歲就在與大數學家Szego的第一次會面中就將對方感動到哭(是真的哭了,因為沒見過這麼聰明的人)的神童,

一個在無數學科中指點江山留下經典無數的男人(這些學科包括數學、物理、資訊理論、計算機、經濟學、社會學),

一個被無數人連嫉妒都不敢的學神(「我有時不禁懷疑馮諾依曼的大腦是不是來自一個超越人類的物種」),

一個在普林斯頓和愛因斯坦分庭抗禮的大佬。

各位答主,你們可以不信他,但是別把意識坍縮看做兒戲好嗎?它比哥本哈根詮釋要敬業得多,人家至少是經過細緻的理論分析的。在現代測量問題的討論中,無一不是從馮諾依曼的測量理論開始的。


原答案如下:

這麼多人就沒有靠譜的。

首先,在量子力學裡確實有詮釋認為意識決定物質狀態的,這個觀點的持有者還是位大佬,馮諾依曼。但是現在多數人不願意追隨這種觀點。

有人認為狀態是確定存在的,但是我們看不到,這是隱變數理論。

有人認為未被觀察的狀態不是狀態,觀察才造就了狀態,但是觀察不一定是意識在作怪,觀察是什麼?我不說。這是哥本哈根。

有人認為觀察不過是貝葉斯概率中的概率更新,這是量子貝葉斯主義。

有人認為所有的可能狀態疊加並存,觀察不過是我們和環境一起在退相干機制下選擇了一個分支,這是多世界。

有人認為上面的一切說法都是廢話,這個問題也是廢話,這是「閉嘴計算」。

還有很多其它的「認為」。

完全取決於你怎麼看。


本回答用於展覽楊大銻教主所發明(當然啦,富含硫化硼!)的歷史:

神TMEverett是魏格納學生

神TMEverett為了解釋導師不得不引入意識的情況而提出多世界

神TM名字出現次數多怎麼沒人發個物理學家的職稱職稱職稱職稱給希爾伯特

不行了職稱這個詞的出現真是笑死我了我先去喝口水

周杰倫的音樂創作是最需要打折扣了吧?這個年代流行歌曲的曲作者那麼多,但怎麼沒人給周杰倫發個作曲家的職稱呢?你認為周杰倫懂創作,就類似各位認為掏糞男孩都是音樂人似的,當然這是個主觀判斷,你真的認為他們是,請找楊大銻教主爭論,這是他的邏輯。

馮諾依曼的貢獻居然只是梳理了量子力學的數學基礎,這句話幾乎等於說愛因斯坦的貢獻只是探討了運動物體的電動力學。還敢大言不慚「諾依曼的解釋早就被拋棄了」,該民科連魏格納對諾依曼解釋進行拓展的發表時間和引用文獻都沒查過,就忙著給人家編造學生。

給諾依曼的物理學貢獻打折扣?要不要連忠實追隨者魏格納也打一個啊?頒給魏格納的諾貝爾物理獎要不要收回來,不是說認同這解釋的人不懂物理的么?

原來評價物理貢獻的方法是數人名次數而不用考慮物理思想的原創性,民科思維果然令人讚歎。不過這也難為他了,畢竟這位民科連密度矩陣都不認識。來,民科快點去多數幾個人名,好讓你多拿個乘母熬翔者職稱。

對了,民科數人名的時候不要錯把麥克斯韋和玻爾茲曼算成物理學家喔,畢竟按照你評價諾依曼工作的標準,他們也只是「梳理了電磁學的數學基礎」「梳理了統計力學的數學基礎」嘛。

======更新分割線=======

嘖嘖,民科越被打臉越氣急敗壞,越氣急敗壞就越暴露其水平不堪的事實:

這是狄拉克,櫻井,費曼,朗道被黑得最慘的一次(櫻井純:把我和他們相提並論真是折煞我了)。原始文獻的專著和後人參考其編寫的教科書能橫加對比,混為一談,不愧是教主。

民科沒學過密度矩陣居然能賴自己沒用曾謹言當教材,櫻井,費曼,朗道紛紛表示:別給我們丟人了,我們寫的教材你也沒看過吧?

活學活用教主寶訓:「正經物理系學生誰學牛頓力學!戈德斯坦馬爾契夫趙凱華朗道鐵摩辛柯哪本力學你不能讀!誰閑得蛋疼讀牛頓的力學!」

各位記好了,民科苦口婆心教導你們:

在量子力學沒有什麼必要分純態和混合態

純態跟混合態「態和態都是平等的」

什麼量子力學教材談熵?那是統計概念!

宏觀態和微觀態要不要也平等一個啊?

統計概念都是邊邊角角,不要教!但是明明就可以看做是統計平均值的路徑積分卻要教!明明意義就是統計幾率的散射截面卻要算!不要問為啥,這就是楊奶腸教主的教條!

====笑嘻嘻的更新分割線======

教主信口發明歷史被揭穿,不得不避重就輕改答案,嘻嘻嘻。

重新定義「某人的學生」和「Attend...with」來挽回顏面,教主英明!

所以我現在正式算是Ed Witten的學生啦?還是Witten現在算是我的學生啊?

不過咱們這些整天摳細節摳字眼的,哪比得上民科教主您缺啥細節就現場腦補編出來的啊?

比如腦補Everett提出多世界解釋是針對魏格納?

民科教主變臉快如翻書,前面張口就罵同意諾依曼的人「完全不懂物理」,一發現魏格納這個人是諾貝爾物理學獎得主立馬改口說成「犯錯了」,哈哈,教主到底能不能區別犯錯和完全不懂物理?給個准信唄?

還魏格納放棄了,呵呵,至少魏格納取得包括諾貝爾物理學獎在內的一系列成就時可是支持著這個解釋。你說他放棄這個解釋才是「諾獎得主犯錯」或許還有人信。

話又說回來,教主這麼講究要看過論文再講科學,那到底是誰給的勇氣一面這樣diss「密度矩陣,混合態,馮諾依曼熵」一面捧朗道踩馮諾依曼呢?試問,教主真有讀過自己推薦的,同為密度矩陣和混合態創始人的朗道嗎?


量子力學從來沒有說過意識影響物質這種理論。一些常見的量子力學梗比如虐貓狂人,測不準原理什麼的,想表達的都是:我們所觀測到的物質屬性,不是它的本質,而是它在特定的本徵態下所表現出來的性質。這都是完全唯物主義的表述,不存在意識改變物質的情況。用題主說的蘋果和香蕉舉個不太恰當的例子,桌子上擺著一個蘋果,但你站得太遠沒看清桌子上有什麼,你認為它可能是蘋果或者香蕉,這是從你所處的態的觀測結果。但是你絕對改變不了你走近一點,站在蘋果的本徵態下看到它就是個蘋果的事實。也就是說,你從不同態上看到的現象可能不一樣,但它客觀存在,你無法憑意識改變它。


波函數坍縮本質上是體系與環境相互作用的結果。所謂的「測量」,也必須通過被測體系輸出的能量(光子、溫度等信息)才能實現,這與生命體是否有(主觀)意識無關。

以「薛定諤的貓」為例,決定貓非生即死的因素在於物體與其環境之間複雜的相互作用,這些相互作用共同掩蓋了量子效應,比如貓的身體要反射光子(提供視覺信息),它和外界還存在熱量交換(提供體溫等生命信息),這些相互作用會不斷向周圍環境泄露貓的信息。薛定諤貓所代表的特殊量子現象涉及多個特殊經典狀態的疊加(例如生與死相疊加),這些狀態之間存在不可調和的矛盾。而從貓身上泄露的信息則屬於經典物理範疇,都是一些特定的情形,比如死了或者活著,這意味著狀態的疊加在信息泄露的過程中被破壞了,量子物理中稱此類過程為「退相干」。

物體尺度越大就越容易發生退相干,因為它們泄露出的信息更多,這解釋了為什麼物理學家往往習慣於將量子力學看成是一種微觀理論。


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