[url=]朱清时,中科院院士,中国科大前校长
今天讲的题目是《量子意识——现代科学与佛学的汇合处?》,大家一听到这个题目可能觉得很玄。意识怎么会是量子?量子这个东西大家可能都觉得很神秘,实际上一点儿也不神秘。二十世纪被最精密地证实的自然科学理论就是量子理论。二十世纪有大量的科技成就和社会的技术发展,都是跟量子理论有关的,像核能、半导体,我们现在用的手机、计算机,这些都和量子理论有关。下面我再简要介绍量子理论。
那么意识是什么呢?学自然科学的人都知道,意识是被科学拒之门外、唯恐避之而不及的东西。我们这代人都知道一句老话,叫做:“科学研究的是不以人的意志为转移的客观规律。”这句话大家是不是很清楚,这是以前的老生常谈了。“不以人的意志为转移”的“意志”就是意识,就是说自然科学把自己摆脱得干干净净的,把所有意识的东西都排除在外,它不承认自己的东西跟意识有关,所以自然科学和意识是撇得很清楚的。但是人类发展到今天,发现意识是规避不了的。我今天要讲的就是,自然科学发展到后来,发现意识是怎样都规避不了的,而且意识在自然科学理论中,反而可能是最基础的。这就是我今天要讲的主要内容。如果大家听懂了,为什么意识是规避不了的,而且意识在自然科学理论中是最基础的,大家就可能知道自然科学最终应该会和佛学殊途同归。
佛学研究的正是“意识”(当然不能完全用意识来概括佛学),而自然科学要研究的,就是刚才说的,要和意识撇得很清楚的客观世界。它把所有意识都排除在外,它研究的是“不以人的意志为转移的客观规律”,是客观世界、物质世界。那么人类另一部分的知识、宇宙中间另一部分的东西,就是意识,实际上是从释迦牟尼之前就开始研究,释迦牟尼之后就更发达,佛学研究人的意识。如果佛学跟科学研究的东西是分不开的,那么佛学和科学一定就会走在一起。果然现在自然科学就发现,意识和客观物质世界是不能截然分开的,随着研究的深入,相信佛学最终会和自然科学殊途同归。
这就是我今天要讲的主题,也是我现在对佛学和科学的认识。
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。
大家对这个说法先有了思想准备,对我后面讲的东西可能就容易接受了。
科学和佛学认识真理的不同方法
科学研究的是物质,科学研究的基本方法就是假设客观世界和主观世界、也就是物质和意识必须要截然分开;佛学研究的东西是意识,佛学反而认为主观和客观、物质和意识不能分开,就是“心物一元”的道理。大家要接受佛学不是迷信,必须要了解佛学为什么能够发现真理,而不是胡思乱想呢?
我们先来比较一下佛学和自然科学认识真理的不同方法。
首先自然科学(以后简称科学)的方法,科学界有定论,是逻辑推理加实验。逻辑推理是亚里士多德时代的形式逻辑,实验是培根的科学归纳法的基础。还有个大前提,就是刚才说过的,假设客观物质世界和主观意识能截然分开。
佛学的方法跟科学完全不同,佛学的方法不做实验,不作推理。佛学通过提高人的认知能力来认识更深刻的真理。什么叫提高认知能力?打个比方:一个小孩儿对世界的理解,对于我们成人来说很幼稚。这个小孩儿要提高认知能力,要等他长大。长大以后,他的大脑已经达到更高的水平了,他就会发现他小时候不能理解的许多道理豁然开朗。这就是提高认知能力来认知真理,就是人靠自然成长,从小孩儿变成大人。另外我们人类和猿猴的脑容量相差并不是太多,但是有很多我们看来司空见惯的东西,猿猴就是怎么理解都理解不了。人类对猿猴不能理解的东西,一看就能理解,这就是人类的认知能力比猿猴高了一等,自然而然就理解了很多猿猴不能理解的东西。
所以佛经上经常说,有些人没有慧根。没有慧根的人很愚钝。愚钝实际上是认知能力不高。有慧根的聪慧的人,往往能够一眼看懂愚钝的人百思不得其解的东西。佛学怎样去提高人的认知能力呢?用的办法就是禅定,禅定让自己的大脑和全部身心细胞处于高度安静的状态。这个时候,就像电流遇到超导体一样。电流遇到普通导体时,有很强的电阻,那是因为普通导体里的分子、原子都在扰动,扰动增加了电流流动的阻力。当把导体冷却到绝对温度附近的时候,电子通过的路径上,分子和原子的扰动全部都消失了,这个时候导体就畅通无阻了,一下子电流就极其强。人在禅定状态下,如果你能达到那种功力的话,你的大脑就像超导体一样,足够安静,一下子你的思维和你的意识就会变得比过去强大得多。所以佛学认知真理是靠禅定,靠一个人的心静下来,提高了自己的认知能力,而认识到更深刻的真理。佛学认知真理是靠直觉。直觉人人有之,但直觉有大有小,佛学的直觉,是通过禅定提高之后的直觉,即是更高智慧的开启。
自然科学研究的是独立于观察者之外而存在的客观实体,无论谁去观察、用什么方法观察,结果都应该相同,这就是自然科学的可重复性原则。因为它摒除了主观,所以它的研究结果谁都可以重复。佛学的研究,是通过提高认知能力,那可不是任何人都能重复的了。佛学的认知方法叫“循业发现”,就是每个人的认知能力只有跟循自己业力的大小,业力的大小意味着认知能力的高低,发现宇宙真理的层次就不一样。这两种不同的方法往往不能混淆。如果搞自然科学的人用自己的重复性原则加之于佛学,那就完了,佛学不可重复。一个人能够认知的东西,另一个愚钝的人永远不可能认知,要这个愚钝的人提高了自己的认知能力才能够认知,所以是不可重复的。就这个意义上说,很多人不理解佛学的方法,把佛学斥之为迷信。这是今天我要说的第一部分,就是佛学不是迷信,佛学是研究意识的,其研究意识用的方法不是自然科学的那种逻辑推理加实验,它是靠提高人的认知能力来达到的。认知能力提高了之后,你对意识的认识才会上一个台阶。
量子力学的诡异现象
现在开始进入第二部分,可能大家有点吃力,所以希望认真听。懂得这一部分,才知道二十世纪人类科技的最高成就,而且才能听懂我刚才说的,为什么科学和佛学可能异途同归。
这部分讲量子力学。当然我不是讲授量子力学,我力求向南老师学习,把它讲得通俗,大家都易懂。量子力学这个理论非常之怪,刚才说了二十世纪人类物质进步的每一个重大环节,都跟量子力学有关。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。量子力学创始人有两个,一个是爱因斯坦,一个是玻尔。他们一辈子都在争论量子力学的问题,“世纪大辩论”,结果还是不能理解。玻尔就说了,如果谁说他懂了量子力学,他就没有真懂,因为量子力学连我们都没有搞懂,这就是他们的观点。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、迭加态与坍缩
量子力学的第一个诡异现象叫做态迭加原理和坍缩。
为了解释量子力学观念,我先说说普通人的日常经验。一个物体在某个时刻,一定会处在某个固定的状态。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。只有一个对,要么在客厅里头,要么不在客厅里头。这就是普通人的关于状态的概念。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。这个客观的定义,所有人都理解,而且认为这是天经地义的。
但在量子力学里就不一样了。量子力学的基本原理就是微观粒子可能处在迭加态,这种状态是不确定的。例如电子可以同时处于两个不同地点,电子有可能在A点存在,也可能在B点存在,电子的状态是在A点又不在A点的迭加。这个话大家就不太理解了。聪明的人会说,你说电子既在A点又不在A点,就像说你的女儿既在客厅又不在客厅,女儿在不在客厅,你一看不就明白了吗?这还用辩论什么?但是恰好量子力学就认为,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迭加状态,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,它就处于迭加态,也就是一个电子既在A点又不在A点,既在B点又不在B点。好,你说我去观察一下它在A点还是在B点。你一观察,它这种迭加状态就崩溃了,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:你这是诡辩,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。
我先说一下干涉实验的概念(如上图)。如果有一个波,经过了两个狭缝,出来就变成两个子波了,这两个子波在随后传播过程中就会出现干涉。干涉的意思就是这两个子波在每个点都迭加,在有些点上两个波的运动方向相同,波的振幅就加强;在有些点上两个波的运动方向相反,振幅就减低,或者抵消为零。所以最后你观察到的波就是一些干涉条纹。如果看到干涉条纹,你就知道你观察到的是个波,而且这个波是在两个狭缝同时出现的,也就是既在A点又在B点,因为只有这样的情况,波才能出现干涉。
如果用电子来做实验(如上图),当每次只发射一个电子的时候,这个电子通过双狭缝打到电子屏上,激发出一个小亮点,这是电子的粒子性。但是事先也不知道电子会出现在屏幕上的什么地方,结果多次重复,经过大量的观察发现,这些电子不是完全没有规律的。它有时出现在这里,有时出现在那里,在某些地方出现的可能性要大一些,在另一些地方则小一些。电子的规律就是,它出现频率高的地方,恰好是波动规律所预言的干涉条纹的亮处,而它出现频率低的地方,对应于干涉条纹的暗处。
所以,大量的实验证明: 电子尽管是粒子,但是其运动像个波,而且每个电子必须同时出现在两个小孔。因为只有同时出现在两个小孔,它才能干涉。就如刚才说的,你没有观察它的时候,电子一定不会取一个确定的状态,它一定是所有状态都要同时存在,这样它才能干涉起来。这就是量子力学诡异的地方。这个性质,随后有很多很多应用。
刚才说了,电子一定要同时存在于两个可能的状态,电子才能与自己干涉起来。那么如果我们观察它,比如在两个狭缝处设置探测器,电子会怎么样呢?电子一被观测,就只出现在一个狭缝上了,干涉条纹立刻消失。这个状态就叫做波函数的坍缩。就是你一观察,电子就在一个确定的地方出现了。那么有些人就想,我观测它出现在确定的地方,它是不是早就出现在这个确定的地方,只不过我们不知道而已?不对,刚才的干涉实验告诉我们,在没有干涉之前,它肯定出现在所有地方。假如, 当我们不观察时,电子真的存在于某个地方,它便只能通过一道狭缝,这就不能解释实验中观测到的干涉条纹。其实,严格的实验已经完全排除了这种可能。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。
搞物理学的人开个玩笑,说观测为什么能够改变电子的状态呢?就好像一个男的和一个女的在恋爱时,不知道结婚的结果是好是坏,可能是好也可能是坏,是好与坏的一种迭加状态。这个时候你想要确定是好是坏怎么办呢?只有结婚试试吧。一结完婚,状态就改变了,就再也不是原来的状态了,变成只有一个状态了,要么好要么坏。刚才我讲了半天,实际上就是和这个例子一样。在观察之前,大家都不知道电子处于哪个状态。你去观察一下,就像结婚了,那电子就出现在一个确定的状态上了。这就是观测对系统的影响。
2、单体的迭加态:薛定谔的猫---证明测量的核心是人的意识
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”。薛定谔的本意是想批驳量子力学和量子力学的态迭加,他认为一个东西既存在这个状态,又存在那个状态,像女儿即在客厅,又不在客厅一样,那是荒谬的。他就想了个办法来批驳量子力学,结果没有批驳好,最后反而证明了量子力学最诡异的地方,也就是意识和物质不可分开。
现在我来说薛定谔的实验是什么(如上图):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,这是他想象中的一个实验。根据刚才说的量子力学的态迭加原理,没有观察的时候,原子核是处于已经衰变和没有衰变的迭加状态,就是它既可能衰变了又没有衰变,它是两种状态的迭加,就像电子既在A点又不在A点一样,这个原子核既衰变又没有衰变,50%几率衰变,50%几率不衰变。这个时候猫的状态是可能活着,也可能死了,就是说猫也处于这种既死又活的迭加状态。
猫可能处于这种状态吗?聪明人可能会说:那你打开盒子一看不就行了吗?但是打开盒子一看,就是作了观测,猫就只能是死或者活了。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迭加,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。大家都不承认有这种状态。但是量子力学的诡异之点,量子力学的态迭加原理就是说:你在观察之前,猫就是处于既死又活的状态。这个问题争论了很长时间。怎么办?量子理论很确定,这是毫无疑问的,如果没有揭开盖子没有观察,那薛定谔的猫的状态是死与活的迭加,这只猫永远处于同时是死又是活的迭加态。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,量子力学就认为两者同时存在。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。
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,迭加态就不适用了。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。维格纳这个认识已经是量子力学界的共识了,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。
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。到此为止我讲的全都是物理学。大家有兴趣的可以去买关于薛定谔的猫等量子力学诡异现象的通俗读物,现在出的这种书已经很多很多了,我讲的这些都是上面的说法。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。
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