意识波粒二象的详细论证(4)

数学家冯·诺依曼

只有意识才能导致波函数坍缩

通过对双缝实验产生的波函数坍缩实验现象以及观察测量在其中的特殊地位的研究，天才数学家冯·诺依曼建立了有关测量的数学模型，经过严谨的数学推导，最终得出了只能是意识导致波函数坍缩的惊人结论。

1932年，冯·诺依曼写了一本《量子力学的数学基础》，在这本名著中，冯·诺依曼给出了量子力学的严格的公理化表述，量子力学被表述成抽象希尔伯特空间中的一种算符运算，这是现代数理物理学中的一大创新，这一表述成为后来人们研究量子力学问题的主要数学基础。冯·诺依曼第一次清晰的将波函数的演化分成两个过程，一种是量子态波函数在希尔伯特空间的连续性弥散演化过程，服从动力学的薛定谔波动方程，它是连续性、决定性以及可逆的，即彭罗斯所说的U过程。而另外一种则是量子态被测量时的波函数坍缩过程，它具有非连续性、不可逆性、空间非定域性，随机性和瞬时性的特征，这个被称为R过程。测量导致波函数坍缩的R过程，如朗道所言：“包含着一个深邃的不可逆性原理^[1]。 ”

冯·诺依曼认为量子力学的规律是普遍有效的，薛定谔方程不仅仅适合于描述实验中被测的微观客体，也适合于描述测量仪器本身。因为测量仪器本身也是微观粒子组成的，而既然微观粒子本身服从量子力学，在没有被测量时是模糊不确定的量子叠加态，那么由微观粒子组成的测量仪器同样也应该是模糊不确定的量子叠加态。这和玻尔的观点有根本不同，因为玻尔先验的假定了宏观测量仪器的经典特征，也因此而导致逻辑矛盾而被一些物理学家所诟病，而冯·诺依曼的观点则更有逻辑的一致性。

在实验当中，被测客体是不确定的量子叠加态，被测客体和测量仪器发生相互作用之后，此时并不能发生叠加态波函数的坍缩，而是被测客体和测量仪器二者发生了量子态的进一步相干叠加，形成一个复合的相干叠加态，此时的测量结果并不是一个单一的值，而依然是相干叠加态，那么如何去除测量结果的相关叠加性呢？冯·诺依曼认为还需要测量仪器II，但是测量仪器II虽然能消除被测客体和测量仪器I的干涉项，却又造成了测量仪器I和测量仪器II的干涉项的产生，于是又需要测量仪器III，于是还需要另一个、再另一个测量仪器……，这就形成一个无限延伸的测量链。冯·诺依曼有力的证明，服从量子理论的测量仪器不可能使量子叠加态坍缩到经典本征态，测量链（又叫冯·诺依曼链）会无限的持续下去，最终必须要有一个非物理性的因素才能终止整个测量链，使得量子叠加态坍缩为经典本征态，产生我们所观察到的单一的确定结果。于是冯·诺依曼大胆的得出一个结论，坍缩只能发生在“Ich”（本义是抽象自我，即有意识的观察者）的地方，只有意识才能扮演终止测量链的“最后一瞥”^[2]。“观察者在测量终结时看到仪器指针的读数，是导致被测量的对象从不确定状态过渡到确定状态的决定性因素。因此，如果不提到人类意识，就不可能表述一个完备的、前后一贯的量子力学的测量理论” 。冯·诺依曼是有名的大数学家，他的论证在逻辑上是无懈可击的，80多年来还没有任何人能够推翻，但是结果却被众多物理学家认为是非常荒谬的，是难以接受的。著名的弦理论科学家布莱恩·格林在自己的书中写道：

可能真像某些物理学家推断的那样，在未来的某一天，人类会发现有意识的观测行为是量子力学不可或缺的一个元素，是从量子迷雾中提取结果的催化剂。就我个人而言，我觉得这极其不可能，但是我找不到证明它不对的方法。^[3]

根据冯·诺依曼有力的数学论证，可以判断出意识必然是不同于物质的一种抽象存在，因为如果意识是纯物质现象，那么根据薛定谔波动方程和态叠加原理，叠加态将永远不可能坍缩，确定的经典现象无法产生，必须要有非物质的抽象物来终结测量链，这是对唯物论的强有力挑战，雅默在《量子力学的哲学》一书当中指出冯·诺依曼的理论是一种物理心理平行主义，接近笛卡尔的心物二元论，他在书中说：

按照冯·诺依曼的理论，一次完整的测量也包括观察者的意识。由于把过程划分为两种互相不能约化的范畴，相应于把世界划分为被观察的和进行观察的两个部分，这两部分尽管其分界线可以移动，但也是互不约化的，所以冯·诺依曼的理论是一种二元论。事实上，把它的哲学内容同阿那克萨戈拉关于物质与心灵的学说加以比较是有启发的，后者是关于世界最早的二元论观念之一，按照这种学说，“一个统一世界中的东西不是彼此分开的，不是刀砍斧截下来的，热不能同冷分开，冷也不能同热分开”（叠加？！)，但是“当心灵开始推动事物运动时，心灵就同每个被推动的东西发生了分离，而且心灵所推动的一切都被分开了”（收缩？！）^[4]

冯·诺依曼是一位20世纪天才的大数学家，是一个非常神奇的人，他六岁时能就用古希腊语与父亲交谈并能心算做八位数乘除法，八岁时掌握微积分，十二岁就读懂领会了波莱尔的大作《函数论》要义，并且具有惊人的过目不忘的超级记忆能力，他后来精通七国语言。他的《量子力学的数学基础》已经被证明对原子物理学的发展有极其重要的价值。由于冯·诺依曼关于计算机体系结构的设想在发明电子计算机中起到了关键性作用，他被誉为"现代计算机之父"。而在经济学方面，他也有突破性成就，被誉为“博弈论之父”。冯·诺依曼临终前提出的自复制自动机理论对今天的人工智能研究也有重大启发。与同为犹太人的哈耶克一样，他无愧是20世纪最伟大的全才之一，被认为拥有20世纪最聪明的大脑，更多的时候，人们更直接地称他为“科学界的外星人”。更何况他的意识导致波函数坍缩的惊人观点以及背后的深刻意义还远远没有被世界认识到充分的价值。

在冯·诺依曼之后，又有物理学家伦敦、鲍厄和诺贝尔物理学奖获得者魏格纳等人也坚持意识导致波函数坍缩的观点，现在美国劳伦斯伯克利国家实验室的著名物理学家亨利·斯塔普(Henry Stapp)也在这个课题上有深入的研究，并有专著《心灵，物质和量子力学》（Mind， Matter and Quantum Mechnics）。

自从17世纪现代科学开始以来，科学思想已经把人和意识放在一个并不重要的地位。越来越多的客观自然现象在物理学上已经可以得到圆满解释，甚至人类本身也已经通过生物学家和行为学家的研究被人们所了解。根据神经科学的还原论，意识被还原成大脑神经元的电化学反应。但是量子理论的一些实验现象和逻辑推论却在告诉我们，物理学正遇到意识问题的困境，如果说以哥白尼日心说以及牛顿运动定律为基础的经典物理废黜了人类在宇宙的中心位置，那么量子理论却又在以某种至今神秘难解的方式暗示，拥有自我意识的我们才是宇宙的中心？如果冯·诺依曼所说的只有意识才能导致波函数坍缩，这就意味着如果没有非物质性的意识，连任何确定性的物理实在以及在此基础上的经典世界都无法产生，如此唯物论怎么可能成立？但是有关意识在量子物理当中的特殊地位被认为是量子物理的难言之隐，大部分物理学家都埋头计算而拒绝正视，“闭嘴，计算”成为主流物理学的一致观点。

意识导致波函数坍缩观点已经过时了?

冯诺依曼提出意识导致波函数坍缩的观点已经过去八十多年，理论物理在这八十年多又经过了很多发展，于是现在有人说冯诺依曼的观点已经过时了，然而事实真相绝非如此。尽管冯诺依曼的意识导致波函数坍缩的理论一直受到主流科学界的轻视甚至故意的排挤，很多物理学家挖空心思试图提出可以排除主观意识介入的更合理的量子力学解释，但是迄今为止，尚没有得到一个完整的令人满意的解答。众多的量子力学解释，无论是主流的哥本哈根解释，还是多世界解释、退相干解释、波姆的隐变量解释、范·弗拉森的模态解释以及GRW客观坍缩模型等等，都存在诸多的不足，而且这些解释几乎都包含了观察者的影子。犹如知名物理学和数学家罗杰·彭罗斯所说：“这是一个惊人的事实：几乎所有的量子力学解释都在一定程度上依赖于意识的存在。这种意识是观察者……展现一种古典般的世界所必需的^[5]。”

李·斯莫林在自己的著作《物理学的困惑》一书当中把量子测量涉及的量子力学基础问题视为理论物理学的五大难题之一，并批评现今在物理学非常时髦的弦理论在这一问题上毫无作为，“关于量子理论的基础问题，弦理论目前还没有任何直接的说法^[6]。”而温伯格在去年(2017)的演讲中再次表达了对量子力学现存各种解释的不满，无论是工具主义性的各种解释，还是实在论的各种解释，都有一些严重问题，温伯格呼吁科学家发明新的更完整理论来解释量子力学中存在已久的问题^[7]。

退相干解释并没有解决测量难题

有很多人认为目前流行的退相干解释已经对测量难题提供了合理的解释，物理学家已把退相干的发现欢呼为“从贝尔不等式以来在量子理论基础中最重要的进展”，但这种认识是错误的，退相干解释远远不是一个成熟的解释，并不足以解决测量难题。退相干解释认为一个处于叠加态的量子系统，由于与周围环境不可避免的相互作用 ，二者发生迅速且强烈的纠缠，使得系统所处的、由某个观察量的多个本征态相干叠加而成的状态，不可逆地消去了各个干涉项，使系统的行为表现得就像经典系统一样，从而实现了从量子到经典的过渡。简单来说，退相干解释认为是环境执行了测量的作用导致了相干叠加态退相干为经典本征态。但是这里面却依然存在严重的逻辑问题，犹如沈健教授在论文中说的，“退相干解释尽管能在一定程度上缓解意识的介入问题，并为量子测量理论寻求某些客观的基石，但并不能为意识的完全剔除提供充分的辩护。按照他们的观点，量子测量过程可以通过复杂的量子系统的演化来解释，但复杂量子系统的测量就势必要靠更复杂的量子系统的演化来解释，这必然会导致一种无穷的退却。这种无穷的退却的最终截止点在哪里呢?本质上，这个最终截止点的确定非人不可。”关于意识的介入问题，国内的桂起权、吴国林、赵国求、肖峰、沈健等知名学者建立的量子力学哲学共同体曾经做过热烈地讨论，最后一致认为，“就目前的研究而言，暂时还没有一种学界一致接受的能消除意识介入的理论诠释^[8]。”

约翰·贝尔(John Bell)是较早对退相干理论提出批评的物理学家。早在1975 年，贝尔就发表批评文章，认为退相干理论并不能解决测量问题，在他看来，退相干理论根本就不是对一个真实的物理过程的描述，退相干的兴趣和价值全部是“为了实用的目的(for all practical purposes)”，退相干理论是通过提供—种有效于“实用目的”的答案来掩盖问题^[9]。实际上这种出于实用目的来掩盖问题的解释，在玻尔的哥本哈根解释当中也有鲜明体现，即玻尔强行先验地假定了经典世界的先在性，将测量仪器当成是经典的，在量子世界和经典世界之间划出了一条明显的分界线（海森堡分割），于是面临逻辑上的矛盾。而退相干解释又延续了这一实用主义和工具主义的传统，现在的学界也逐渐达成了一致的共识：单凭退相干理论不足以解决测量问题。

退相干解释实际仅仅是一种数学游戏，它把非幺正演化过程（R过程）归因于对更大的量子系统上的幺正演化（U过程）取统计平均，然而测量过程的非幺正性（不可逆性）是本质的，即使把整个宇宙包含在内，测量过程也不能由幺正演化来描述——除非我们假设在宇宙之外还有更大的量子系统或者诉诸于上帝 。退相干理论完全处于量子力学的框架之内，薛定谔方程描述的演化过程(R过程)是可逆性的，而测量导致的波函数坍缩即R过程是不可逆的，是无法被薛定谔方程所描述的，所以退相干解释根本无法描述或解释波函数坍缩的问题。

退相干解释也无法解决测量所产生的单一明确结果问题。“它可以说明为什么特定的对象在受到观察时会表现为经典的测量结果，但不能说明它是如何从众多的可能结果转变为一个特定结果的。换句话说，退相干理论并不能取代波函数坍缩假设来解决测量问题，它本身无法说明为何一次特定的测量会得到某个特定的结果而不是另一个”。“在退相干理论下，体系与环境仍然处在一个更庞大的纯态波函数状态下。虽然体系的各个可能性之间的量子干涉消失了，服从经典的概率统计规律，但是这些可能性仍然是叠加在一起的——薛定谔的猫仍旧处于死猫与活猫的叠加态之中^[10]”。由于退相干只描述系统波函数和环境波函数的纠缠，纠缠就意味着相干叠加态的存在，即在演化的终态仍然是一个有相干性的量子叠加态。布赖恩·格林也说，“退相干性允许我们用类似于经典物理的方式来诠释量子概率，但却没有再为我们提供任何细节，使我们知晓究竟是怎样从很多可能结果中挑出一种使其实际发生。虽然人们普遍认为环境诱发的退相干性是跨越量子物理经典物理分界的关键，而且许多人也希望这些想法有朝一日能在量子物理与经典物理之间搭建一条完善且具有说服力的桥梁，但是大家都觉得这座桥梁还远没有建好^[11]。”

意识的波粒二象解释和新的哲学革命

除了退相干解释之外的其它解释，由于篇幅所限，本文就不详述，我将另外专文分析包括哥本哈根解释、多世界解释、波姆隐变量解释等等众多量子力学解释的种种不足。虽然冯·诺依曼所说的意识导致波函数坍缩并不是唯一的解释，这个解释也很难让坚持唯物哲学的物理学家所接受，但是它却是非常逻辑自洽的解释，只是美中不足的是，冯·诺依曼缺乏对意识的进一步阐述和深入探索，意识究竟是什么，它和物质究竟是什么关系，为什么它能导致物质波函数坍缩，整个波函数坍缩过程的细节是什么，这些问题本身已经极大的超出了物理学和数学的范围。对于这些问题，我将借助于冯诺依曼的解释来展开进一步的论证，从而提出一个新的比冯诺依曼解释更完备也更加逻辑自洽的新量子力学解释：意识的波粒二象解释。

要解决量子力学中最困惑的波函数坍缩和量子测量谜题，不仅仅需要物理学家的深入思考，更需要新的哲学观念的革命，尤其是对存在，时空以及意识的全新认识。波粒二象以及量子测量问题，表面看起来是一个物理学问题，然而本质上是一个哲学问题，而且是最根本的哲学问题！约翰·惠勒认为，量子问题即为“存在”的问题。他清清楚楚地记得玻尔的同学卡西·米尔(H. Casimir)讲述的玻尔和海森堡之间关于量子力学的一场争论。当时玻尔和海森堡被哲学家霍夫丁(Hoffding)请到家中讨论双缝干涉实验及其对量子力学的启示。粒子去了哪里？它是穿过了这条缝还是那条缝？单个粒子如何自身和自身发生干涉而同时通过双缝？在讨论的过程中，玻尔陷人了沉思，喃喃自语道：

“存在……存在……什么才是存在呀？（To be ... to be ... what does it mean to be?)”^[12]

沿着冯·诺依曼所说的意识导致波函数坍缩的重要观点，我将展开进一步的深入论证，带来实在观念和时空观念的全新革命，更带来对意识的革命性认识，一场自我认识革命的新旅程要开启了……

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参考文献：

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1. [俄]朗道.《量子力学:非相对论理论(第6版)》[M].高等教育出版社.2008.p21 ↩

2. [美]冯·诺依曼.《量子力学的数学基础(英文版)》[M].普林斯顿大学出版社.1932.p421 ↩

3. [美]布赖恩·格林.《宇宙的结构——空间、时间以及真实性的意义》[M].湖南科学技术出版社.2012.p490 ↩

4. [以色列]马克斯·雅默. 量子力学的哲学[M]. 商务印书馆, 2014.p670 ↩

5. [美]布鲁斯.《量子之谜——物理学遇到意识》[M].湖南科学技术出版社.2013.p239 ↩

6. [美]李·斯莫林.《物理学的困惑》[M].湖南科学技术出版社.2008.p189 ↩

7. 温伯格:我为什么对量子力学不满意 ↩

8. 沈健.从哲学视角看量子干涉、纠缠与消相干[J].现代哲学. 2009(05): 89-94. ↩

9. Bell J S. On wave packet reduction in the Coleman-Hepp mode.l Helvetica Physica A cta, 1975,48: 93-98 ↩

10. 唐先一，张志林.量子力学诠释综论[J].自然辩证法通讯. 2016(06): 29-40. ↩

11. [美]布赖恩·格林.《宇宙的结构——空间、时间以及真实性的意义》[M].湖南科学技术出版社.2012.p227 ↩

12. [美]阿米尔·艾克塞尔. 《纠缠态:物理世界第一谜》[M]. 上海科学技术文献出版社, 2008.p47 ↩