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量子理論與思維研究

 龍泉清溪 2017-08-16

量子理論與思維研究

 (2015-11-05 15:51:22)
標(biāo)簽: 

文化

分類: 博文

    乍一看,量子理論和思維理論相距較遠(yuǎn):一個(gè)是反映微觀物質(zhì)世界的物理學(xué)理論;另一個(gè)是研究人類把握世界的工具的綜合性學(xué)科理論。實(shí)則不然。且不論任何理論也包括量子理論在內(nèi),都是思維的結(jié)果;還包括兩個(gè)理論在其核心方面,擁有相當(dāng)?shù)墓餐c(diǎn)。

    量子力學(xué)產(chǎn)生于十九世紀(jì)末至二十世紀(jì)初,當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)理論雖居于統(tǒng)治地位,但其在描述微觀系統(tǒng)時(shí),卻愈發(fā)顯得力不從心。量子力學(xué)的問世,將物理學(xué)引入新的境界,產(chǎn)生了一批新的理論。特別是將不確定性理論引入微觀系統(tǒng),改變了經(jīng)典力學(xué)理論的確定性、決定論的一統(tǒng)天下;與相對論一起,構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱。

    量子一詞來自拉丁語,意為“多少”,代表“相當(dāng)數(shù)量的某事”。量子力學(xué)認(rèn)為:在微觀領(lǐng)域中,某些物理量的變化是以最小的單位不是連續(xù)而呈跳躍式進(jìn)行,這個(gè)最小的基本單位叫做量子。也有的將量子表述為:一個(gè)物理量如果為最小單元且不可連續(xù)分割,這個(gè)物理量便是量子化的,這個(gè)最小的單元被稱為量子。1900年,德國物理學(xué)家馬克斯.普朗克提出輻射量子假說,認(rèn)為“能量子”(量子)是能量的最小單元,像原子作為一切物質(zhì)的構(gòu)成單元一樣,后來,這一天被認(rèn)為是量子理論的誕生日。

    幾年后,德國物理學(xué)家阿爾伯特.愛因斯坦引進(jìn)光量子(光子)的概念,給出光子的能量、動(dòng)量與輻射的頻率和波長的關(guān)系,提出光同時(shí)具有波動(dòng)和粒子的性質(zhì),即光的“波粒二象性”。法國物理學(xué)家路易.德布羅意對光的粒子性問題做了逆向思考,提出“物質(zhì)波”的假說,認(rèn)為一切物質(zhì)都和光一樣,都具有波粒二象性。1926年,德國物理學(xué)家馬克斯.玻恩提出概率波理論,以解決光和微觀粒子的波粒二象性統(tǒng)一的問題?!安6笮浴钡奶岢?,實(shí)際上涉及了量子力學(xué)的測不準(zhǔn)關(guān)系,因?yàn)榱W拥奈恢煤蛣?dòng)量是不能同時(shí)有確定值的,由此也引出了解決光和微觀粒子“波粒二象性”統(tǒng)一的概率波問題。

    量子力學(xué)研究了狀態(tài)函數(shù),認(rèn)為:一個(gè)物理體系的狀態(tài)由狀態(tài)函數(shù)表示,狀態(tài)函數(shù)的任意線性疊加所代表的是體系的一種可能狀態(tài)。狀態(tài)隨時(shí)間的變化遵循一個(gè)線性微分方程,該方程預(yù)言體系的行為;物理量由滿足一定條件的、代表某種運(yùn)算的算符表示;測量的可能取值由該算符的本征方程決定,測量的期望值由一個(gè)包含該算符的積分方程計(jì)算。量子力學(xué)還研究了微觀體系狀態(tài),認(rèn)為:體系的狀態(tài)為兩種變化:一種是體系的狀態(tài)按運(yùn)動(dòng)方程演進(jìn),這是可逆的變化:另一種是測量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此,量子力學(xué)對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言,只能給出物理量取值的幾率。從這個(gè)意義上說來,經(jīng)典物理學(xué)的因果律不適合微觀領(lǐng)域。

    量子力學(xué)提出了不確定性原理,也稱測不準(zhǔn)原理,是指測量物理量的不確定性。該原理認(rèn)為:兩個(gè)不對易算符所表示的力學(xué)量,如坐標(biāo)和動(dòng)量,時(shí)間和能量等,不可能同時(shí)具有確定的測量值。其中的一個(gè)測得越準(zhǔn)確,另一個(gè)就測得越不準(zhǔn)確。量子理論認(rèn)為:由于測量過程對微觀粒子行為的“干擾”,致使測量順序具有不可交換性,這是微觀現(xiàn)象的一個(gè)基本規(guī)律。實(shí)際上,像粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量這樣的物理量,并不是本來就存在而是等待測量的信息。測量不是一個(gè)簡單的“反映”過程,而是一個(gè)“變革”過釋,測量值取決于測量方式,正是測量方式的互斥性導(dǎo)致了測不準(zhǔn)關(guān)系。奧地利物理學(xué)家埃爾溫.薛定諤從這種不確定性出發(fā),假設(shè)了一個(gè)著名實(shí)驗(yàn),人稱“.薛定諤之貓”。該假設(shè)說,“把一只貓放進(jìn)一個(gè)不透明的盒子里,然后把這個(gè)盒子連接到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝置上。設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有50%的可能性發(fā)生衰變。如果發(fā)生衰變,則會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子,而這個(gè)粒子將會(huì)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)裝器,打開裝有毒氣的容器,從而殺死這只貓。根據(jù)量子力學(xué),在未進(jìn)行觀察時(shí),這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài),但如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開,實(shí)驗(yàn)者看到的只能或是‘衰變的原子核和死貓’,或是‘末衰變的原子核和活貓’兩種情況”。這個(gè)假設(shè)的“殘酷實(shí)驗(yàn)”,其巧妙之處在于:通過“檢測器一一原子一一毒藥瓶”這條因果鏈,似乎將鈾原子的“衰變和未衰變疊加態(tài)”,與貓的“死一一活疊加態(tài)”聯(lián)系在一起,使量子力學(xué)的微觀不確定性變?yōu)楹暧^不確定性:微觀的混沌變?yōu)楹暧^的荒謬——貓要么死了,要么活著,兩者必居其一,不可能同時(shí)既死又活!難怪英國著名科學(xué)家霍金聽到薛定諤貓佯謬時(shí)說:“我去拿槍來把貓打死”。

    量子力學(xué)理論經(jīng)歷了從產(chǎn)生、發(fā)展到完善的過程;這一過程也是一條從模糊、糾結(jié)到逐漸清晰的軌跡。而含于這一過程之中,或者說支撐這一軌跡的,則有一種強(qiáng)大且一以貫之的因素:對不確定性存在的探求、思考、確認(rèn)。無論是舊量子力學(xué)的“波粒二象性”還是“物質(zhì)波”假說,抑或概率波理論;無論是量子力學(xué)的狀態(tài)函數(shù)還是微觀體系狀態(tài);也無論是不確定性原理的提出還是有些許驚悚的“薛定諤之貓”,其實(shí)都在“微觀領(lǐng)域不確定性存在”中跨越了經(jīng)典力學(xué)的窼臼。當(dāng)經(jīng)典力學(xué)力圖以確定性和決定性來面對微觀領(lǐng)域的問題時(shí),量子理論則用可能性和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來回答;當(dāng)傳統(tǒng)物理學(xué)精確地告訴星系的運(yùn)行軌道時(shí),量子理論則讓人們就原子中電子的位置進(jìn)行賭博,以致阿爾伯特.愛因斯坦在爭論中都說出了“上帝不擲骰子”的話。當(dāng)然,愛因斯坦的話是錯(cuò)的。

   量子力學(xué)對不確定性存在的探求、思考、確認(rèn),之于思維科學(xué)的研究,可以說大有裨益。筆者因之而思考了兩個(gè)問題:人的思維何以能夠發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)微觀領(lǐng)域這種不確定性存在?換言之,思維中的何種特質(zhì)將微觀領(lǐng)域不確定性存在變成了思維可以把握的東西?說起來,不確定性的存在,是很難把握的。因?yàn)榘凑蘸唵蔚耐普?,對不確定性存在的把握,結(jié)果應(yīng)當(dāng)還是不確定性。可是若如此,量子力學(xué)將何以問世?又何以造福于人類呢?看來,不能做這種簡單的推論,而應(yīng)當(dāng)復(fù)雜些、深刻些。以是假定:思維中一定存在某種特質(zhì),能夠容忍這種不確定性存在,并在這種不確定性存在中找出某種確定性存在,從而實(shí)現(xiàn)對這種不確定性存在的把握。承接這一問題而來的是:這種不確定性存在與思維是什么關(guān)系?如果承認(rèn)思維中存在某種能夠容忍不確定性存在,并在不確定性存在中找出某種確定性存在的特質(zhì),那么,這種特質(zhì)與量子力學(xué)的不確定性存在是否有關(guān)聯(lián)?思維的某種特質(zhì),是否也存在不確定性?

    上述兩個(gè)問題,其實(shí)已涉及了思維的界定問題。而循著這些問題,則可以向與思維界定相關(guān)的問題靠攏,而這正是量子力學(xué)軌跡給思維研究帶來啟示的結(jié)果。而由量子力學(xué)軌跡的啟示向思維界定的靠攏,可從三個(gè)方面進(jìn)行:一是確認(rèn)思維具有發(fā)現(xiàn)微觀世界不確定性存在的能力;同時(shí)具有容忍發(fā)現(xiàn)微觀世界不確定性存在的能力。否則,不會(huì)有量子力學(xué)從科學(xué)家的思維中問世。二是這些科學(xué)家們的思維,是從確定性出發(fā)來對待量子力學(xué)的不確定性的,他們是在力圖將不確定性納入到確定性中來。同時(shí)又盡可能將不確定性降至最低,也就是在最低的不確定性中把握量子力學(xué)理論。于是,才有量子力學(xué)問世并為人所用。三是科學(xué)家們的思維所追求的最低的不確定性,本身就存在不確定性。這是思維不確定性存在與量子力學(xué)不確定性存在的關(guān)聯(lián)之處,也是某種相通之處。當(dāng)然,思維中不確定性存在,主要表現(xiàn)為思維對象在激活、連接時(shí)選擇的多樣性;而不是量子力學(xué)中測量物理量的不確定性。

    筆者的研究認(rèn)為:人類的思維,是人類用以溝通主體客體關(guān)系、實(shí)現(xiàn)對主體和客體以精確為輔、近似為主把握的工具。這一界定表明:思維是工具;是把握主體和客體的工具;而作為工具所實(shí)現(xiàn)的,是精確為輔、近似為主的。具體說來:在人的思維中,精確、精準(zhǔn)、確定是少量的;而大量的則是通過思維而接近精確、精準(zhǔn)、確定。

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