“量子永生”是个什么鬼？

最近读了曹天元老师的《上帝掷骰子吗？》和[意]卡洛.罗韦利的《现实不似你所见 量子引力之旅》，虽然仍是一知半解，但仍为大千世界的神奇感到惊讶不已。在量子世界，印证了那句“一切皆有可能”，你无法用常识来描绘一切。

刘慈欣曾说过，如果一个人在短暂的人生中匆忙而过，对超出我们视觉的宏大和微小世界毫无了解，每天的思想都在生活和工作范围里徘徊，那就等于在精神上一辈子没走出过家门，这无疑是人生的一大遗憾。希望越来越多的人爱科学！在这个有趣的世界，成为一个有趣的人。

01 无法逾越的龟

小时候，我们都听过一个故事：兔子由于傲慢，比赛输给了乌龟。

在古希腊数学家芝诺的故事里，“捷足”著称的阿喀琉斯也跑不过乌龟。

他假设，乌龟和阿喀琉斯赛跑，乌龟起跑就领先100米，后者速度是它的10倍。问：什么时间阿喀琉斯能追上乌龟？芝诺的答案是，永远追不上。

“芝诺悖论”里，当阿喀琉斯跑到乌龟的起点，乌龟已往前又跑了一段距离；阿喀琉斯只得再花时间追上，与此同时乌龟又往前不少，这个过程会持续下去……

因此芝诺说，按照严密的逻辑推理，阿喀琉斯只能无限接近乌龟，却永远无法追到乌龟。

数学中有无穷的概念，数值无限次的相加总能得出一个有限值。比如1+1+1+1……=n、0.1+0.1+0.1+0.1……=n……

空间和时间，是否也能连续无限次分割？

早在公元前，哲学家德谟克利特即提出原子论：任何物质都由不连续物质组成，不可再分、大小有限。

这是一种机械决定的朴素理论，它假设如果物质可以无限分割，那么剩下的只能是没有维度的点，没有维度的点永远无法拼凑出维度，因而得出物质的原子性。

这个理论，虽无法回答时空、及更深层的问题，却有助于悖论的消除。

我们已知跑道的总距离，假设空间真能无限切割，那便会有无穷段跑道，无穷段跑道又总能拼成固定长度跑道，因此无穷段时间必能拼成有限时间。这样一来，阿喀琉斯在有限时间内一定可以追上乌龟！

那么，不连续性，是否存于一切，包括物质、时间、空间？

过去几百年，经典理论一再告诉我们，一切自然过程都是平滑、连续不断的。很难想象，飞翔之鸟、潺潺流水、空中足球、摆动的表，会在什么地方有一个暂停键。牛顿、麦克斯韦的庞大体系，也正因此为基得以壮大。

1900年12月14日——量子诞辰，一切改变！

得益于德国物理学家普朗克，研究黑体问题时发现的一个普适公式。他进一步假设“能量在发射和吸收的时候，不是连续不断，而是分成一份一份的。”

想象你去买东西，给钱的状态就是不连续的。最小能给1分钱，低于这个数就不成立，你无法给出0.1、0.01、0.001分。

能量也是这样，必须以不可分割的最小常数来发送。只是微观世界如此细密，以致于在不灵敏的人类器官看来，所有的事物都是平滑连续的。

这个最小的能量单位，就是“普朗克常数”h，用以描述量子的大小。

“能量不连续”这个假定，是对经典世界的一次彻底颠覆，但却支撑着普朗克公式的无比正确性。

也就是说，任何系统内部可分区状态都是有限的。无穷存在上限。

这个观点，后来被爱因斯坦所证实。他通过观察光电效应发现，电子的能量取决于频率而非能量，从而提出了“光量子假说”。

在光电效应中，有些物质被光照射会发射电子。经典电磁理论里，光的强度表示能量，颜色由频率决定。理论上，增强强度理应有更多电子发射出来。但实验结果恰恰相反。

这就好比，一大堆石头同时飞过来，你毫发未伤；一颗石头飞过来，你却头破血流。是不是很奇怪？

爱因斯坦引入了普朗克能量包的概念，将其命名为——“光子”，也就是光的量子。逻辑得以自洽：如果单一光量子具备很大能量，那么电子就会被推出原子。这就解释了光电效应中电子能量的问题。

如果一块石头足够大，你受伤并不足为奇；如果是一把沙子，虽然同时撒过来，你也不一定会受伤。

爱因斯坦“光量子假说”，奠定了量子力学的基石。“在一切物体，包括光之中，都存在着基本的分立性。”最小尺度则由普朗克常数决定。

从古至今，对于未知我们总无法言说，于是无限推诿于无限。宇宙有多大？无限大！量子革命却说，宇宙是有限的，只是可能无边……

奇点将死，颠覆已至。

02 死了活着的猫

现在不得不说说，那个广为人知的实验：薛定谔的猫。

1935年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔发表了一篇论文《量子力学的现状》，其中描述了一个实验：

将一只猫装在密封箱子里，里面同时有一个放射性原子，原子随时可能发生衰变，触发同在其中的毒气瓶破灭。一旦发生，猫就会死。

薛定谔说，根据哥本哈根派的原理——“粒子只要没有观察，就处于衰变/不衰变的叠加中”。可知猫没被观察时，应该同时存在活着、死去两种状态。

活着又死去？这是什么意思！

让我们暂且放下震惊，插入“哥本哈根派”对于量子“不确定性”原理的描述。

哥本哈根派得名于玻尔领导的哥本哈根理论物理研究所，其主要成员包括玻恩、海森堡、泡利、狄拉克等人。

我们都知道，物质由原子构成。

历经一百年，原子模型到玻尔时期，基本演变为电子围绕原子核（质子、中子）做不规则运动。

但这个模型无法解释，物质的颜色问题。

法拉第曾指出，颜色由电子的震动速度决定。基于牛顿力学，电子能够以任何速度环绕原子核运动。如果这是真的，原子光谱就该是连续的。但实验中科学家观察了许多物质，如钠、汞、锂、氢，这些元素的光谱都只是分离的线条。

此时玻尔创造性假设，原子内部只能释放特定量的能量，也就说电子只能在离原子核特定的位置存在，并且只能在特定的“势能位置”之间转换，这就是著名的“量子跃迁”理论。

由于电子只能在特定轨道，光的频率也就成了特定的。

想象一个环形楼层，有无数个房间，中间住着原子核，其他围绕楼层，可随意邀请电子入住。只是，房间分立、不连续，没有中间项。

电子住进不同房间/楼层、排列组合，就构成了钠、汞、锂、氢等不同物质；电子换房间，则形成了分离线条的特定光谱。

什么时候电子会换房间呢？或者说，什么情况下量子会发生跃迁？

双缝干涉试验中，德国物理学家沃尔纳.海森堡，天才的解决了这一难题。

想象有一台电子发射器，前面是一块长方形面板，面板上有两条缝隙。问：电子随机发射时，它会通过缝隙的哪一边？海森堡的回答是，都有可能！

微观世界，观察本身形成干扰。当一个光子去探测电子位置时，电子会发生强烈扰动，从而偏离其原本发射位置。但如果不对其进行观测，电子本身在哪里又根本没有意义。

也就是说，不观察电子时，它有可能从任意一条缝通过；可一旦观察了，它被迫要做出选择，最后才以确定姿态出现在观察者眼前。

在此之前，电子的状态是叠加的。这就是“不确定性”！海森堡说，“电子无处不在而又无处在。”一切可能的都发生了！

回到猫的实验，根据“不确定性”，当对猫进行观察，光量子就影响了电子，毒气可能因此释放，所以打开盒子猫也许死了；不观察时，原子永远处于衰变/不衰变的叠加状态中，猫自然也处于死/活的叠加态中。

基于此，一种更大胆的想法出现。既然电子穿过双缝可以叠加，为什么世界不可以？

这便是“平时宇宙”理论说，“波函数无需坍缩（物质随机选择一个单一结果表现出来），事实上两种可能都发生了！只不过它表现为整个世界的叠加：一个世界的人，发现电子通过左边狭缝；另一个世界中，人们观察到电子在右边！量子过程造成了‘两个世界’。”

看，猫的问题解决了！不过是宇宙分裂，一个里面有死了的猫，一个里面有活着的猫。两个世界，永不想干……

只是，猫永远无法告诉我们，死、活、又死又活，是一种什么感受。

于是，有科学家提出，如果把猫换成人呢？猫无法表达，人可是能说、会描述的啊。1980年代末的“量子自杀”实验随之而来。

哥本哈根派解释，实验者的生/死概率分别为50%；平行宇宙理论则说，必然有一个宇宙中的人死了，另外一个宇宙中人会活。只是死掉的那个人什么感觉都没了，唯一对实验者有意义的是活着的世界。

经过任意次试验后，总会存在某个世界，其中实验者永远不会死，这个世界只对实验者有意义。即使该人在99.999……%个世界中都死了，但从他的主观视角来看，他却一直活着。

这便是，量子永生！

实验终归只是设想，没人会真拿生命去做检测。

但科学最迷人的地方，恰恰在于它可以先于事实提出假设。科学其实无法证实和证伪，曹天元在书中写道：“科学是什么？很多人认为，科学无非就是在不断接受新信息的同时，调整一个命题成立概率的过程。”

科学如此，量子理论也是如此。

海森堡矩阵告诉我们：p×q≠q×p。不确定性才是最大的确定性！

卡洛.罗韦利说：“量子场组成了原子、光及宇宙的全部内容。它们是非常奇特的物体，其量子是粒子，与其他物质相互作用时才出现；没有相互作用时，它们展开成一片‘概率云’。世界就是一群基本事件，沉入广阔动态空间的海洋中，如海水般起伏。”

03 概率时空无界

量子世界，一切只是概率组合；没有扰动，电子存在于任何地方。

物质如此，更为抽象的时间、空间又该如何？

如果把一个粒子放在一个很小区域内。据不确定性原理，粒子会迅速逃走，区域越小、速度越大，速度越大、能量越大。

根据广义相对论，引力会使时空发生弯曲。这时，极小区域的能量会导致空间坍缩、进入黑洞，这片区域也会消失在黑洞之中。

黑洞吞噬一切！

因此海森堡认为，永远无法测量空间中任意小的区域，如果这样做了，这片区域会消失。换句话说，“在某一特定尺度以下，没有东西能够进入。或者说，那里什么都不存在。”

物体的连续性消失后，物体存在的连续空间也消失了。

空间并不是无限可分。科学家已测算出，最小的“空间原子”，比最小的原子核的十亿分之十亿分之一还要小。

甚至，物体存在的连续时间，也并不存在。

1905年，爱因斯坦发表狭义相对论，提出并不存在严格的“过去、现在”，因为还有一个“中间区域”——“延展的现在”。

当一个事物距离越远，这种延展现在的时间就越长。人之所以会感觉到过去、现在、未来的明显分区，只是因为受限于粗糙的感官，别无其他。

假如火星上的人朝地球喊话，地球人听到立刻回话。这个回传中的时间，对于火星人而言，既不是过去也不是未来。既然如此，“现在”对于他们还有意义吗？

我们无法感觉到短暂的时间间隔，就像我们曾幻觉地球是平的一样。皆因感官局限所致！

1916年，爱因斯坦又发表广义相对论，进一步阐述了时空的概念。他指出，不仅空间会弯曲，时间也会如此。不同地点的时间流速并不一样，离地球表面较近的地方，时间流速慢于海拔高的地方。

如果你想去到未来，只需在黑洞边界停留一小会儿，再回来的时候世上就已经过去千年。

现在、过去、未来，不过是一种定义，并不存在一个什么真正的时间t。

“再没有包含世界的空间，也没有事件发生于其中的时间，有的只是空间量子和物质不停相互作用的基本过程。”卡洛.罗韦利写道。

经典理论说，一切皆可解释；量子革命却说，一切只是概率。

纵使宇宙有限，求知却永无边界。

最后，让我们再看一眼那只猫。

如果在箱子中，同时放入一个人，观察猫的状态，又会发生什么？

因为此时猫处于死/活的叠加状态，那么这个人就必然处于“看到猫死/活”的叠加精神状态。但这个人其实会说，他看到的一切确定无疑，没有又死又活的猫。

为了不和理论相悖，只有一种可能：对此人而言，他的观察导致了波函数的坍缩（猫被迫选择单一状态）。

这是如何发生的呢？维格纳的意见是：意识在触动波函数中，担任了一个重要角色。

意识的本质，究竟是什么？

曹天元书中写道，不少科学家将意识看做一种信息编码，一种结构模式，虽然完全基于物质基础（脑）存在，却需要更高一层次的规律去阐释。

也就是说，意识建立在不同组合之上。那么，一旦人类破解了意识的原子组合密码，是否意识就能保存、复制、流传？

要知道，当你看到这篇文章，它只是一堆汉字的组合；当你用手机阅读，它只是一堆元件的组合；生命，也不过是一堆原子的组合，和石头、花草、小鸟、云朵的电子殊途同归，不过是组合方式亟待破译。

一旦技术成熟，可能不仅包括基因，甚至意识、情感、记忆，一切……都能被组合。那么，组合复制的人还是你吗？

又如果未来出现某种复杂系统，扫描了我们原子结构的组成形态，存入一台计算机。这台计算机，是不是也有了意识？

宇宙历史已经走过了138亿年，而人类认知的边界不过才刚到h。

理查德·费曼说:“我可以有把握的说，没有人真正理解量子力学”。

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