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[佛教文化] zt:量子力学与心灵的探讨 [复制链接]

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发表于 2013-6-10 06:40:39 |显示全部楼层
本帖最后由 yuanjue 于 2013-6-11 11:10 编辑

量子力学与心灵的探讨



量子力学的哲学观隐含着深邃的心灵世界,而呈现出“于一毛端极微中,出现三世庄严刹”的华严世界。

摘要:在一般人根深蒂固的观念里,总以为外在的事物与观察者是互相独立、彼此毫无关系的,如日月星辰的运行与我们有没有观察它们无关,并不会因为我们的观察与否而停止运动。所以二十世纪初以前,西方的科学家都认为这个宇宙是一个客观而独立的系统,不会因为任何人的观察而有所改变。

直到1925年量子力学问世之后,这个观念才逐渐地松动。原因是以前物理学所研究的对象都是我们的感官可以直接观察到的,如行星的运行轨道或棒球的飞行路线等。可是随着科技的进步,量子力学所要研究的对象已经超越我们的感官所能觉知的极限,如电子,已经小到我们的肉眼无法看见,也就是说我们“看不见”我们想要看的“对象”,因此原先根植于我们心中的一些观念便面临了挑战。

量子力学解释事物的这套说法,不仅使大部分人感到困惑,甚至连著名的物理学家爱因斯坦都感慨地说:“我的脑中懂得量子力学,但心中却不懂。”量子力学真的那么难懂吗?其实不然,量子力学之所以让许多人无法接受,乃在于人们过度执著以往的成见,总认为“被观察之事物”与“观察者”可以分开,甚至于不承认“心灵”的存在,因此无法从这一自我设限的桎梏中解脱,并产生了一连串的矛盾与困扰。鉴于此,本文的目的是希望藉由科学上一些例子的探讨,使大家认识到“心灵”在科学上的主导地位。

一、前言

我们日常生活中所发生的各种现象,在一般人的看法中认为这些现象都是相当真实,而且可以被我们所确定的。例如,我们可以确定棒球飞行的运动路线,小孩子可以确定他手上的那颗弹珠到底是从哪一个装弹珠的筒子中拿出来的,所有的东西都是持续而确实地存在而不会一下子突然消失又突然出现……

然而如果我们将目前日常生活的这个世界缩小成一亿分之一或更小,也就是量子力学所要描述的量子世界,那么一些非常奇特的现象便可能发生了:棒球可能一下子飞到左外野,一下子又飞到右外野,它的飞行路线根本无法确定,所以让外野手们疲于奔命;小孩子不仅不能确定他手上的弹珠到底从哪一个筒子里拿出来,甚至于他也许会为眼前的玩具突然消失又突然出现而迷惑不已。这些现象乍听之下简直匪夷所思,且荒诞怪异,但也正因为自然界中存在着这些现象,才使得这个世界变得多彩缤纷,到处充满着盎然的生趣。

为什么会发生这些奇特的量子现象呢?究其原因,乃在于这些现象与观察者的意识相关联,也就是说,如果要能完整地了解这些现象,我们就不可能将观察者排除在外。一件事物发生的过程中,观察者必须参与其中而不可能置身事外,而且当观察者本身的看法有所改变,所观察到的现象也会跟着起变化,这正与佛经上所讲的“万法唯心造”不谋而合。如果我们进一步探讨电子与它所处的时间与空间的关系,就会发现物理学上所讲的“真空”其实并不是一无所有,反而是无奇不有、如幻似真,从这里可以帮助我们了解佛经上所言“真空妙有”的说法。以下就举一些物理学上实际的例子来说明。

二、电子运动轨迹的探讨

在台湾,相信大部分人都看过棒球比赛。在比赛中,投手常投出各种变化球来对付打击者,这些球路变化多端,如下坠球、上飘球、各式的曲球等,但不管投手的球路多么犀利,他们所投出的球都有很明确的运动路线,这是大家都可以很明显看到的(不管是直接用眼睛看,还是看慢动作重播)。如果现在把棒球缩成犹如电子一般大小,当这些电子由电子枪中“投出”时,会是什么样的情形呢?

为了能较清楚地解释这种微观的量子现象,这里采用了美国理论物理学家费因曼(Richard Feynman)的说法。如图一所示:我们先在墙上开A和B两个狭缝,在墙的前面放置一部投球机S,并开动它,使它持续地往墙上投球。在墙的后方,我们放置了一个荧光幕,每当有球打到荧光幕时,就会在该处形成一个亮点。投出去的球有些撞到墙上而被弹回,有些穿过两个洞口之一,直接打到荧光幕,并在该处形成亮点。经过一段时间之后,我们将在荧光幕上看到两团亮点。如果将投球机换成单色光源的话,那么在荧光幕上会显示不同的图样,我们将会看到明暗相间的干涉条纹,如图二所示。

图一:棒球经由投球机S投出,穿过A和B两个狭缝而在荧光幕上形成两团亮点。

图二:当S换成为光源时,在荧光幕上形成明暗相间的干涉条纹。

比较图一与图二,我们可以知道,图一两团亮点代表粒子的性质,而图二明暗相间的条纹代表波的性质。在量子力学问世之前(约1925年以前),波和粒子两种观念是互不相容的,换言之,不是粒子就是波,不是波就是粒子,不容许有含糊不清的地方。但是现在,如果在S处我们换成一具电子枪的话,奇怪的事情发生了:我们在荧光幕上竟然得到了明暗相间的干涉条纹!假如我们认为电子是粒子的话,照理我们只能看到如图一的两团亮点,不可能看到如图二明暗相间的干涉条纹;既然看见了明暗相间的干涉条纹,意味着电子不是粒子而是波。现在我们控制电子枪的发射速率,使得电子枪每次只能发射一个电子,然后在荧光幕上将看到一点一点的亮点,随着时间的流逝,荧光幕上亮点的数目也愈来愈多,最后也得到了图二明暗相间的干涉条纹。

从整个实验的过程看来,电子打在荧光幕形成一个个的亮点,这代表电子是粒子而不是波。可是如果是粒子的话,就不可能产生明暗相间的干涉条纹,这到底是怎么一回事呢?是不是当一个电子通过A和B两个狭缝时,会自动一分为二,然后这两部分会像波一样互相干涉,等到通过双狭缝之后又复合为一,而在荧光幕上形成一个亮点?这实在是太不可思议了!你能想象一个棒球经投手投出会分成两个,最后又合成一个落入捕手的手套里吗?

为了检验电子是否真的分裂,我们可以在A和B分别装上两个侦测器,当电子通过A狭缝时,A处的侦测器便会作响;通过B狭缝时,B处的侦测器会作响。如果一个电子真的分裂为二同时穿过A和B两狭缝的话,那么A、B两处的侦测器就会同时作响。现在把侦测器装好后重复上述的实验,我们将会发现侦测器要么A响,要么B响,A、B两处不会同时作响,因此我们可以断言电子不会分裂。

但是此时又发生了一件怪事,原先荧光幕上明暗相间的干涉条纹消失了,取而代之的是两团亮点,这下子电子又从波变成粒子了,实在是相当奇怪。电子怎么一下子是波,一下子又是粒子,这到底是怎么回事呢?

现在我们必须仔细地反省检讨,是否在上述的实验现象中我们忽略了些什么,才会陷入此一互相矛盾的结果中呢?原因乃在于我们忽略了观察者的重要性!一个事件的发生必须同时具备两个条件,即“被观察的事物”和“有观察能力的人”,两者缺一不可,否则无法促成一个发生的事件。

让我们先检讨“粒子”这个概念,所谓的“粒子”具有很明确的形象,它会占据空间中某一个位置,而且当它移动时,会有一条清楚的运动轨迹。但这里所谈到的“很清楚的运动轨迹”这个概念必须先有一个前提,那就是这条清楚的运动轨迹必须被我们看到或用其他的仪器侦测到,如果不能被我们看到或侦测到的话,“粒子”这个概念将毫无意义,“波”的概念亦是如此。

现在回到电子这个主题上,由于电子实在太小了,所以我们无法用肉眼直接看到。因此我们如果问:“电子从电子枪发射后到达荧幕前的这段距离,到底是波还是粒子?”这个问题在这里是无意义的,因为波或粒子的概念只有在电子能够被“看见”的前提下才成立。既然在这段过程中电子无法被“看见”,因此波或粒子的概念在此无法适用。

那么在前面的两个实验中,我们为何在荧光幕上会看到波和粒子所表现的行为呢?我们仔细回想一下,当我们在墙上挖出A和B两条狭缝时,我们已经“设计”了一个想要观察“波的干涉”的实验,也就是电子已经预先被我们设定成“波”了,因此我们得出了典型明暗相间波的干涉条纹。当我们在A和B装上侦测器时,整个实验又被我们“设计”成想要观察“电子的粒子性”的实验,因为想要知道电子到底是由A还是B穿过墙时,就必须先具备“粒子”的概念,因此在荧光幕上看到典型的粒子行为──两团亮点,也就不足为奇了。

哈哈!原来折腾了老半天,我们竟然被自己骗了!所有的矛盾和冲突竟然是自己所编造出来的,只是我们不自觉而已。只要明白了这一点,那么量子力学也就不会令人感到玄之又玄了。

现实的生活经验中,我们总认为外在世界各种事物的发生与我们自身的看法无关,日月星辰的运转不可能因为我们看与不看而有所改变,因此一般人都认为外在事物的发生与观察者完全无关。但由上述电子穿过双狭缝的实验中,我们发现到事物的发生不仅与观察者有关,而且几乎是被观察者一手所操控的。原来每个人都是戴着“有色眼镜”在看这个世界。所以当我们看到外在事物的发生,其实它隐含着我们内心世界的一些看法,只不过是大部分人的心都不够细,以至于无法察觉而已。这个情况正好反映了佛经上所讲“相由心生”、“万法唯心造”的概念。

由以上的说明,使我们了解到,当日后我们观赏棒球比赛,看着投手投出一记漂亮的变化球时,我们必须警觉到这记变化球之所以有着优美弧度的运动轨迹,其先决条件在于我们能够看见它;假如把棒球缩成电子一般的大小,以至于用肉眼无法看见,这时就没有所谓的“球的运动轨迹”,当然也就没有变化球的概念,所以再次地提醒各位“不要被自己的眼睛给骗了”。

图三:电子由S点出发,可以各种不同的路径到达D点。

接着我们再讨论一个问题,如果在电子双狭缝干涉的实验中,将墙整个拆掉,也就是讨论如图三电子由S点出发到荧光幕上某一点D的运动过程,一件很有趣的事情发生了!记得我们前面说过,此时“电子的运动轨迹”的概念已经不适用了,可是费因曼教授提出了另一个看法,那就是此时电子是以任意的轨迹运动,而由S到D的机率就由连接S、D两点这些无限多的轨迹它们的机率相迭加干涉而合成的。当S、D两点之间挡着一座有着双狭缝的墙时,这些无限多的轨迹大部分都被墙挡住,只剩下一小部分的轨迹能到达D点,因此呈现出明暗相间的干涉条纹;当我们在A和B再装设侦测器时,能到达D点的轨迹更少了,所以呈现出两团亮点。

原因是前者我们将A和B视为一体,所以容许同时通过A和B的轨迹到达D点,而后者A和B已经可以分别了,所以不能视为一体,因此将会少掉前面所说这些部分的轨迹。好!现在我们又得到了一个非常重要的观念,量子力学所说的“没有轨迹”,正好等于“任意的轨迹”,这正是《金刚经》的标准句型:“所谓X,即非X,是名X”,所以只要能够体会“电子的轨迹,即非轨迹,是名轨迹”,就能掌握住量子力学的精义。

三、全同粒子

假设现在眼前有两个形状完全一样的弹珠,纵然这两个弹珠在外观上完全一样,可是我们仍然可以分辨哪一颗弹珠在左边,哪一颗弹珠在右边。如果把两颗弹珠换成两个电子会如何呢?此时我可以拿出其中一个电子,但却分不清到底拿到的是两个电子之中的哪一个。原因是,在这种情形之下,由于我们看不到电子,所以左右的概念在此已不适用。换言之,在这种状况之下,左边和右边是无法分别的,所以称为“全同粒子”。(注一)以上这个例子又说明了观察者地位的重要性。

接着我们举一个很有名的诡论再加以探讨。这是由理论物理学家薛丁格(Erwin Schrodinger)提出的“量子猫诡论”。如图四所示,把一只猫放入一个黑箱子里面,在箱子里放有盛着毒气的瓶子和放射性物质,当有放射性衰变发生时,便会触动开关将毒气瓶打破而立刻将猫毒死。由于放射性衰变本身是一种量子过程,所以只能用机率的概念来描述。譬如说某一种放射性物质的半衰期是一分钟,意思是说如果我们将这种放射性物质的一个原子放入黑箱之中,那么过了一分钟后,猫被毒死的机率是50%。现在我们将一切装置安装妥当,把猫放入黑箱中,并盖好盖子。

图四:薛丁格的“量子猫”和其实验装置。

现在问题来了!由于我们从外面根本看不到箱内的猫是死是活,要知道猫是死还是活,只有打开箱子才能知道。那盖上盖子后,猫究竟是死是活?照平常的经验,“死”和“活”是两个互相对立的现象,绝对不可能出现“半死半活”的情况。所以盖上盖子,过了一分钟后,我们实在不能说:“此刻猫的状况是‘50%活和50%死’。”既然这种说法不能成立,那么实际的情况应该是如何呢?现在我们试着来解答这个问题。

首先要问一个问题:“为什么我们能够分辨猫的死活?”原因是我们的意识在作用,所以打开盖子时,我们很容易辨别猫的死活;当把盖子盖上时,我们意识的作用被截断了,所以这时无法判别死活。因此问题的症结不在于如何分辨猫的死活,而在于深入去探讨是谁在分辨猫的死活?

在这里举一个相关的公案作为参考:《六祖坛经》〈自序品〉:“因二僧论风幡义。一曰:‘风动’,一曰:‘幡动’,议论不已。慧能进曰:‘不是风动,不是幡动,仁者心动。’”这里我们可以将这个公案改为“不是猫死,不是猫活,仁者心动”。

四、真空的本质:“一无所有”等于“无奇不有”

在第二节中我们谈到电子运动的情形,但大家有没有注意到我们似乎忽略了某些重要的东西,那就是电子运动的背景──真空。好比我们坐在课堂上看黑板上的字,往往我们只注意黑板上的字,而忽略了黑板的存在。在这个例子中,电子就好像黑板上的字,而真空就像整块黑板。真空不是一无所有吗?有什么值得注意的呢?但回想在第二节中我们得到的结论:“没有轨迹”就等于“任意的轨迹”,因此“一无所有”是不是意味着“什么都有”呢?相信大家在知道答案之后,一定会大吃一惊!现在让我们一步一步地来揭开谜底吧。

我们都知道电子运动时会感应一些电磁场(按科学的术语称为“光子”),当电子运动时,可能在A点放出一个光子,然后在B点将此一光子吸收回来,如图五(a)所示。(注意:我们在图五(a)上画出电子的轨迹乃是权宜之计,要记得“轨迹”即“非轨迹”,不要上当噢!)由于我们无法在电子运动的过程中,随时盯着电子看它是否会放出光子,因此图五(a)的过程是容许的。既然电子可以放出一个光子,那么也可以放出二个、三个……乃至无限多个光子!图五(b)代表着这些过程。

图五:(a)电子的运动过程中在A点放出一个光子,随后在B点将光子收回。(b)电子在运动中其他各种可能发生的过程。(其中直线代表电子的轨迹,波纹~~~~~代表光子的轨迹。)

图六:光子在运动中各种可能发生的过程

再来谈光子,光子在运动的过程中可以突然分解成电子和反电子对,随后电子和反电子对再复合成光子,图六代表光子在运动中可能发生的各种过程,所以描述真正电子或光子的行为,就是把图五和图六这些无限多的图形全部加起来所得的结果。何以会有图五和图六这些复杂且变化多端的过程,完全是由电子或光子与真空发生交互作用而引起的,甚至于电子或光子可以从真空中突然产生,如图七(a)所示。在某一时刻于A点会突然产生电子和反电子对以及一个光子,随后电子、反电子对和光子又在B点互相湮灭,甚至于如图七(b)这么复杂的结构都可能忽然出现,但一下子又复归于无。在图七(a)和(b)的电子、反电子对和光子都是凭空出现的,真真正正的“无中生有”,因此这个例子可以让大家深深体会到“无”的威力吧!

图七:(a)最简单的“无中生有”的过程

      (b)更复杂的“无中生有”的过程

也许大家会认为以上所讲的都只是凭空臆测,根本毫无根据,现在举一个真正由实验所证实的例子,来验证以上所言不假。我们都知道电子就像是一个小磁铁,具有磁力,我们称为“电子的磁矩”。就某一个单位而言,如果不考虑真空所引起的效应,其大小为1,可是实验值都超过1。如果我们考虑图五和图六由真空引起的效应,以下我们列出目前最好的理论值与实验值做比较:

理论值= 1.00115965246±0.00000000020

实验值= 1.00115965221±0.00000000003

理论与实验两者符合的精确度竟然达到小数点以下第九位,相当于只有十亿分之一的误差,所以以上所讲的不是空谈,而是经过很严格的实验所验证过的。

接着我们来探讨“真空”为什么有这么奇怪的性质。原因乃在于“真空”之所以称为“真空”,就是因为它具备了“不可测量”的性质,也正因为“真空”不可测量,也就是思议所不能及,所以任何事情都可能发生。(注:特别值得注意的是,一般人所说的“没有”或“无”是能够被意识所认定的;但这里所谓的“真空”是思议所不能及,意识在此无法运作。两者之间微妙的差异,值得大家细心地体会。)

在这里我们发现物理学的“真空”同时具备“妙有”的特性,与佛经的说法相当接近。如《华严经》〈普贤行愿品〉:“于一毛端极微中,出现三世庄严剎。”《楞严经》:“我以妙明,不灭不生,合如来藏。而如来藏,惟妙觉明,圆照法界。是故于中,一为无量,无量为一。小中现大,大中现小。不动道场,遍十方界。身含十方,无量虚空。于一毛端,现宝王剎。坐微尘里,转大法轮。”

因此如果把量子力学的观念推广到“真空”的情况时,我们将会发现一切物质竟然可以从“无”中产生,虚无的“真空”居然不是一片死寂,而是活力无穷、变幻莫测,实在是令人叹为观止,而这一切竟然与我们的心灵有密切的关联!

五、结语:

本文由量子力学的观点出发,探讨外在事物与心灵间的相互关联。当我们由感官可以觉察的日常生活的世界中,逐渐走入微观的量子世界时,我们发现原先能够觉察外在事物的能力突然失去作用,这个情形类似禅宗所讲的“言语道断,心行处灭”。换个方式来讲,也就是说,在日常生活中,我们的感官都有和它相应的对象,以便让我们能够认知,如眼能见色,耳能听声,鼻能嗅香……当外在的这些事物不能被我们的感官所觉察时,我们的意识因失去对象而无法运作,但同时却开展出更广大的另一片天地,就像“没有轨迹”等于“任意的轨迹”、“一无所有”等于“无奇不有”等诸如此类的事情会发生一样。

最后,必须要提醒大家的是:以上所讲的只是一种方便的说法而已,就好像是指着月亮的手指,这些说法并不能让我们看见真正的月亮。前面所讲的如“电子没有轨迹”和“真空”等等还不是很彻底的“无”,我们仍然具有“电子”和“时间——空间”的概念,就佛法的立场而言,仍然是不了义的,要想真正体会到佛法要讲的“空”,就只有努力修行才可能达到。因此本文只能算是初级介绍性的文章,希望提供不懂科学的人对于“科学”与“心灵”之间的关系有一个初步的认识,同时也提醒从事科学的研究工作者,不要忽略“心灵”的重要性。


注一:“全同粒子”的概念,可以由能量的测量中发现多出了“交换能量”的实验结果获得证实。


作者:陈俊霖交通大学光电工程博士



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