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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,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。

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2002年12月第一版|无了居士}2014年5月第四版

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