观察者效应 宇宙的莫比乌斯环 量子力学与意识：我们在创造宇宙吗？双缝干涉实验揭秘了什么？

作者 木一

我们眼中的这个世界究竟是一个独立存在的客观实体，还是一个因为凝视才被创造出来的主观宇宙？今天这一期将会潜入量子世界最深的谜团去探讨这个让科学家都头疼不已的问题，意识究竟是宇宙的旁观者还是创造者？在开始今天的话题之前，我们必须回到一个大家熟知的实验，这个实验动摇了经典物理学的根基：双缝干涉实验。假如你面前有一堵墙，墙上有两条平行的窄窄的缝，现在你手里有一把能发射颜料弹的喷枪，对着这堵墙不停的上下左右来回喷，穿过缝隙的颜料会打在墙后面的另一块幕布上。结果会是怎么样？很简单，幕布上会出现两条和缝隙形状一样的颜料带。因为喷射出来的颜料是一个个的粒子，要么从左边的缝隙穿过去，要么从右边的缝隙穿过去，路径非常的明确。

现在换一种玩法，想象你在一个大的水槽里同样有一块双缝的隔板，你在隔板的一侧制造一个波浪，当水波穿过这两条缝隙时，它会形成两个新的子波源。这两个波源发射出的波会互相干涉，波峰和波峰相遇的地方会加强，波峰和波谷相遇的地方会抵消。最后打到后面的墙上，你会看到一系列的明暗相间的条纹，称之为干涉条纹，这个就是波的典型特征。有了这个概念之后，铺垫结束，我们正式进入这个离奇的双缝干涉实验。1801 年，英国科学家托马斯・杨做了一个实验，让一束光穿过一块挡板上的两条平行窄缝，观察它在后方屏幕上留下的图案。如果光是由粒子组成，人们会预期在屏幕上看到两条与狭缝对应的亮带，然而杨观察到的却是一系列明暗交替的干涉条纹，这是波的标志性行为。这个实验就被称为杨氏干涉实验，在当时被认为是光具有波动性的决定性证据，是现代双缝实验的原始版本。近一个世纪之后，随着物理学进入量子时代，科学家们决定用被认为是量子实体的电子来重复这个实验。实验设置基本相同，一个电子源，一块带有两条狭缝的挡板，以及一块能够记录电子撞击位置的探测屏。

当只打开一条狭缝时，结果不出所料，电子像微型子弹一样穿过狭缝，在屏幕上形成了一条与狭缝形状对应的亮带，这似乎证明了电子的粒子性。然而当两条缝隙同时打开的时候，奇怪的事情发生了，屏幕上出现的并非是两条独立的亮带，而是一副清晰的与光波完全相同的干涉条纹。这一结果令人震惊，因为它意味着这些本应该是粒子的电子竟然展现出了波的形态。为了排除电子之间相互干扰的可能性，物理学家们设计了更为精密的实验，他们将电子源的强度调至极低，使得任何时刻仪器中最多只有一个电子。人们普遍预期既然电子是单个通过的，它们无法互相干涉，那么最终打在屏幕上的光子应该是两条亮带。然而实验的结果却再次颠覆了所有人的直觉。尽管电子是一个接一个的到达屏幕，在屏幕上留下了离散的电子般的撞击点，但随着时间的推移，这些看似随机的点逐渐汇集成了一副完美的干涉图样，这就太匪夷所思了。这说明每一个单独的电子在未被检测的旅途中似乎表现的像一个波一样，同时穿过了两条狭缝，并与自己发生了干涉。这还不是最离奇的，真正的恐怖之处在于下一步。因为这个实验结果反常识，所以物理学家们就非常好奇，想亲眼看看这个电子到底是耍了什么样的花招，可以同时穿过两条缝隙。

于是加上探测装置用来观察电子到底走了哪条路。当这个摄像头一打开，奇迹发生了，幕布上的干涉条纹瞬间消失的无影无踪，只剩下两条分明的亮带，正是我们最初用经典粒子所预期的结果。仅仅是观察电子路径的这一行为就彻底改变了实验结果，电子似乎察觉到了自己被监视，于是放弃了自己波动的充满可能性的状态，转而表现的像一个行为正常、路径明确的粒子。这个实验反复做了几次都是这个结果，于是物理学家们就给出了一个定论：波粒二象性。也就是说组成世界的基本粒子是两个特性同时存在的，既有波的特性也有粒子的特性。这个理论也引入了量子力学的最核心、也最反直觉的概念之一 —— 叠加态。根据量子理论，一个未被观测的粒子并非处于一个确定的状态，而是处于所有可能状态的概率性叠加之中。就比如薛定谔的猫，只有当打开这个盒子看到它的时候才知道这个猫是死是活。观测行为迫使概率之波坍缩成了现实中的一个确定的点，这个现象被称为观察者效应，于是就构成了量子力学中的测量问题的核心。究竟是什么样的测量行为能迫使一个处于叠加态的量子系统从一片概率的迷雾中坍缩成为一个单一的确定的现实？

这个概念就引出了今天的核心问题，这个所谓的观测到底是什么？它必须是一个有意识的人在看吗？还是说任何形式的测量都算？面对双缝实验的 “幽灵”，物理学家们彻夜难眠，以尼尔斯・玻尔为首的学派提出了一个后来成为量子力学正统的解释：哥本哈根诠释。这个解释非常的实用主义，甚至有点霸道。它所表达的观点通俗一点来讲就是 “别问”，别问电子在被观测之前到底在哪里。这个理论认为在被观测之前，电子不存在于任何一个具体的位置，它只是一团概率云，用一个叫做波函数的数学工具来描述。这团云包含了电子所有可能出现的位置。当你进行测量或者观测的那一刻，波函数就会坍缩，电子会随机的从所有可能性中选择一个变成你眼前的那个确定的粒子。至于为什么会坍缩，坍缩的过程是什么样子的，这个记录装置背后是否有一个有意识的人类大脑在观看，对于物理过程本身而言是完全无关紧要的，它们只要会计算就行。这种不讲道理的、认为电子具有随机性的解释让爱因斯坦非常恼火，于是他就留下了一句名言：“上帝从不掷骰子”。爱因斯坦认为一定有我们尚未发现的规律，宇宙的本质不应该是随机的。

时间来到 1957 年，一位名叫休・埃弗雷特的年轻物理学家提出了一个更大胆甚至更疯狂的想法，这就是后来广为人知的多世界诠释。埃弗雷特认为当你进行观测的那一刻，整个宇宙就分裂了。在一个宇宙里你看到了电子在 A 点，而在另外一个新的分裂出来的宇宙里，另一个你看到了电子在 B 点，所有可能的结果都在不同的平行宇宙中真实的发生了。这个说法虽然看似像是科幻小说里的情节，但它在数学上是自治的，优雅地回避了哥本哈根诠释里那个说不清道不明的坍缩问题，代价就是我们必须要接受：我们生活在无数个不断分裂的平行宇宙之中，你的每一个选择，每一次的量子事件都在创造出新的世界。好，到目前为止，无论是哥本哈根诠释的坍缩还是多世界诠释的分裂，它们都指向了一个关键节点 —— 观测，但到最后都没有真正回答 “观测到底是什么”。一个计数器 “咔哒” 响一声算不算观测？还是说必须要有一个大脑，一个有意识的存在参与其中才算观测？一些更大胆的物理学家沿着这条思路提出了一个将物理学与哲学联系在一起的假说。20 世纪著名的数学家、物理学家之一约翰・冯・诺依曼在为量子力学构建严谨数学基础的时候，发现了一个逻辑上的难题：无论你把测量仪器造得多精密，它本身也是由遵守量子力学规律的原子组成的。

当电子和测量仪器互动时，就相当于是一个量子系统和另外一个量子系统在互动，它们应该会纠缠在一起，共同形成一个更大的叠加态的量子系统。那么这个更大系统的波函数又有谁来坍缩？你可以说由连接仪器的电脑来坍缩，但电脑也是量子系统；你可以一路追溯下去，从探测器到电脑，最后再到科学家的眼睛、他的神经系统，这条链的终点在哪里？冯・诺依曼和后来的诺贝尔奖得主尤金・维格纳都认为，这条链的终点必须是一个与所有物理系统都不同的东西，这个东西就是意识。意识最终导致了波函数的坍缩，换句话说，只要没有一个有意识的存在去认知那个结果，宇宙就永远处在一片混沌的概率叠加之中，是我们每一个有意识的生命，每一次看、每一次感知，才能迫使宇宙从无数的可能性中选择了一个，变成了我们所说的现实。这个想法毫无疑问极具诱惑力，也非常具有哲学魅力，它把我们人类从宇宙边缘的观察者一跃提升到了现实的共同创造者的高度。但是 “意识导致坍缩” 这个假说在今天物理学界是一个非常边缘的非主流观点，大多数物理学家并不接受它，因为它带来的问题比需要解决的还多。

比如意识的定义问题：什么才算是意识？一个人的意识可以，那么一只猫、一只苍蝇、一个单细胞生物呢？它们是否有意识？这条界限在哪里？其次，意识是如何与物理世界互动的？它们的互动机制是什么？更重要的是，在地球上出现有意识的生命之前，几十亿年的宇宙难道就不存在一个确定的现实吗？这一系列的提问好像是要彻底否定维格纳提出的假说，但先别急，因为还有一位重量级的物理学巨匠从一个更深邃的哲学层面把我们又拉了回来，这个人就是约翰・惠勒。他是爱因斯坦的同事，也是费曼的老师，是 “黑洞”“虫洞” 这些词的命名者，他在物理学界的地位可以说是泰山北斗。惠勒晚年深入思考了量子力学的哲学意义，他提出了一个比 “意识创造现实” 更深刻、更微妙的概念 —— 参与式人类原理。惠勒认为，把宇宙和观测它的意识彻底分开，可能本身就是一种错误。他设计了一个思想实验的终极版本，这个思想实验最终也在实验室里完成了，叫做延迟选择量子擦除实验。实验的结果和惠勒预想的一样，它暗示了一个令人难以置信的结论：未来发生的事情可以影响过去的结果。

这个实验具体是怎么运作的非常复杂，我这里就简单给大家描述一下。实验的大意就是让一个光子飞向一个可以决定它走一条路还是两条路的设备，但在光子已经飞过了这个设备之后，再决定要不要观察它到底走了哪条路。之前我们在实验中临时决定：是让两条路的光合并（这样就能看到干涉），还是不合并（这样就能知道它走了哪条路）。实验结果果然不负众望，再次令人大跌眼镜：如果我们最终选择了去看它走了哪条路，它的行为就好像是从一开始就知道马上会有人要观察自己，要像粒子一样只走一条路。这就意味着，现在的选择似乎决定了光子在过去的行为。这一结果对于我们关于时间和现实的经典概念构成了致命一击，它并不意味着我们可以向过去发送信号，而是揭示了一个更复杂的真相：一个量子粒子的过去并非是一个已经写好的单一剧本，而是一系列未定的可能性。现在所做的测量选择，并非改变了过去，而是参与创造了一个与当前测量结果相一致的确定性历史。一个粒子的现实状态，在它被测量、被完全定义之前是毫无意义的，现实是整体的、上下文相关联的，就像一个环一样，而非一系列预先存在的独立事件。

惠勒的参与式人类原理将观测实验推向了宇宙学的宏大尺度，它认为宇宙之所以具有允许生命和意识演化出来的精妙参数，正是因为这些后来出现的参与者（也就是我们）的观察行为，赋予了宇宙以确定的实在性。这是一个宏大的宇宙自洽反馈循环：宇宙诞生了观察者，而观察者通过观察又赋予了宇宙真实的形态，也就是宇宙就像一个巨大的自我干涉的闭环，通过一百三十八亿年前的大爆炸演化出生命，生命又通过观测让宇宙本身变得真实。我们不是宇宙的局外人，而是宇宙用来看见自己的眼睛，是宇宙用来解释自己的意识，是参与者而不是旁观者。这个理论真的让我鸡皮疙瘩起了一身，我觉得还是非常有道理的。为什么会诞生出生命？为什么在这么不确定的随机状态下就能组合出生命？

生命能在地球上繁衍生息，可能就是因为现在人们的观测行为影响到了一百三十八亿年前宇宙大爆炸时的一个选项，大爆炸时的那一刻就注定了我们会诞生。我想说，或许意识与物质的关系并非是谁决定谁这样简单的线性关系，它们也许是同一枚硬币的两面，互为存在的根基 —— 没有物质，意识就无所依托；而没有意识，物质的存在又毫无意义。每一个人，每一次睁开双眼，每一次思考，每一次感知，可能都在参与一场最宏大的创世活动。我们不仅在认知这个宇宙，还有可能正在用我们的存在，赋予这个宇宙 “存在” 本身。惠勒曾这样解释宇宙为何如此浩瀚：“你需要重元素来创造生命和观察者，你需要数十亿年的恒星燃烧来制造重元素，为了让时间延伸数十亿年，宇宙在空间上也许必须有数十亿光年的尺度。所以宇宙为什么这么大？因为我们在这里。”