朱清时(1946— ),物理化学家,教育家,中国科学院学部委员(院士),第三世界科学院院士(发展中国家科学院院士),南方科技大学创校校长。
信息守恒
小坐闲窗
2023年端午
人的诞生十分神奇:
一个细胞,分裂再分裂,仅仅50次,一个全新的人就此成型。
在细胞分裂过程达到顶峰时,有数万亿的细胞完美地同步进行工作,每分钟都会产生约百万个大脑细胞,然后新生的细胞又准备出现了,不迟不早,时间刚刚好。
更神奇的是,细胞怎么知道用蛋白质和水将自己塑造成手、眼、皮肤和大脑的细胞呢?
人的死亡也十分神奇:
人体中上百万个细胞协调一致的运作,在某一时刻突然静止了,也是奇迹。
曾经每分钟生出约百万个神经细胞,如今则拒绝产生一个神经细胞,这时人体99%的细胞仍旧在运作,基因仍旧完好无损。
如果在这一刻之后,人体能在10分钟内,在大脑受到永久损伤之前醒来,那么身体还会继续工作仿佛一切从未发生过。
在这一刻,人体究竟跨过了什么隐形的线呢? 死亡也称得上是一个奇迹。
生命的这两个神奇特点表明,它可能不是物质,而是一种信息。这种信息与人体结合就产生活体,离开人体就造成死亡,这里称为称为生命信息。
什么是生命信息?
一个有生命的活体,不仅包含一大堆物质,而且必定有大量信息。因为活体总是在不断地进行新陈代谢。新陈代谢的过程就是信息调节与控制的过程。生物本质上就是完美的信息交换系统。
生物最重要的特点是它的各个要素之间的高度协调。在一个细胞中,在同一时刻有条不紊地进行着数千个代谢过程。在动物体内,成千上万个神经和肌肉细胞密切协作,产生了井然有序的运动:心跳,呼吸或思维。认知识别是需要大量细胞高度协调地合作进行的过程,人类的思维和言谈也是如此。
显然,所有这些高度协凋、密切相关的过程只有通过交换信息才能实现。这些信息被产生、传输、接收、处理,还要转换成新的信息,并同时在系统的不同部分之间和不同的层次之间交流。因此可知,信息是生命复杂系统赖以存在的至为关键的因素。
信息不灭
按照量子力学,所有信息都是守恒的。人体存载的生命信息,与一张纸条上存载的信息一样,都是不灭的。
一张纸条被撕碎后扔掉,它上面写的信息并没有消灭,而是保存在这些碎片中。因为理论上可以得知这些碎片的轨迹,回溯到未被撕碎的状态,这些信息就再现了。
(在《环球科学》增刊(黑洞专刊)中,文章“黑洞火墙:量子力学与相对论的冲突现场”( P85)说: “纸条被烧掉的话,上面的信息确实会变得慌乱不堪,从冒出的烟和灰烬重构出纸条上的信息也是不现实的。但在理论上,把普通量子力学应用于纸条上的原子,是可以描述整个燃烧过程的。产生的的烟和灰烬也可以用一个确定的,依赖于原来纸条上信息的波函数来描述。因此,通过波函数来重构纸条上的信息至少在理论上是可行的。” )
即使这张纸条在造纸厂被打成纸浆,或者被烧掉,情况也一样,只不过是被保存在纸浆或灰烬中,重现信息的难度增大了而已。
(在《环球科学》增刊(宇宙专刊)P110,文章“宇宙不是连续的吗?”说:“就算你手中的这本杂志在造纸厂被打成纸浆,原则上杂志内的所有信息仍能被识别出来,而不会烟消云散,因为从理论上来说,所有破坏过程都是可逆的,纸浆能被重新恢复成一页页的图像和文字虽然现实中这无法做到但理论上是存在这种可能的。”)
人体承载的生命信息虽然比纸条上存载的信息复杂得多,但两者在本质上是一样的。因此,在这个意义上,人体承载的生命信息也是不灭的。然而它在人死后是如何保留下来的?留在哪里?
这个问题困扰人类数千年,智者们始终不得其解,直到最近发现量子纠缠现象被证实,才峰回路转。
量子纠缠不易理解,它与生命信息的关系更是复杂,我们一起在下集中再讨论吧。
人死后生命信息去哪里?
可能存在许多平行宇宙,其中有你的分身。在你死亡后,你在其它宇宙中的分身还活着。生命信息是不灭的。
1.我们都是薛定格的猫
微观世界的波粒二象性
宏观世界的每个物体在每个时刻都有一个确定的状态,然而微观粒子在同一时刻却可以处于一种‘叠加态’:一个电子可以同时位于两个不同的地点A和B,既在A,又不在A。电子的状态是“在”和“不在”两种状态按一定几率的叠加。 “不生不灭”,“不一不二”。
微观粒子既是粒子又是波,这个诡异特点其实正是物质世界的基础。由于电子的空间位置不确定,可以同时处于很多位置,才能形成化学键,将两个原子锁定在一个稳定的分子里。如果不容许电子同时出现在两个以上的地方,我们身体内的分子就会崩溃,物质世界就会崩溃。
玻尔等人用“哥本哈根诠释”来解释奇怪的波粒二象性,基于以下几点假设:
(1)所有的能量发生是在叫做“量子”的离散包中;
(2)物质由点粒子代表,但是发现点粒子的概率由一个服从薛定谔波动方程的波确定,波函数给出在特定状态下发现物体的精确概率;
(3)在进行观察前,物体可以同时以各种可能的状态存在。要确定物体处在什么状态,必须进行观察。观察使波函数“消失”,物体进入确定状态,即塌缩。
量子力学及其“哥本哈根诠释”是人类历史上最成功的物理理论之一,然而却长期饱受争议。
“观察难题”
什么是“观察’”?为何它会把系统从叠加态变成一个确定态?如果是一条狗或是一只苍蝇来观察也会引起这种状态的改变吗?如果空气中的一个分子与系统发生相互作用又会如何呢?这种情况每时每刻都在发生,但我们通常却不把它视为一种可以影响系统结果的观察。人对系统状态有意识的观察具备什么特殊的物理意义?
观察通常指对一个系统进行测量,从而获得该量子系统的某些物理量的取值。观测概念在经典物理学中与量子力学中有很大的不同。
在经典物理学中,观察不会对被观测的系统产生影响,即被观察系统的状态在观察前后是不变的。但在量子力学中,观察过程会对被观察系统的状态产生影响,即观察过程会导致被观察系统的状态坍缩成一个确定的状态。
在量子力学中,粒子的状态可以由一个数学函数表示,称为波函数。波函数包含了有关粒子位置、动量和其他性质的信息。当我们对粒子进行观察时,波函数从一个包含多个可能状态的叠加态,变为一个确定的状态,称为波函数坍缩。
例如,双缝干涉实验观测:一个电子飞向A和B两道狭缝,落在后面的荧光屏上,在荧光屏上打出一个光点,这说明它是个粒子;一个个地发出许多电子,它们逐一在荧光屏上打出光点,诡异的是,这些观点竟然组成了一组干涉条纹,而且条纹结构与狭缝间距有关。这说明每个电子是同时穿过两道狭缝,自己与自己干涉,然后按几率随机地落在荧光屏上。
为了观察电子每次究竟穿过哪个狭缝,每当物理学家们在两个狭缝口放上两个粒子探测器时,奇怪的事发生了∶这时两个电子探测器从来没有同时响过,并且干涉条纹立即消失,这说明电子总是穿过两条狭缝之一。无论我们使用什么测量方法,一旦要观察电子通过哪条狭缝,就都是这个结果。 这就是说,当我们对电子的状态进行‘观测’时,电子的‘叠加态’不复存在,而是‘坍缩’到‘在A’,或是‘不在A’,两个状态的其中之一。
“薛定格的猫”
薛定格提出了一个想象的猫实验 :把一个放射性原子放在一个不透明的箱子中,让它保持这种衰变与不衰变的叠加状态。在箱子里放一种结构巧妙的精密装置,每当原子衰变放出一个中子时,它就激发一连串连锁反应,最终打破箱子里的一个毒气瓶,把同时在箱子里的一只猫毒死。要是原子没有衰变,那么猫就活着。
按照几率解释,我们没有观察时,那个原子处在衰变与不衰变的叠加状态。因为原子的状态不确定,所以猫的状态也不确定,只有当我们开箱察看,状态才最终确定,要么猫死掉,要么它活着。 在箱子没有打开之前,这只猫处在同原子一样处在叠加态:同时既死又活。这样一来,就不仅微观粒子是没有确定状态,因此猫也没有确定状态。一它活着同时又死了,这与常识太不一致。 薛定格原想用这只猫的不可思议,来说明微观世界的荒谬,没想到经过八十余年的激烈争论,却发现我们的生命和宏观世界也是这样不可思议。
“无限后退”状态
薛丁格在密闭的实验室里作观察,知道电子出现在A还是B、猫是死是活;然而我们在实验室外面的人处在认为薛定格本人只处于“知道猫死了”和“知道猫活着”的叠加态。当薛定格本人用语言告诉时,我们才知道猫是死的还是活的。否则我们也同薛定谔一样进入了叠加态。语言即意识。当我们用意识参与,可以使薛丁格的叠加态塌缩为一确定状态。
叠加态是人脑的工作模式:总是把有关的所有可能发生的情况放在一起同时考虑。例如我们吃饭的时候,总是先同时想到食堂所有可能卖的东西。一般地,当观察一个系统时,大脑先产生一个包含所有可能结果的叠加态,随后再塌缩到一个确定状态。在作电子双缝实验时,大脑首先下意识地进入电子的叠加态:“电子既在狭缝A,又在狭缝B”。 随后大脑产生意念:就餐时才决定只买米饭;观察时才想知道电子究竟是在在狭缝A,还是在狭缝B。这个意念把电子与我们的眼睛(或者观测仪器)强行分割开来,成为两个对立的系统,变成你去观察电子,结果使电子本身的纠缠也分开了,变成电子或者出现在A,或者出现在B,二者选一,不再干涉。
然而正如冯·诺伊曼所指出,“观察难题”中包含的困难是:如果我在进行观察,又是什么确定我自己在什么状态呢?这意味着必须有别的人(称作“魏格纳的朋友”)在观察我,使我的波函数消失。但是这也意味着必须有人观察魏格纳的朋友,以及魏格纳的朋友的朋友,等等。这个“无限后退”过程的最终结果有两个:要么整个宇宙从未塌缩过,仍然处于量子不确定状态,即存在“平行宇宙”;要么这个观测链最终导致上帝存在:由于他在观察,才使宇宙处于确定状态。
2 多世界诠释与平行宇宙
为了避免测量难题导致出现上帝, 1957年休·埃弗特(Hugh Everett)提出量子力学的多世界诠释(many—worlds interpretation),用来取代哥本哈根诠释。两个诠释都能同样解释所有的实验结果。
多世界诠释侭管最初备受嘲弄,然而随着讨论的深入,今天 它已得到物理学家的广泛承认。它参照冯·诺伊曼的“无限后退”想法,认为所有的量子系统都与整个宇宙的状态相联,因此想要完整描述观察,不能孤立地只考虑猫,必须把观测者,乃至那个时刻宇宙中的万事万物都囊括进来。在这幅图景中,测量之后的量子状态仍然处于叠加态,但不是这只猫的生与死的叠加态,而是两个完整宇宙的叠加态!因此多世界诠释可以被称作多宇宙诠释。
在量子力学的薛定谔猫实验中,在毒气瓶被打破后,宇宙分成了两个。在—个宇宙中,猫是死的,但是在另一个平行宇宙中它的分身仍然活着。在进行观察时,观察者与猫发生相互作用,使自己也进入两个不同的平行宇宙,猫分裂成了生活在其中的两个不同的分身。这两个宇宙分别对应观察到猫活着(结果A)和猫死了(结果B)。在第一个宇宙中,观测者发现结果A,所以该宇宙中所有后继观测者都会得到结果A,在另一个宇宙中,所有观测者都会得到结果B。 生活在这些平行宇宙中的不同观测者,每一个都是同等‘真实’的。所有的宇宙都是可能的,每一个宇宙都像别的宇宙一样真实。生活在每个宇宙中的人都会说自己的宇宙是真正的,其他的宇宙是想象的或虚构的。
目前流行的宇宙论认为,宇宙在刚诞生时比一个电子还小,所以宇宙也应该具有量子力学的波粒二象性,没有确定的状态。在演化过程中产生的新宇宙,好像是从某个宇宙中分离出来的,与原宇宙平行存在着,既相似又不同。随着宇宙演化,这些大量的不确定状态就逐渐塌缩成为各个层次的多重平行宇宙。它们相互之间没有任何接触,因而都是相干的。
从广义相对论的观点来看,我们各自所处的宇宙仅仅是一个涵盖范围更大的“多重宇宙”(multiverse)中的一部分。现实世界的空间远远大于我们生活的宇宙,甚至是无限大。按照现代天文学,我们生活的宇宙是指我们原则上用望远镜可以观测到的诞生于大约138亿年前的宇宙。在我们生活的宇宙之外,还存在着许许多多个宇宙,叫做“平行宇宙(Parallel Universe)”可以分成三个层次。它们与你相距遥远,按照马克思-泰格马克(Max Tegmark)的估计(参见Newton 科学世界,2014.9 “平行宇宙”文),大约有10的10108次方米那么远。因此我们可以忽略它们。 相互平行的两个宇宙,既不重合,也不相交,可谓“井水不犯河水”。虽然有时通过量子纠缠,两个宇宙能相互感知对方的存在;但一般而言,仍是“鸡犬之声相闻,老死不相往来”。
从量子力学的观点来看,还可能存在第四个层次的平行宇宙。2011年,野村泰纪(Yasunori Nomura)拉菲尔·布索(Raphael Bousso)和伦纳德·萨斯坎德(Leonard Susskind)提出,与永恒暴涨宇宙和休·埃弗特德量子力学多世界诠释在某种意义上是同一个概念。按照这种理解,与永恒暴涨相联系的无限大空间只是一种‘幻想’ ,暴涨产生的众多泡泡宇宙并非同时存在于单一的真实空间之中,而是代表着概率树上的不同的可能分支,称为“平行宇宙”。如果这种多重宇宙的世界图像是对的,就意味着量子力学原理不仅适用于微观世界,而且在最大尺度上对决定多重宇宙的整体结构也起着至关重要的作用。他们认为,永恒暴胀宇宙和艾弗雷特的量子力学多世界诠释在某种意义上是同一个概念。按照这种理解,与永恒暴胀相联系的无限大空间只是一种“幻象”,暴胀产生的众多泡泡宇宙并非同时存在于单一的真实空间之中,而是代表着概率树上不同的可能分支。
按照这种看法,所有可能的量子力学平行宇宙都与我们共存于同一个空间中,它们就存在于我们所处的这个房间里,在你的鼻尖之下,时刻都在与你互动。它们不是彼此远离,而是存在于同一地方、叠加在一起。它们是同一宇宙的所有可能的量子力学状态。平行宇宙并不是位于通常意义上同时存在于不同的空间区域,而是在抽象空间中叠加在一起的、宇宙的所有可能状态。世界可能存在的每一种量子力学状态,都对应着一个不同的宇宙。(参见马克斯-泰格马克“四个层次的多重宇宙”,《环球科学(科学美国人)》专科系列“宇宙之外”)
为了理解这种层次的平行宇宙,想象一个随机性完全量子化的骰子。这个骰子有多少面数,分裂成的平行宇宙就有多少个。如果这个骰子只有六面,那么它将同时显示所有的六个点数,这个宇宙分裂将成了六个宇宙,在其中一个宇宙中骰子显示一点,另一个显示两点,依此类推。由于我们被限制在其中一个宇宙中,因此我们只能看到完整量子现实中的一部分。
3. 平行宇宙中的人生
由于每个宇宙都足够大,所以许多小概率事件都会重复多次。你和你的家人已经在世界上真实存在,这个事件在现实世界出现的概率虽然小,但不为零,因此它将在各个平行宇宙中无数次地出现,也就是说,你在其它平行宇宙中有很多“分身”,他具有与你相同的生命信息。“分身”处在与你不同的宇宙里,过着不一样的人生。每个人在面对一个问题每个人的这样的分身都不能意识到其他分身的存在。所有的宇宙都是可能的,每一个宇宙都像别的宇宙一样真实。生活在每个宇宙中的人都会说自己的宇宙是真正的,其他的宇宙是想象的或虚构的。
人生的每个选择都等价于一次观察,使宇宙分裂。它们不就发生在当地当下,就在你身旁。选择或观察有多少种可能性,宇宙就会形成多少分支,每个人就有多少分身。完整的人生是所有分身的叠加态。
电话响了,我们要选择是否接听电话。也许某人打电话想约会你,你选择接了电话,结果和意想不到的人结了婚;你没有接这个电话,从而过上了截然不同的人生。多宇宙诠释认为,这两个选择都是真实存在的。它们对应着两个平行宇宙。
你在初中毕业时可以去打工,现在成为厨师,这是在某个平行宇宙中的生活;你也可以继续深造,现在成为经理,这是在另一个平行宇宙中的生活。初中毕业时你的两种选择,使你的未来分裂成了两个平行宇宙,在一个中你当了工人;在另一个中你当了经理。两个宇宙都同样真实。如果你发现自己当了工人,那么在另一个宇宙中,一模一样的你当了经理。
为什么当了工人你看不见当了经理的你呢?这是因为“去相干”使这两个世界没有任何联系。只有量子跃迁可以使你从一个世界到另一个世界,就像电子从墙壁的这边跳到那边一样。平行世界是由很多四维空间组成的 , 但是平行宇宙间极难得发生大规模的量子转移,也许直到宇宙灭亡都不会发生一次。
在这个图像中,所有可能的宇宙都与我们共存,这些量子宇宙就存在于我们所住的这个房间里。关键的问题是:如果这是真的,为什么我们看不见充满我的房间的其它这些宇宙呢?原因就是去相干:这些世界的波函数是去相干的,即彼此不再同相。我们不能再与它们接触。
为了帮助理解这种图像,史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)用无线电来比喻多宇宙理论。围绕我们周围有几百个不同的从遥远广播电台播出的无线电波。在任何给定的时刻,你的办公室、小汽车或卧室充满了这些无线电波。然而,打开收音机,你每次只能听一个频率,其他的那些频率已经去相干了,不再彼此同相。每个广播电台有不同的能量和不同的频率。结果,只能将收音机一次调到一个台。
同样,在我们的宇宙中我们已调到与我们宇宙相应的频率。但是有无限多个平行的宇宙与我们共存于同一个房间,尽管我们不能调到它们的频率。尽管这些世界看上去都很像,但每个世界的波以不同的频率振动,不再能相互作用或相互影响。
虽然由于去相干,当了工人的你看不见当了经理的你,但是你并非完全不能知道你的分身在平行宇宙中如何生活。在相互平行的两个宇宙,可能存在量子纠缠关系,那么有时也可通过直觉感知对方的存在。
如果把一个分身比作一本书的某一页,那么整个人生就是许多不同的页码叠加在一起这本书。翻阅它,可以了解自己的过去、现在、未来。其实你的直觉经常都在这么做,只不过没有意识到,因为你常常把直觉感知当作幻觉。随后的系列文章将讨论如何知道哪些直觉不是幻觉,并且量子纠缠可以起何种作用。
当一个人死亡的时候,他的生命信息并未消失。它们离开了你在这个宇宙中的肉体,继续留在平行宇宙的分身中。生命信息不灭。
附录:量子纠缠可以连接平行宇宙
腾讯科学2013年12月06日有文“美科学家发现量子纠缠幽灵与宇宙虫洞有关”,其中讲到,美科学家提出新的观点认为量子纠缠与宇宙虫洞之间存在关联,如果这个假设发展成理论,那么可以将量子力学和广义相对论统一起来。
腾讯科学讯(罗辑/编译)据国外媒体报道,美伊利诺伊州阿贡国家实验室与加利福尼亚州圣迭戈超级计算机中心联合对宇宙时空进行了研究,发现理论上存在连接遥远宇宙中两个时空的渠道,这可能与量子纠缠有关,在量子力学的框架下,两个粒子不论距离的远近都会形成一定的相互影响,从宏观上看,量子纠缠现象非常奇怪,这个发现有助于科学家使用微观尺度的量子力学来研究宇宙的大尺度问题。
目前研究人员有两种不同的理论来研究宇宙,这就是量子力学和广义相对论,两个理论可以分别解释微观的小尺度和宏观的大尺度宇宙时空,但是两种理论无法统一。对于虫洞理论,爱因斯坦广义相对论预言了一种时空通道的存在,即爱因斯坦-罗森桥,这是目前连接两个时空的快速通道理论,有趣的是,量子力学也有类似的现象,可以在两个遥远的粒子间建立“联系”,这就是量子纠缠,宏观状态的爱因斯坦-罗森桥机制与量子纠缠有何关系呢,科学家现在一直在寻找这个答案。
理论物理学家克里斯坦·詹森认为从目前看量子纠缠是个“事实”,即便两个相距数光年的粒子也会出现“心灵感应”,爱因斯坦也曾经认为这个现象是看不见的远距离“幽灵行为”,科学家通过无数次的实验证明了量子纠缠是真实的,因此也试图将该技术发展成未来的量子加密技术和量子计算机。斯坦福大学理论物理学家胡安·马丁等也发现了虫洞与量子纠缠之间的联系,两个发生“纠缠”的黑洞可以通过多种方式形成,这样处于遥远时空的两个事件就可以联系到一起,也就是说此类黑洞由处于纠缠态的粒子构成。若量子纠缠跟虫洞有关,那么把遥远空间的粒子调整到纠缠状态,可以实现瞬间转移和时空旅行。
量子纠缠
量子纠缠不仅可以为你的分身之间建立联系,而且还能造成你的“无生境界”-佛学中的阿赖耶识
测量原理和量子纠缠
微观粒子可以同时处于两个以上的不同状态,即没有确定的状态,它们在被观察的瞬间才出现确定状态。在进行观察前,物体可以同时以各种可能的状态存在。发现点粒子的概率由一个服从薛定谔波动方程的波确定,波函数给出在特定状态下发现物体的精确概率;要确定物体处在什么状态,必须进行观察,它使波函数“消失”,物体进入确定状态。这是量子力学的测量原理。
当你测量处于纠缠中的两个粒子中的一个时,你会立即知道另一个粒子的状态,即使它们相距数亿光年。两个粒子之间的这种奇怪的瞬间联系,不受光速的限制。爱因斯坦称之为"远距离的幽灵行动"。这种奇特的现象就是量子纠缠。
1935年,爱因斯坦(Albert Einstein)、波多尔斯基(Boris Podolsky)和罗森(Nathan Rosen)在论文中描述了一个量子纠缠的思想实验:考虑π介子衰变,产生具有相反的自旋并相互远离的一个电子和一个正电子。按照量子力学,它们之中每个粒子的自旋在被测量之前都是既向上又向下的。 如果测得电子的自旋是向上的,那么正电子的自旋瞬间坍缩成向下,即使两个粒子之间相距数十亿英里也如此。
量子纠缠不需要传递信息。否则在测得电子自旋向上之后,若要把这个信息传给正电子才能使它选择自旋向下,就需要在两个粒子之间有着某种比光速更快的方式相互通信。这与狭义相对论禁止超光速通信冲突。
量子纠缠已经被实验证明是真实存在的。物体可以在很远的距离上相互关联,这是量子力学测量原理和叠加原理联合所导致的,之前的物理学无法解释。这种远距离测量的相互关联,并不需要以超过光速的速度在粒子之间传递信息。
2022年的诺贝尔物理学奖,授予法国科学家Alain Aspect、美国科学家John F.Clauser和奥地利科学家Anton Zeilinger,表彰他们共同成功进行的纠缠光子实验。
叠加原理与量子纠缠
量子力学的叠加原理说:如果一个体系有两个可能的状态,那么它们的任何线性叠加也是这个体系的可能状态。
对于只有一个粒子的体系,叠加原理容易理解。对于包含多个粒子的体系,叠加原理会产生纠缠现象(参考袁岚峰著《量子信息简话》,中国科技大学出版社,2021)。
举例来说,如果一朵玫瑰有红色和白色两个基本状态,那么两朵玫瑰就有2x2=4个基本状态:A、B都红(红红);A、B都白(白白);A红B白(红白); A白B红(白红),并且这四个状态的任何线性叠加也是这个体系可以取到的状态。
考虑“红红”和“白白”这两个状态的权重相等的叠加态,用狄拉克符号表示,就是l红红)+l白白)/ √2。依照量子力学的测量原理对这个态进行测量,结果就会是:对于玫瑰A,有一半的几率发现它是红色,一半的概率发现它是白色;对于玫瑰B,结果也同样。而且惊人的是:如果发现A是红玫瑰,那么B也是红玫瑰;如果发现A是白玫瑰,那么B也是白玫瑰。
由此可见,虽然各个粒子的测量结果各自都是随机的,但是这些随机数之间存在关联,出现了纠缠现象。由此可见,量子纠缠并不神秘,只要有量子力学的测量原理和叠加原理,就一定会出现纠缠现象。
角动量的量子纠缠
一般地说,在量子力学里,如果一个体系是由几个彼此相互作用的粒子组成,这个体系用一个统一的波函数描述,其整体性质用一些守恒量来描述,比如角动量守恒等。因为各个粒子所拥有的特性已综合成为体系的整体性质,所以单个粒子不再有确定的角动量。
如果有一个由两个粒子组成的量子系统。这个系统有一些不变的整体性质,例如角动量守恒。那么在这个系统中,这两个粒子的角动量,在被观测之前,都没有确定的状态。在被观测的瞬间,无论两个粒子间隔多么遥远,当一个粒子的状态发生变化时,另一个粒子也将瞬间随之变化,以便保持系统的整体性质不变。这种关联是瞬时的,超越时间空间的限制。这种现象就是量子纠缠。
如果一个粒子的角动量有两种取值:+1和-1,那么由双粒子构成的系统,它的整体角动量为零时,当你测得其中一个粒子的角动量是+1,另一个粒子的角动量一定是-1。这好比单只手套既可以是左手的,又可以是右手的,它们配对之后,所拥有的整体特性已综合成一副手套的,所以你只要发现其中一只是左手的,另一只不用观察马上知道是右手的。
量子纠缠与人生
如果我们有两颗处于量子纠缠状态的粒子,它们一颗绿色,一颗红色,且某一颗变色后另外一颗就会同时瞬间变色。把这两颗粒子中的一颗(A2)送去火星,另外一颗(A1)放在你的大脑中。火星上的粒子(A2)发生状态改变,比如从红色变绿色时。你大脑中的粒子(A1)就会瞬间感应到这种变化,从绿色变成红色。火星上的粒子(A2)变回红色时,大脑中的粒子(A1)又瞬间变成绿色。反之亦然。
在宇宙的演化过程中(例如大爆炸),产生的粒子可能都有类似的纠缠粒子经历,这些纠缠粒子分散到整个宇宙,甚至平行宇宙。因而可能出现:你的身体由A1型粒子组成,而在现实宇宙中的某个遥远的地方,甚至在另一个平行宇宙,你的分身是由A2型粒子组成,那么你与这个分身之间就存在这种纠缠。你们的一切,一言一行,都相互关联。只不过你自己通常没有意识到而已。
甚至在你死后,“灰飞烟灭”,虽然这些灰烬(曾经在你身上的A1粒子)已四散分离,然而它们与宇宙中的A2粒子的量子纠缠仍然存在。这时人生所处的就是“无生境界”。此时没有眼、耳、鼻、舌、身的五官感觉,没有大脑也没有意识和记忆。
佛学早就提出,人的意识和行为受阿赖耶识支配,阿赖耶识遍布字宙。其实阿赖耶识就可以看作是这种无生境界。佛学认为,每个人死后,他的业力种子保存在阿赖耶识这个仓庫中,水远不会失掉和变质,它们通到缘就起观行,就是果报。