量子力学与人的意识有关？为何冯·诺伊曼会提出如此颠覆的理论？

经典物理学上空的两朵乌云

1687年，牛顿发表了著名的《自然哲学的数学原理》，从此打开了物理学的大门。物理学和天文学也成为众多学科中最早科学化的学科。牛顿的三大定律以及万有引力定律也成为了经典物理学的支柱。

到了19世纪末，当时著名的物理学家，热力学的奠基人之一开尔文勋爵就曾经在一次会议上发表自己关于经典物理学的担忧，他说：“19世纪末，物理学大厦已经建成了，在晴朗天空之中，远处飘浮着两朵的令人不安的乌云...”。这两朵乌云分别是黑体辐射和以太假说，它们使得整个经典物理学大厦摇摇欲坠。

黑体辐射这朵乌云就诞生了量子力学。客观地说，科学一直以来都和“人的意识”是泾渭分明的，这是因为科学理论是客观地描述自然现象，而“人的意识”则是主观的，两者本不该有任何联系。然而在量子力学的发展过程中，有几位名气很大的科学家提出量子力学的波函数坍缩和“人的意识”有关，其中就有计算机之父：冯·诺依曼。

那冯·诺依曼提出了什么样的一个理论，这个理论又和“人的意识”有什么关系？

量子力学的波函数坍缩

这一切还需要从量子力学研究的问题入手。20世纪初，物理学家普朗克在研究黑体辐射时，提出了著名的普朗克公式，以及创立“能量子”的概念，正式拉开了量子力学的序幕。

先后加入到研究队伍当中的人不计其数，其中就包括，爱因斯坦、索末菲、波尔、薛定谔、泡利、海森堡、狄拉克等人。

以上这些其实还只是理论物学家。要知道，量子力学研究的是微观世界的物理学现象。因此，只要科学家能够观测到微观世界的物理学现象，才有可能提出或者验证相关的理论。因此，量子力学的发展，还离不开一大批杰出的实验物理学家，比如：汤姆逊、卢瑟福、威尔逊、居里夫妇、费米等物理学家。

我们知道，牛顿几乎以一人之力就完成了万有引力定律和牛顿三定律；麦克斯韦在法拉第工作的基础之上，提出了麦克斯韦方程；爱因斯坦也几乎是凭借一人之力就完成了狭义相对论和广义相对论。物理学的三大基础理论几乎都是仅凭一人之力就实现了理论的奠基。

唯独量子力学，是由许许多多的科学家前赴后继才逐步完善的。这完全是因为量子力学足够违反人类的直觉与三观。那具体是咋回事呢？

我们在日常生活中，描述一个物体运动时，通常会使用一些常见的物理量来描述，比如：速度、路程（位移）、质量、时间等等，这属于经典物理学的描述框架。

在微观世界当中，这一切就都变了。举个例子，在平时，我们很容易知道自己的具体位置，步行的速度，以及接下来要去到的地方。但如果你是一个电子，那么这一切你都是不知道的，你甚至连自己接下来要去到哪里也是一无所知的。为什么会这样呢？我们详细了解一下。

原子是由原子核和电子构成的，原子核内还有质子和中子。

电子是在原子核外的，但是我们无法知道电子在原子核外具体什么位置，以多快的速度在运动。我们只知道，它出现在某个位置上的概率是多少。因此，海森堡通过矩阵力学来描述这个物理学现象，后来也被称为不确定性原理，或者测不准原理。

海森堡可以说是通过电子的粒子性来描述，而薛定谔电子的“波动性”的角度来描述电子的运动，他得到了一个波动方程。后来，狄拉克证明了两者是等价的。

也就是说，科学家们发现，电子在原子核外的运动是呈现概率性的。虽然已经可以用方程来描述，但是方程始终没有能够得到一个合理的物理学解释。这时候，波尔等人提出了一个量子力学的哥本哈根解释。

他们认为，电子在原子核外是处于叠加态，意思是电子处于任何一个位置。当我们观测了电子，这时候波函数就会坍缩，就会得到一个确定的结果。如果我们不观测，电子的状态则会继续遵循着波函数的方程。

这样的看法很颠覆三观，这意味着“人的观测”影响了客观事物的状态，进而影响了科学理论。当时很多科学家是持反对意见的，其中就包括爱因斯坦，薛定谔等人。爱因斯坦甚至多次和波尔展开论战，还说出了那句大名鼎鼎的“上帝不掷骰子”。

冯·诺依曼

除了反对的声音，还有一些科学家在试图解释这个问题。这其中就包括冯·诺依曼。

他当时师从数学家希尔伯特，所研究的领域就是：量子力学的数学基础。他没有像爱因斯坦这样直接反对哥本哈根解释。相反，他一直在思考“观测”这个问题。他在思考，如何具体去定义“观测”，到底是用手触碰，还是用眼睛去看。

冯·诺依曼就进行了一套逻辑推理，具体的推理如下：首先，观测仪器本身就是由不确定性的粒子构成的。因此，观测仪器本身也拥有波函数。如果用仪器去观测电子的状态，仪器本身也就会卷入到“叠加态”中。如果用无限多个仪器去观测电子的状态，这就意味着第一台仪器观测着电子，第一台仪器和电子都处于叠加态，然后第二台观测第一台仪器，它们也同时处于叠加态，第三台仪器观测第二台仪器，也是如此，一直无限复归下去，那么整个系统就不会发生波函数坍缩，这就是冯·诺依曼的无限复归链。

通过这个推理，冯·诺依曼就提出，如果没有“人的观测”的介入，那么仪器和观测对象应该一直处于叠加态，而不会发生波函数坍缩。因此，他认为“人的观测”才是影响波函数坍缩的原因。“人的观测”说明了“人的意识”其实是会影响波函数的坍缩。因此，只有电子“被意识”到，电子的波函数才会坍缩。如果电子没有“被意识”到，那电子就会一直处于叠加态。

不仅仅是冯·诺依曼提出了这样的想法和理论，其实还有一位叫做魏格纳的科学家提出了一个著名的思想实验：魏格纳的朋友。

这个思想实验就是用来证明波函数坍缩与“人的意识”有关。

魏格纳的朋友

要想了解魏格纳的朋友，我们就得先来了解一下物理学史上四大神兽之一的“薛定谔的猫”。上文我们提到过，薛定谔其实是反对量子力学哥本哈根解释的。他觉得“叠加态”的解释就是胡扯，他并不认同。为了反驳这个哥本哈根解释，薛定谔提出了著名的思想实验：薛定谔的猫。

这个思想实验是这样的，假定在一个密封的盒子当中，放了一只猫。同时，这个盒子还装了一个由“氰化物”和“镭”构成的装置。“镭”是一种放射性元素，有一定的概率会发生衰变。当“镭”发生衰变时，装置就会打碎装着氰化物的瓶子，这时候，猫就会被毒死；反之，没有衰变，猫就会活下来。根据量子力学哥本哈根解释，猫就是出于叠加态，也就是“既活又死”的状态。

魏格纳的思想实验“魏格纳的朋友”其实就是“薛定谔的猫”的升级版。魏格纳提出，如果他有一个朋友带着防毒面具进入到盒子当中去“观测”这只猫的状态。而他自己则不去观测，因此，他自己是不知道猫的状态，可是他可以通过询问自己的朋友来获知猫的状态。这时他的朋友其实会告诉他猫的具体状态，而不是告诉他猫处于叠加态。因此，他的朋友其实导致了整个系统发生了波函数坍缩，而起到关键作用的其实就是他朋友的“意思”。

魏格纳还提出，根据牛顿力学的第三定律，作用力与反作用力，“人的意识”也应该会和外部世界发生作用和反作用。

缺陷

可以说，冯·诺依曼和魏格纳的理论是相当颠覆三观的。不过，一直以来，他们并没有被当做是主流的科学理论。这是因为“人的意识”到底是什么，没有人可以说得清楚，更不要说定义清楚了。因此，两人的理论基本就是值得商榷的。