量子力學與心靈的探討

陳俊霖

交通大學光電工程博士

量子力學的哲學觀隱含著深邃的心靈世界，

而呈現出「一毫端極微中，出現三世莊嚴剎」的華嚴世界。

摘要：

在一般人根深蒂固的觀念裡，總以為外在的事物與觀察者是互相獨立，彼此毫無關係的，如日月星辰的運行與我們有沒有觀察它們無關，並不會因為我們的觀察與否而停止運動。所以廿世紀初以前，西方的科學家都認為這個宇宙是一個客觀而獨立的系統，不會因為任何人的觀察而有所改變。直到1925年量子力學問世之後，這個觀念才逐漸的鬆動。原因是以前物理學所研究的物件都是我們的感官可以直接觀察到的，如行星的運行軌道或棒球的飛行路線等。可是隨著科技的進步，量子力學所要研究的物件已經超越我們的感官所能覺知的極限，如電子已經小到我們的肉眼無法看見，也就是說我們「看不見」我們想要看的「物件」，因此原先根植於我們心中的一些觀念便面臨了挑戰。量子力學解釋事物的這套說法，不僅使大部分的人感到困惑，甚至於連著名的物理學家愛因斯坦都感概地說：「我的腦中懂得量子力學，但心中卻不懂」。

量子力學真的那麼難懂嗎？其實不然，量子力學之所以讓許多人無法接受，乃在於人們過度執著以往的成見，總認為「被觀察之事物」與「觀察者」可以分開，甚至於不承認「心靈」的存在，因此無法從此一自我設限的桎梏中解脫，並產生了一連串的矛盾與困擾。有鑑於此，本文的目的是希望藉由科學上一些例子的探討，使大家認識到「心靈」在科學上的主導地位。

一、前言：

我們日常生活中所發生的各種現象，在一般人的看法中都認為這些現象都是相當真實而且可以被我們所確定的。例如：我們可以確定棒球飛行的運動路線；小孩子可以確定他手上的那顆彈珠到底是從那一個裝彈珠的筒子中拿出來的；所有的東西都是持續而確實地存在，不會一下子突然消失又突然出現……等等。然而如果我們將目前日常生活的這個世界縮小成一億分之一或更小，也就是量子力學所要描述的量子世界，那麼一些非常奇特的現象便可能會發生了：棒球可能一下子飛到左外野，一下子又飛到右外野，它的飛行路線根本無法確定，所以讓外野手們疲於奔命；小孩子不僅不能確定他手上的彈珠到底從那一個筒子裡拿出來，甚至於他也許會為眼前的玩具突然消失又突然出現而迷惑不已。這些現象乍聽之下簡直匪夷所思，且荒誕怪異，但也正因為自然界中存在著這些現象，才使得這個世界變得多彩繽紛，到處充滿著盎然的生趣。為什麼會發生這些奇特的量子現象呢？歸究其原因，乃是在於這些現象的發生與觀察者的意識相關連，也就是說如果要能完整的瞭解這些現象，我們就不可能將觀察者排除在外。一件事物發生的過程中，觀察者必須參與其中而不可能置身事外；而且當觀察者本身的看法有所改變，所觀察到的現象也會跟著起變化，這正與佛經上所講的「萬法唯心造」不謀而合。再者如果我們進一步探討電子與它所處的時間與空間的關係時，就會發現物理學上所講的「真空」其實並不是一無所有，反而是無奇不有、似幻似真，從這裡可以幫助我們瞭解佛經上所言「真空妙有」的說法，以下就舉一些物理學上實際的例子來說明。

二、電子運動軌跡的探討：

在臺灣相信大部分的人都看過棒球比賽，在比賽中投手常投出各種變化球來對付打擊者，這些球路變化多端，如下墜球、上飄球、各式的曲球等，但不管投手的球路多麼犀利，他們所投出的球都有很明確的運動路線，這是大家都可以很明顯看到的(不管是直接用眼睛看，還是看慢動作重播)。如果現在把棒球縮成有如電子一般的大小，當這些電子由電子槍中「投出」時，會是什麼樣的情形呢？為了能較清楚的解釋這種微觀的量子現象，這裡採用了美國理論物理學家費因曼(Richard Feynman)的說法，如圖一所示：我們先在牆上開Ａ和Ｂ兩個狹縫，在牆的前面放置一部投球機Ｓ，並開動它，使它持續地往牆上投球。最後在牆的後方我們放置了一個螢光幕，每當有球打到螢光幕時，就會在該處形成一個亮點，投出去的球有些撞到牆上而被彈回，有些卻穿過兩個洞口之一，直接打到螢光幕，而在該處形成亮點，經過一段時間之後，我們將在螢光幕上看到兩團的亮點。如果將投球機換成單色光源的話，那麼在螢光幕上會顯示不同的圖樣，我們將會看到明暗相間的干涉條紋，如圖二所示。

圖一：棒球經由投球機Ｓ投出，穿過Ａ和Ｂ兩個狹縫而在螢光幕上形成兩團亮點。

圖二：當Ｓ換成為光源時，在螢光幕上會形成明暗相間的干涉條紋。

比較圖一與圖二，我們可以知道圖一兩團的亮點代表粒子的性質，而圖二明暗相間的條紋代表波的性質。在量子力學問世之前(約一九二五年以前)，波和粒子兩種觀念是彼此互不相容的，換言之不是粒子就是波，不是波就是粒子，不容許有含糊不清的地方。但是現在如果位於Ｓ處我們換成一具電子槍的話，奇怪的事情發生了，我們在螢幕上竟然得到了明暗相間的干涉條紋！假如我們認為電子是粒子的話，照理我們只能看到如圖一兩團亮點，不可能看到如圖二明暗相間的干涉條紋；既然看見了明暗相間的干涉條紋，意味著電子不是粒子而是波。現在我們可以控制電子槍的發射速率，使得電子槍每次只能發射一個電子，然後在螢光幕上將看到一點一點的亮點，隨著時間的流逝，螢光幕上亮點的數目也愈來愈多，最後也得到了圖二明暗相間的干涉條紋。

從整個實驗的過程看來，電子打在螢光幕形成一個個的亮點，這代表電子是粒子而不是波。可是如果是粒子的話，就不可能產生明暗相間的干涉條紋，這到底是怎麼一回事呢？是不是當一個電子通過Ａ和Ｂ兩個狹縫時，會自動一分為二，然後這兩部分會像波一樣互相干涉，等到通過雙狹縫之後又複合為一，而在螢光幕上形成一個亮點，這實在是太不可思議了！你能想像一個棒球經投手投出會分成兩個，最後又合成一個落入捕手的手套裡？為了檢驗電子是否真的分裂，我們可以在Ａ和Ｂ分別裝上兩個偵測器，當電子通過Ａ狹縫時，Ａ處的偵測器便會作響；通過Ｂ狹縫時，Ｂ處的偵測器也會作響；如果一個電子真的分裂為二而同時穿過Ａ和Ｂ兩狹縫的話，那麼ＡＢ兩處的偵測器就會同時作響。現在把偵測器裝好後重複上述的實驗，我們將會發現偵測器不是Ａ響，便是Ｂ響，但Ａ、Ｂ兩處不會同時作響，因此我們可以斷言電子不會分裂。但是此時也發生了一件怪事，原先螢光幕上明暗相間的干涉條紋卻消失了，取而代之的是兩團亮點，這下子電子又從波變成粒子了，實在是相當奇怪，電子怎麼一下子是波，一下子又是粒子，這到底是怎麼回事呢？

現在我們必須仔細地反省檢討，是否在上述的實驗現象中我們忽略了些什麼，才會陷入此一互相矛盾的結果中呢？原因乃在於我們忽略了觀察者的重要性，一個事件的發生必須同時具備兩個條件：即「被觀察的事物」和「有觀察能力的人」，兩者缺一不可，否則無法成為一個發生的事件。讓我們先檢討「粒子」這個概念，所謂的「粒子」就是具有很明確的形象，它會佔據空間中某一個位置，而且當它移動時，會有一條清楚的運動軌跡。但這裡所談到的「很清楚的運動軌跡」這個概念必須先有一個前提，那就是這條清楚的運動軌跡必須被我們看到或用其它的儀器偵測到，如果不能被我們看到或偵測到的話，「粒子」這個概念將毫無意義，「波」的概念亦是如此。

現在回到電子這個主題上，由於電子實在太小了，所以我們無法用肉眼直接看到。因此我們如果問：「電子從電子槍發射後到達螢幕前的這段距離，到底是波還是粒子？」這個問題在這裡是無意義的，因為波或粒子的概念只有在電子能夠被「看見」的前提下才成立，既然在這段過程中電子無法被「看見」，因此波或粒子的概念在此無法適用。那麼在前面的兩個實驗中，我們為何在螢光幕上會看到波和粒子所表現的行為呢？我們仔細回想一下，當我們在牆上挖出Ａ和Ｂ兩條狹縫時，我們已經「設計」了一個想要觀察波的干涉的實驗，也就是電子已經預先被我們設定成波了，因此我們得出了典型明暗相間波的干涉條紋。當我們在Ａ和Ｂ裝上偵測器時，整個實驗又被我們「設計」成想要觀察電子的粒子性的實驗，因為想要知道電子到底是由Ａ還是Ｂ穿過牆時，就必須先具備粒子的概念，因此在螢光幕上看到典型的粒子行為──兩團亮點，也就不足為奇了。哈哈！原來折騰了老半天，我們竟然被自己騙了！所有的矛盾和衝突竟然是自己所編造出來的，只是我們不自覺而已，只要明白了這一點，那麼量子力學也就不會令人感到玄之又玄了。

現實的生活經驗中，我們總認為外在世界各種事物的發生與我們自身的看法無關，日月星辰的運轉不可能因為我們看與不看而有所改變，因此一般人的看法都認為外在事物的發生與觀察者完全無關，但由上述電子穿過雙狹縫的實驗中，我們發現到事物的發生不僅與觀察者有關，而且幾乎是被觀察者一手所操控。原來每個人都是戴著「有色的眼鏡」在看這個世界，所以當我們看到外在事物的發生，其實它隱含著我們內心世界的一些看法，只不過是大部分人的心都不夠細，以致於無法察覺而已，這個情況正好反映了佛經上所講「相由心生」、「萬法唯心造」的概念。由以上的說明，使我們瞭解到當日後我們觀賞棒球比賽，看著投手投出一記漂亮的變化球時，我們必須警覺到這記變化球之所以有著優美弧度的運動軌跡，其先決條件在於我們能夠看見它；假如把棒球縮成電子一般的大小，以致於用肉眼無法看見，這時就沒有所謂的「球的運動軌跡」，當然也就沒有變化球的概念，所以再次的提醒各位「不要被自己的眼睛給騙了」。

圖三：電子由Ｓ點出發，可以各種不同的路徑到達Ｄ點。

接著我們再討論一個問題，如果在電子雙狹縫干涉的實驗中將牆整個拆掉，也就是討論如圖三電子由Ｓ點出發到螢光幕上某一點Ｄ的運動過程，現在一件很有趣的事情發生了！記得我們前面不是說過此時「電子的運動軌跡」的概念已經不適用了，可是費因曼教授提出了另一個看法，那就是此時電子是以任意的軌跡運動，而由Ｓ到Ｄ的機率就由連接Ｓ、Ｄ兩點這些無限多的軌跡它們的機率相迭加干涉而合成的，當Ｓ、Ｄ兩點之間擋著一座有著雙狹縫的牆時，這些無限多的軌跡大部分都被牆擋住，只剩下一小部分的軌跡能到達Ｄ點，因此呈現出明暗相間的干涉條紋。當我們在Ａ和Ｂ再裝設偵測器時，能到達Ｄ點的軌跡更少了，所以呈現出兩團亮點，原因是前者我們將Ａ和Ｂ視為一體，所以容許同時通過Ａ和Ｂ的軌跡到達Ｄ點；而後者Ａ和Ｂ已經可以分別了，所以不能視為一體，因此將會少掉前面所說這些部分的軌跡。好！現在我們又得到了一個非常重要的觀念，量子力學所說的「沒有軌跡」，正好等於「任意的軌跡」，這正是《金剛經》的標準句型：「所謂Ｘ，即非Ｘ，是名Ｘ」，所以只要能夠體會「電子的軌跡，即非軌跡，是名軌跡」，就能掌握住量子力學的精義。

三、全同粒子：

假設現在眼前有兩個形狀完全一樣的彈珠，縱然這兩個彈珠在外觀上完全一樣，可是我們仍然可以分辨那一顆彈珠在左邊，那一顆彈珠在右邊。如果把兩顆彈珠換成兩個電子會如何呢？此時我可以拿出其中一個電子，但卻分不清到底拿到的是兩個電子之中的那一個？原因是在這種情形之下，由於我們看不到電子，所以左右的概念在此已不適用。換言之，在這種狀況之下，左邊和右邊是無法分別的，所以稱為「全同粒子」(注一)──以上這個例子又說明了觀察者地位的重要性。

接著我們舉一個很有名的詭論再加以探討，這是由理論物理學家薛丁格(Erwin Schrodinger) 提出的「量子貓詭論」。如圖四所示，把一隻貓放入一個黑箱子裡面，在箱子裡放有盛著毒氣的瓶子和放射性的物質，當有放射性衰變發生時，便會觸動開關將毒氣瓶打破而立刻將貓毒死。由於放射性衰變本身是一種量子過程，所以只能用機率的概念來描述。譬如說某一種放射性物質的半衰期是一分鐘，意思是說如果我們將這種放射性物質的一個原子放入黑箱之中，那麼過了一分鐘後，貓被毒死的機率是50%。現在我們將一切裝置安裝妥當，把貓放入黑箱中，並蓋好蓋子。

現在問題來了！由於我們從外面根本看不到箱內的貓是死是活，要知道貓是死還是活，只有打開箱子才能知道。  

圖四：薛丁格的「量子貓」和其實驗裝置

問題是蓋上蓋子後，貓究竟是死是活？照平常的經驗，「死」和「活」是兩個互相對立的現象，絕對不可能出現「半死半活」的情況，所以蓋上蓋子，過了一分鐘後，我們實在不能說：此刻貓的狀況是「50%活和50%死」。既然這種說法不能成立，那麼實際的情況應該是如何呢？現在我們試著來解答這個問題。首先要問一個問題：為什麼我們能夠分辨貓的死活？原因是我們的意識在作用，所以打開蓋子時，我們很容易辨別貓的死活；當把蓋子蓋上時，我們意識的作用被截斷了，所以這時無法判別死活。因此問題的癥結不在於如何分辨貓的死活，而在於深入去探討是誰在分辨貓的死活？在這裡舉一個相關的公案做為參考：

《六祖壇經》〈自序品〉：「因二僧論風旛義。一曰：『風動』，一曰：『旛動』，議論不已。慧能進曰：『不是風動，不是旛動，仁者心動。』」這裡我們可以將這個公案改為「不是貓死，不是貓活，仁者心動」。

四、真空的本質：「一無所有」等於「無奇不有」

在第二節中我們談到電子運動的情形，但大家有沒有注意到我們似乎忽略了某些重要的東西，那就是電子運動的背景──真空。好比我們坐在課堂上看黑板上的字，往往我們只注意黑板上的字，而忽略了黑板的存在。在這個例子中，電子就好像黑板上的字，而真空就像整塊黑板。真空不是一無所有嗎？有什麼值得注意的呢？但回想在第二節中我們得到的結論：「沒有軌跡」就等於「任意的軌跡」，因此「一無所有」是不是意味著「什麼都有」呢？相信大家在知道答案之後，一定會大吃一驚！現在讓我們一步一步的來揭開謎底吧。

我們都知道電子運動時會感應一些電磁場(按科學的術語稱為「光子」)，所以當電子運動時可能在Ａ點放出一個光子，然後在Ｂ點將此一光子吸收回來，如圖五(a)所示(注意：我們在圖五(a)上畫出電子的軌跡乃是權宜之計，要記得「軌跡」即「非軌跡」，不要上當噢！)，由於我們無法在電子運動的過程中，隨時盯著電子看它是否會放出光子，因此圖五(a)的過程是容許的。既然電子可以放出一個光子，那麼也可以放出二個、三個……乃至無限多個光子！圖五(b)代表著這些過程。

圖五：(a)電子的運動過程中在Ａ點放出一個光子，隨後在Ｂ點將光子收回。
(b)電子在運動中其它各種可能發生的過程。其中直線代表電子的軌跡，波紋~~~~~代表光子的軌跡。

圖六：光子在運動中各種可能發生的過程

再來談到光子，光子在運動的過程中可以突然分解成電子和反電子對，隨後電子和反電子對再複合成光子，圖六代表光子在運動中可能發生的各種過程，所以描述真正電子或光子的行為，就是把圖五和圖六這些無限多的圖形全部加起來所得的結果。何以會有圖五和圖六這些複雜且變化多端的過程，完全是由電子或光子與真空發生交互作用而引起的；甚至於電子或光子可以從真空中突然產生，如圖七(a)所示。在某一時刻於Ａ點會突然產生電子和反電子對以及一個光子，隨後電子、反電子對和光子又在Ｂ點互相湮滅，甚至於如圖七(b)這麼複雜的結構都可能忽然出現，但一下子又複歸於無。在圖七(a)和(b)的電子、反電子對和光子都是憑空出現的，真真正正的「無中生有」，因此這個例子可以讓大家深深體會到「無」的威力吧！

圖七：(a)最簡單的「無中生有」的過程
(b)更複雜的「無中生有」的過程

也許大家會認為以上所講的都只是憑空臆測，根本毫無根據，現在舉一個真正由實驗所證實的例子，來驗證以上所言不假。我們都知道電子就好像是一個小磁鐵，具有磁力，我們稱為「電子的磁矩」。就某一個單位而言，如果不考慮真空所引起的效應其大小為１，可是實驗值都超過１，如果我們考慮圖五和圖六由真空引起的效應，以下我們列出目前最好的理論值與實驗值做比較：

理論值 ＝ 1.00115965246±0.00000000020

實驗值 ＝ 1.00115965221±0.00000000003

理論與實驗兩者符合的精確度竟然達到小數點以下第九位，相當於只有十億分之一的誤差，所以以上所講的不是空談，而是經過很嚴格的實驗所驗證過的。

接著我們來探討「真空」為什麼有這麼奇怪的性質呢？原因乃在於「真空」之所以稱為「真空」，就是因為它具備了「不可測量」的性質，也正因為「真空」不可測量，也就是思議所不能及，所以任何事情都可能發生。

(注：特別值得注意的是，一般人所說的「沒有」或「無」是能夠被意識所認定的；但這裡所謂的「真空」是思議所不能及，意識在此無法運作。兩者之間微妙的差異，值得大家細心的體會。)

在這裡我們發現物理學的「真空」同時具備「妙有」的特性，與佛經的說法相當接近。如《華嚴經》〈普賢行願品〉：「于一毛端極微中，出現三世莊嚴剎」。《楞嚴經》：「我以妙明，不滅不生，合如來藏。而如來藏，惟妙覺明，圓照法界。是故於中，一為無量，無量為一；小中現大，大中現小。不動道場，遍十方界；身含十方，無量虛空；于一毛端，現寶王剎；坐微塵裡，轉大*輪」。

因此如果把量子力學的觀念推廣到「真空」的情況時，我們將會發現一切的物質竟然可以從「無」中產生，虛無的「真空」居然不是一片死寂，而是活力無窮，變幻莫測，實在是令人歎為觀止，而這一切竟然與我們的心靈有密切的關連！

五、結語：

本文由量子力學的觀點出發，探討外在事物與心靈相互間的關連，當我們由感官可以覺察的日常生活的世界中，逐漸走入微觀的量子世界時，我們發現原先能夠覺察外在事物的能力突然失去作用，這個情形類似禪宗所講的「言語道斷，心行處滅」。換個方式來講，也就是說在日常生活中我們的感官都有和它相應的物件，以便讓我們能夠認知，如眼能見色，耳能聽聲，鼻能嗅香……等等；當外在的這些事物不能被我們的感官所覺察時，我們的意識因失去物件而無法運作，但同時卻開展出更廣大的另一片天地，就像「沒有軌跡」等於「任意的軌跡」、「一無所有」等於「無奇不有」……等等，諸如此類的事情會發生一樣。

最後，必須要提醒大家的是：以上所講的只是一種方便的說法而已，就好像是指著月亮的手指而已，這些說法並不能讓我們看見真正的「月亮」。前面所講的如「電子沒有軌跡」和「真空」等等還不是很徹底的「無」，我們仍然具有「電子」和「時間─空間」的概念，就佛法的立場而言，仍然是不了義的，要想真正體會到佛法要講的「空」，就只有努力修行才可能達到。因此本文只能算是初級介紹性的文章，希望提供不懂科學的人對於「科學」與「心靈」之間的關係有一個初步的認識，同時也提醒從事科學的研究工作者，不要忽略「心靈」的重要性。

注一：「全同粒子」的概念，可以由能量的測量中發現多出了「交換能量」的實驗結果獲得證實。

參考資料：

1.梁乃崇教授著《圓覺宗 金剛經講義密解》，圓覺出版社。
2.梁乃崇教授著《攝心內證的方向》，新竹明星諾那精舍。
3.梁乃崇教授著《無分別與對稱性》(「第一屆佛學與科學研討會」論文集)。
4.Richard P. Feynman “ The Strange Theory of Lightand Matter”Princeton University Press，1985。
5.王守益教授著《物理與佛學》，慧炬出版社。
6.Gray Zukav 原著，廖世德譯《物理之舞》，方智出版社。
7.Peter Coveney & Roger Highfield 原著，江濤、向守平合 譯《時間之箭》，藝文印書館。