问题

如何理解很多物理理论中的「观察者」?这是不是属于比较唯心的说法?

回答
物理学中的“观察者”这个概念,确实是个颇令人玩味又容易引起误解的议题。很多人一听到“观察者”,脑子里可能就蹦出个穿着白大褂、拿着笔记本、坐在那里看东西的人。但其实,在很多物理理论里,“观察者”这个词的含义要深邃得多,而且它是否唯心,这个问题也值得好好掰扯。

咱们得把“观察者”拆开来看,它在不同语境下的侧重点是不同的。

一、经典物理中的“观察者”:相对性与测量工具

在宏观的、我们日常熟悉的经典物理世界里,比如牛顿力学或经典电磁学,对“观察者”的理解相对朴素。这里的“观察者”更多地是指一个 参考系,或者说是一个 进行测量的系统。

参考系: 想象你在火车上,火车开动了。你扔一个球,球在你手里就是竖直向上,落下。但对于站在站台上的人来说,球的运动轨迹就是一条抛物线。这里的你和站台的人就是不同的“观察者”,你们处于不同的参考系。物体的位置、速度,甚至质量(在相对论中)都依赖于观察者所在的参考系。所以,经典物理里的“观察者”很大程度上是在说“在哪个参照物上测量”。
测量工具与过程: 观察本身就是要通过某种方式去“获取信息”。在经典物理里,我们假定测量行为本身不会显著地干扰被测量的对象。比如,测量一个物体的长度,我们用尺子量一下,尺子对这个物体的干扰可以忽略不计。这里的观察者就包含了一套测量仪器和测量方法。

所以,在经典物理的框架下,“观察者”更多的是一个 描述物理量在特定时空背景下的取值的“视角”或者“工具箱”。它并不怎么涉及意识或主观性,更偏向于一种 客观的、可重复的物理过程。说它唯心?那还差得远。

二、量子力学中的“观察者”:测量问题与波函数坍缩

问题就出在量子力学上了。这是“观察者”概念变得复杂、甚至有些“怪异”的地方,也是引发关于唯心主义讨论的根源。

在量子力学里,微观粒子不像经典物体那样有确定的位置、动量等属性。它们更多地是以一种 概率波 的形式存在,用 波函数 来描述。波函数包含了粒子所有可能的性质以及它们的概率。比如,一个电子可能在空间中的许多地方“同时”存在,但每处的概率不同。

这时,“观察者”或者说 测量行为 就扮演了一个关键的角色。根据量子力学的“哥本哈格解释”(这是最主流但也最具争议的解释之一),当一个“测量”发生时,这个叠加态的波函数会瞬间“坍缩”,粒子就会“选择”其中一种确定的状态表现出来。

测量到底是什么? 这就是量子力学的“测量问题”。测量行为究竟是如何发生的?是意识的作用吗?还是只要有某种“相互作用”就够了?
观察者的角色: 如果一个量子系统在被“观察”之前处于多种可能性的叠加态,而“观察”之后它就变成了一个确定的状态,那么这个“观察者”是不是造成了这种转变?如果这个“观察者”指的是具有意识的生命体,那么这不就意味着意识在影响现实了吗?这听起来确实有点像唯心主义了。
宏观退相干: 现代物理学家对此有更细致的解释,比如 退相干理论。这个理论认为,量子叠加态之所以在我们宏观世界里看不见,是因为微观粒子与周围巨大的宏观环境(比如空气分子、光子等)发生了无数次的“弱相互作用”。每一次弱相互作用,都会导致量子态的叠加信息泄露到环境中,使得纠缠的粒子与环境成为一个整体。对于我们来说,我们能看到的只是与环境分离出来的、看起来是经典确定的“结果”,而不是那个微观的叠加态。
所以,是意识吗? 退相干理论倾向于认为,“测量”不一定需要有意识的观察者。任何足够复杂、能记录下微观信息(即使只是微弱的记录)的宏观系统,都可以看作是“观察者”或“测量装置”。你的相机、你放在那里的咖啡杯,如果它能与那个量子粒子发生足够多的相互作用,同样可能导致其状态的“坍缩”(或者更准确地说,是退相干)。

三、相对论中的“观察者”:时空观与坐标系

在爱因斯坦的相对论(狭义相对论和广义相对论)中,“观察者”也扮演着核心角色,但它的含义与经典物理的参考系类似,并且与时空紧密相连。

狭义相对论: 在狭义相对论中,所有惯性参考系都是等价的。不同的观察者(处于不同惯性参考系中的人)对时间和空间会有不同的测量结果,比如时间会变慢(时间膨胀)、长度会收缩。这并不是因为他们“主观感受”不同,而是因为时间和空间本身就是相对的,它们与观察者的运动状态有关。观察者在这里就是指一个以特定速度运动的测量系统。
广义相对论: 广义相对论将引力描述为时空的弯曲。在这种情况下,“观察者”的参考系可能不是惯性的,甚至是在弯曲的时空中自由下落的。观察者对事件的描述,仍然依赖于其所处的时空几何。在这里,观察者就成为了在特定时空几何中进行测量的实体。

相对论中的“观察者”是对时空性质的一种探索,它强调的是物理定律在不同运动状态下的普适性,而不是主观意识的作用。

四、回到“唯心”的问题

那么,物理理论中的“观察者”,尤其是量子力学里的,是否是唯心的说法呢?

从严谨的科学定义上来说,绝大多数物理学家会倾向于认为“观察者”不是唯心的。 即使在量子力学中,如果真的需要一个具有意识的观察者才能实现波函数坍缩,那也是一个基于特定(且非主流)解释的极端情况。主流的退相干理论已经为我们提供了一种非意识化的解释路径。

然而,这个概念的模糊性确实容易让人产生唯心主义的联想,原因有几个:

1. 语言的局限性: “观察者”这个词本身就带有主观色彩,容易让人联想到意识、感知等。但物理学中使用的“观察者”更多是一个技术术语,代表的是一个能够与量子系统发生相互作用并记录下某种信息的“系统”或“过程”。
2. 对量子现象的直觉冲突: 量子世界的概率性、叠加态等现象,与我们宏观世界的确定性、因果性直觉相悖。当一个微观粒子从“可能在此”变成“确定在此”时,人们很容易将其归因于某种神秘的、类似意识的“决定”。
3. 历史解释的遗留: 早期的量子力学阐释,包括波尔等人的某些论述,确实在“测量”和“观察者”的作用上存在一些含糊不清的地方,容易被解读为支持意识的优先性。

总结一下:

经典物理与相对论: 观察者更多是指参考系和测量过程,是描述物理量在不同时空背景下的取值,与唯心主义无关。
量子力学: 观察者(测量行为)是导致量子叠加态“坍缩”的关键因素。虽然早期存在意识作用的争议,但现代退相干理论倾向于认为,任何能够记录信息的宏观系统都可以充当“观察者”,而不必然涉及意识。

所以,与其说物理理论中的“观察者”是唯心的,不如说它是对“测量”这一概念在不同理论框架下作用和定义的深入探讨。量子力学中的“观察者”之所以引人注目,是因为它迫使我们思考“测量”本身究竟是什么,以及我们如何从概率性的微观世界获取我们所认知的确定性现实。它更像是对物质世界如何被我们“认知”的深刻反思,而不是对意识优先性的宣称。这个概念的复杂性,恰恰是物理学不断进步、探索未知世界的体现。

网友意见

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半夜睡不着,不请自来。

我争取从头说起,写一个中学水平能够看得懂的答文。太长懒得看的同学可以直接下拉到第五点。

短目录:1:电子双缝干涉实验;2:观察者效应的发现;3:观察者效应现象的物理意义;4量子擦除实验;5:观察者效应的机制;6:总结

先说结论:观察者效应揭示的问题本质,就是这个世界是遵循逻辑的。

对于量子物理的问题,应当从杨氏双缝干涉实验说起。

  1. 电子双缝干涉实验
    电子双缝干涉实验,在于一位先生开了个脑洞,在已知电子具有波的性质的前提下,他在想:如果让电子一个一个通过双缝装置,是否可以产生干涉图像。
    这个脑洞鸡贼的地方在于,双缝干涉的原理,是波通过双缝装置,被分成了两份,然后这两份波和自身产生干涉,形成干涉图像。
    而微观粒子除了具有波动性,还具有粒子性。那么单个电子,是否“被双缝装置分成两份”,就是关键点。
    在双缝实验中“波通过双缝”和“产生干涉图像”互为充要条件。
    做这个实验的人自己估计都不会想到,这个实验的结果,竟然是真的产生了双缝干涉图像。

    很快这个脑洞止不住之下,另一个实验就顺势被设计出来了,这个实验设计的初衷,是为了探究”电子是否真的同时通过了双缝“,所以就有了以下这个实验:
  2. 观察者效应的发现
    为了探究电子双缝干涉实验中,电子通过双缝的细节,脑洞停不下来的各位很容易就能想到一个实验,我们接下来称其为”观察实验“。
    实验装置很简单,在杨氏双缝干涉实验的基础上,在双缝上各自安装一个探测器,如果电子通过其中一个缝隙,则能被仪器记录下来。脑洞先生满心以为这将能够很好的解释杨氏双缝干涉实验问题。
    万万没想到,这一探测,出了岔子:
    当实验者试图探测电子的实际路径时,实验结果发生了改变,干涉图像消失了。
    这就是观察者效应。
    接下来我先简单解释一下观察者效应的物理意义
  3. 观察者效应现象的物理意义描述
    量子物理里有一个简单的共识,就是不确定性原理。
    题外话:目前来说我要反对Ivony
    学关于不确定性原理的解释:Ivony同学解释的不确定性原理,是基于测量会在一定程度上对系统本身造成扰动,而造成测量的不准确。这种情形是客观存在
    的,也是我们早期将不确定性原理翻译成“测不准原理”的出发点之一。但是必须要说的是,不确定性原理是有着严格的数学证明的,哪怕没有测量行为造成的扰
    动,不确定性依旧是客观存在的。具体的情形,就是矩阵数学中证明了动量和位置是一组不对易的量。同样的还有时间和能量。
    因而将这种扰动解释为不确定性原理的机制,是不严谨的。
    题外话结束
    不确定性原理体现在许多方面,而有一点,微观粒子的叠加态。
    简单的说,就是微观粒子如果可能存在A或B两种状态的话,那么在我们观察它之前,他是处于A和B的叠加态之中的。
    当然这对于某些非离散的状态,比如粒子的空间位置,也是成立的。
    薛定谔老人家提出著名的猫盒问题,就是试图否定这种叠加态的存在。当然我们说的杨氏双缝干涉实验证实了这种叠加态的存在。

    杨氏双缝干涉实验的基本形态,其实就是揭示了叠加态的存在:电子可能会通过缝隙A,也可能会通过缝隙B,但是只有这个电子既通过缝隙A,又通过B的时候,才会出现双缝干涉。这种情形就是叠加态。也就是我们说的薛定谔的猫又死又活。
    而这种叠加态并不难制备,应该说叠加态才是微观粒子最普遍的状态。
    而观察者效应,说的就是我们的观察让叠加态坍缩成某种A或B的确定状态的过程。
    这个坍缩是一个非常形象的词,在后面我会解释。

    在观察实验里,观察者效应,表现在:
    在我们观察电子的路径时,电子的路径通过缝A且通过缝B的叠加态消失,而转化为A或B的确定状态。
    而由于电子确定只通过缝A或者B,因而不会产生双缝干涉图像。
  4. 量子擦除实验
    我们接下来用这个同样脑洞大开的实验去试图解释管擦者效应。
    量子擦除实验的脑洞在于:如果我们观察了电子的路径,但是却处在一个没有人能够知道的情形——比如观察设备的输出和存储系统坏掉了,但是输入系统依旧完好的情形——我们是否可以看到干涉图像的出现。

    而量子擦除实验的结果是振奋人心的:虽然我们的探测器在工作,但是干涉图像依旧产生了!

    量子擦除实验告诉我们:是否存在观察者并不重要,重要的是,观察者知不知道
    或者说,严谨点的表述是,逻辑上来说,观察者有没有可能知道

    是不是感觉更唯心了?我可以先丢结论:并不是,而且恰恰相反,唯物的不行。这个我很快会解释。

    我们接下来去探究这一系列实验背后真实作用的机制。
  5. 观察者效应的机制

    先丢结论:逻辑,观察者效应机制存在于逻辑之中。
    至少基于杨氏双缝实验和其一系列的衍生实验,这个结论是十分明确的。

    我们把之前提过的几个概念都拿出来,其中会有一些有用的东西
    • 一个关键词:概率波。
    • 我们在杨氏实验中研究的叠加态,是电子的位置/路径,而电子的位置可以用概率波去描述
      最原始的杨氏双缝实验,“电子同时通过双缝”的说法,更严谨的表达是:电子的概率波同时通过双缝。
    • 观察的过程,本质上来说,是一个确定概率的过程

    就是这么一回事。观察的过程,在观察实验里,具体的说,就是:

    一开始,电子有一定概率通过缝A,也有一定概率通过缝B。而当我们的观察装置探测到电子通过缝A时,那电子就一定是通过了缝A而不可能同时通过缝B,反之亦然。


    Ivony同学提到观察会导致被观察对象的扰动,虽然不是能够从根本上去解释不确定性原理,但是用在观察者效应中是再好不过了。但是需要说明的是,Ivony同学提到的是观测手段对对象的扰动,而且近似于对其经典的物理状态,比如位置和动量的扰动,而这里所指的,是观测结果本身对对象的影响,而这种影响主要在概率上,而非某个确定的物理量。

    观察改变了电子的概率波站在空间中的分布。

    我们打一个比比方,在我们观察之前,电子可能出现的位置是一团云,概率云。中间密集,边缘稀薄。

    在杨氏双缝干涉实验中,我们实际就是发射了这样一朵概率云。概率云飞过双缝装置,被双缝分成两份,然后产生了自干涉,最终产生干涉图像。

    而在观察实验中,我们通过设备的观察,在设备探测到电子通过的一瞬间,我们确定了电子通过缝隙A。如果我们看得到概率云,就会发现概率云整个的体积缩小了,
    它全部出现在了缝隙A的范围之内——因为探测到电子就通过这里,缝隙A以外的地方电子出现的概率为零。这就是我们刚才说的,坍缩。概率云的体积坍缩了,变小了,我们可以简单的这样理解。只通过了缝隙A的概率云自然不会发生自我干涉,也就没有了干涉图像。

    而在量子擦除实验里,虽然我们观察了,但是我们依旧不知道电子会出现在什么位置。只要逻辑上不存在记录电子位置的可能性,概率云本身就不会发生坍缩。它依旧被双缝装置分成两份,分别从A和B中通过,然后自我干涉,产生干涉图像。


    观察者效应在于:我们从逻辑上排除了一部分可能性,重新确定了粒子状态的可能取值(值域),从而重新确定了概率。

    当然量子擦除实验也提示到一点:只要存在逻辑上能够获知观察结果的可能性,无论观察者本身是否利用了这种可能性,甚至是当前技术手段不能实验而仅仅存在于理论中的可能性,只要有,那么就不会产生干涉图像。
  6. 总结

    观察的行为本身,是对逻辑进行修正的概念。如果我们的观察无益于对观察的叠加态对象进行逻辑上的修正,那么观察就没有观察者效应的意义。

    因而我们说,观察者效应不是唯心的,而是严格的遵从于逻辑,是非常唯物的一种现象。

    增补 2016.4.29:我这里使用的唯心/唯物更多的是通识教育里的概念,并非是哲学术语。哲学术语里对于唯心/唯物的定义和我日常的理解是有所偏差的。

    我愿换一种表达方式:观察者效应是严格遵从一个客观的存在,并没有因人的意志去改变。

    另:指正了我关于唯心/唯物概念的Gaberber知友提到我这是比较「正统」的哥本哈根解释。这让我荣幸又惶恐,但是还是很不好意思的说,其实我一直不是很理解哥本哈根解释。我并非专业出身,整理这篇答文的时候加入了很多个人的想当然,在评论区内尤其。我一直觉得这篇答文里我提到的“观察修正逻辑”,其实大约相当于「微观现象被通过某种方式在宏观上造成影响,这里的某种方式就是观察」,不过这种拍脑袋下定义的方式很民科,大家笑过就好。

PS:对于观察者效应及其背后更根本的问题,学界应该说争议还是挺多的,无论是哥本哈根解释也好,或者后来出来的林林总总的各种假说,再到最近很热门的退相干,包括我自己在上面认同的观点,到目前为止都只能算是假说,缺乏决定性的证实,或者说是”诸多假说的一种”。

但是就观察者效应本身,这种解释目前来看是自洽的,而且并没有引入很多的其他假设。


我在正文之中并没有体现"假说”这一点,这是不严谨的,不过为了行文的流畅性,只好把这放在这里来说明了。

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关于薛定谔的猫的思想实验请参考我的这个答案:

怎样解释「薛定谔的猫」,能让一个没有高中数学基础的人理解?

事实上这种困惑很多人都会有,而我觉得根本的原因在于,人有发达的视觉。是视觉让我们产生了一种错觉。

这种错觉就是,似乎我们可以在不影响一个东西的情况下,对其进行测量


只要看破了这一点,量子力学的不确定原理(也就是测量导致结果变化),便一点儿也不神秘。

试想一下,假如你没有了视觉,你将如何观察这个世界?

或者更简单一点,面前有两堆粉末,其中一堆是糖粉,而一堆是面粉,请问你如何才能知道哪堆是糖粉?

舔一下对吧,没错,舔一下,味觉就会告诉你哪个是糖粉。但是别忘了,在你舔舐的时候,将不可避免的破坏你所舔舐的那堆粉末。。

而且,你怎么能确保你没有舔舐过的粉末,也是糖粉呢?

最终,为了证明这堆粉末都是糖粉,你只能完全的摧毁它,把它吃到肚子里,,,,



事实上,大多数的测量,都会存在副作用,只不过可见光的能量实在太低,我们的视觉实在是过于敏感,光,在很多时候可以让我们无损的对一个物体进行测量。

但,这只是一个错觉,光的能量再低,也有能量,当我们把视角放到电子的尺度,光的能量将不能忽略,任何测量将不可避免的改变被测量的物体

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