基于量子物理的信息本质及其部分特性的思考

严博丰

中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074

摘  要：信息学在现有科研体系下长期作为一门应用科学，与电力电子、通信等学科高度关联；而对信息本质的理论研究则往往陷入对具体现象、概念的总结归纳，缺乏一门工具学科对其进行深入、定量的研究。通过对量子物理学科的一系列实验的归纳总结，可以找到信息理论与物质科学研究的交叉点，为信息学的研究开拓了新的方向。

关键词：信息学；量子物理；量子物理实验；信息能

                                                             作者简介

严博丰，男，1993年出生，硕士，国家电网，中国电力科学（武汉）研究院，工程师，高电压与绝缘技术。

一、引言

在传统观念下，“信息”一般被视为与“物质”完全不同的概念[[1]]，因其具备一般物质不具备的特殊属性，在对信息进行理论方向的研究时，往往只是从具体的现象出发，对信息进行“定性”的讨论，而缺乏“定量”的手段。为了在信息学“定性”的理论研究中，加入传统科学“定量”的工具和研究思路，有必要找到信息学理论研究在传统科学中的切入点。而量子物理领域的一系列思想实验与物理现象，体现了传统意义上信息观测与一般物质的联系，很适合作为这一交叉研究的起点。通过对量子物理实验现象的研究，可以揭示信息传递与物质状态的内在关联，为信息学的定量研究提供理论基础。

二、观测行为对微观世界物质的影响

这里首先引入一个经典的量子物理领域思想实验：“薛定谔的猫”[[2]]。该实验将原子的微观世界状态放大到宏观世界，通过观测猫的生死状态来使“原子-猫”体系的叠加/坍缩状态便于观测和理解。那么借助这个实验，我们可以得到一个微观世界的物理规律：通过观测行为，能够使量子叠加态的物质转化为量子坍缩态的物质。而在整个过程中，观测者并未对整个体系施加任何宏观物理上的影响，而实验前后唯一的变化，是观测者获得了猫的生死信息。那么通过观测行为，我们可以得到一个直观的等式：

1   严博丰（1993- ）男，硕士，工程师，高电压与绝缘技术

叠加态物质=信息+坍缩态物质                      （1）

要注意的是，虽然“薛定谔的猫”实验将微观世界放射性原子的观测过程这一抽象的概念转化为猫的生死这一宏观世界的具体概念，但是在宏观世界是不存在既生又死的猫的，宏观世界的物质无论是否观测并发出信息，其状态都不会变化，因此这一等式的应用领域仅存在于微观世界量子物理领域。

从该等式我们可以感受到，在微观世界，信息和物质本身是可以相互干预的，叠加态物质和坍缩态物质从量子物理角度明显属于两个不同的体系，而促成这个体系变化的因素就是人的观测。那么信息与物质之间的联系，关键点就在于观测前后，叠加态物质与坍缩态物质之间是否存在能量的差异。而量子力学经典实验斯特恩-格拉赫[[3]]实验则对此给出了解答：对于磁场中自旋的电子，当其处在叠加态时，不具备自旋动能；而当其自旋方向被确定后，电子就得到了确定的自旋能量，且这一能量的变化体现在观测结果中：观测下的原子束分裂为 两条，说明电子具有内禀角动量（自旋），且沿磁场方向仅有两个离散取值。那么这个相差的能量就可以简单理解为通俗意义上的“信息能”。

三、微观世界信息行为及其表现出的特性

如果以上的假设成立，即微观世界中信息与物质之间确实存在确定的关系，那么就可以通过具体的物理现象来进一步明确这种关系。量子擦除实验是基于杨氏双缝干涉实验[[4]]在量子力学领域的进一步拓展，在量子擦除实验中，通过引入高速摄像机对光子的运动状态进行观测，使光子表现出了不同的特性。这一变化直接改变了光子的运动路径，体现了观测行为对物质世界的直观影响，但是如果不引入高速摄像机，仅用肉眼观测双缝干涉条纹，则干涉条纹不会消失，光子的特性不会改变。不管是肉眼观测，还是使用高速摄像机观测，这两种行为均获得了信息，但是对物质的影响截然不同，由此可以得出，信息在宏观世界和微观世界体现出来的特性不同，这一特性类似于光的波粒二象性：即在宏观世界，信息与物质之间相对独立，是否观测，物质是否发出信息对物质本身并无影响；而在微观世界，信息表现出一定的物质特性，观测行为使物质发出信息的同时，物质本身的性质也发生改变。

这里也可以得到等式：

波动性光子=信息+粒子性光子                      （2）

由于在观测光子运动状态的过程中，对光子施加的影响非常明显，进一步我们对这一过程做定量分析：将观测者增加，例如将高速摄像机从一台增加到两台，再增加到十台甚至更多，显然的，光子的状态不会进一步变化。反过来，如果调整通过双缝的光量，使一台高速摄像机观察一个或有限多个光子，那么这多个光子的状态也会同时发生改变，即双缝干涉条纹依然会消失。由此导向一个结论：无论有多少观测者，单一物质发出的信息能的量不会变化，信息的内容也不会变化。即物质发出的信息仅与物质本身有关，与观测者无关。

除了双缝干涉实验外，“测不准原理”[[5]]则从另一角度印证了信息和物质之间的关系，即式（1）代表的转化关系并不总是成立。具体到特定的案例，电子的位置无法被无限精确观测，我们只能知道电子在某一位置出现的概率，而非经典意义上的“确定轨迹”。如果信息能够独立于物质，那么无论物质是什么，其特性如何，只要进行观测活动，那么总能得到观测行为对应的信息。例如：只要高速摄像机精度足够高，就能观测到电子的具体运动轨迹，而量子系统的的不确定性否认了这一观点。也就是说，物质能够发出的信息受到物质本身性质的影响。值得注意的是“测不准原理”仅限定微观世界，也就是说只有微小粒子发出的信息会受到物质本身的限制。那么结合发出信息/观测行为对物质本身的影响，推论出信息能的一个特性：信息能与物质能之间存在转化关系，发出信息这一行为使物质损失了能量，导致物质状态发生改变。进一步的，如果发出某些信息会导致物质损失能量过多，导致物质本身无法以任何形态存在，那么这一信息无法发出（测不准原理）。

四、结论

通过对量子力学一些实验现象的分析和推论，可以得出微观世界量子物理领域中信息的一些特性，包括：

1.     信息在宏观世界和微观世界表现出不同的特性，类似光的波粒二象性，在微观世界中信息表现出一定的物质特性。

2.     物体发出的信息能仅与发出信息的物体本身相关，与观测者无关。

3.     信息能与物质能之间存在转化关系，物质本身持有能量接近或者小于特定信息能的物质无法发出对应信息（无法准确观测）。

上述特性体现出微观世界中，信息和物质之间存在某种确定性的联系，信息世界与物质世界并非相互独立，这对于后续信息学的研究方向可能有一定引导作用。

1   严博丰（1993- ）男，硕士，工程师，高电压与绝缘技术

参考文献

[[1]] 李宗荣,张勇传 ,周建中,等.理论信息学:概念、原理与方法(Ⅰ/Ⅵ)[J].医学信息,2004,(12):773-785.

[[2]] 史建新,陶平.“薛定谔猫佯谬”与量子力学新进展[J].科技信息,2010,(36):122+124.

[[3]] 汪亚平,宁长春,次仁尼玛,等.将斯特恩-盖拉赫实验引入大学物理教学[J].物理与工程,2019,29(06):3-11+33.

[[4]] 朱明宇,张晓磊,钱静.历久弥新的双缝干涉实验[J].物理教学,2022,44(07):71-77.

[[5]] 邓文基,许运华,刘平.测不准关系和最小不确定态[J].物理学报,2003,(12):2961-2964.