量子物理学中对物质和意识的研究

一个人是我们称为「宇宙」的整体的一部分，是一个被限制在时间和空间中的部分。他体验到自己的思想与感情，体验到自己的存在与宇宙的其余部分不同——但这只是他意识的一种错觉。

爱因斯坦

变动不居的物质

银河系中很少有地方比汤姆•罗森鲍姆实验室里那个氦稀释致冷机更冷。那是一个房间大小的圆形装置，有许多圆柱形管子，温度可以降低到只比绝对零度（即近乎华氏零下四百五十九度）高几千分之一度。换言之，比外层空间的最远处还要冷上三千倍。要达到这温度，需要让液态氮和液态氦先绕着致冷机流转两天，再用三个帮浦不停猛压入气态氦。由于几乎没有一丝热度，原子在致冷机里的前进速度慢如乌龟。在这么冷的环境下，宇宙的运动趋近于停摆，犹如是科学家制造的极冷地狱。

绝对零度是罗森鲍姆这一类物理学家的最爱。罗森鲍姆四十七岁便是芝加哥大学物理系的杰出教授，并担任过「佛兰克研究所」所长。他是实验物理学家中的尖兵，喜欢探索「凝聚态物理」中无现象的极限，透过打乱液体和固体的基本秩序，研究它们的内在运作。在物理学中，你若是想知道某物的行为模式，最好的方法就是让它不自在，看看会有什么事发生。换言之是先打乱它的秩序（一般方法是加热或施加磁场），再去观察它是怎么反应，以及原子会选择哪一个自旋方位（又称磁定方向）。

大部分凝聚态物理学家都喜欢研究对称的系统，比方说结晶固体，因为它们的原子排列得整整齐齐，就像蛋盒里的鸡蛋。罗森鲍姆却偏偏喜欢无序的奇怪系统（传统的量子物理学家贬称这种系统为「脏污」）。罗森鲍姆相信，透过研究「脏污」，我们可以揭开

量子宇宙未知的秘密。他乐于在这个没有地图的地域航行。正因为这样，他喜欢接受自旋玻璃的挑战。自旋玻璃是一种带有磁性的奇怪结晶体，近乎是一种流动缓慢的液体。与一般结晶体不同（一般结晶体的原子都是朝同一方向排列），自旋玻璃的原子皆我行我素，极端混乱无序。

使用极低温去减缓这种奇怪结晶体的原子的运动速度，让罗森鲍姆可以把它们看个仔细，逗引出它们的量子力学本质。当温度接近绝对零度，自旋玻璃的原子会近乎静止不动，开始表现出一些新的集体特质。他发现，一冷下来，这些原子就不会再像室温中的样子，即不会再各行其是，而是变得协调一致。

研究分子在不同环境中的群体行为，对我们了解物质的本质至关重要。所以，对想展开发现之旅的我来说，罗森鲍姆的实验室无疑是最适合不过的起点。在这里，在超低的温度下，一切都以慢动作上演，宇宙最基本成分的本质说不定会因而被披露。我想要找到证据，证明物理宇宙的基本成分（它们被咸认为已经定型）是可以发生根本改变的。我也好奇，观察者效应之类的量子行为会不会发生在次原子的世界之外——即发生在日常生活的世界。古典物理学认为，世界所有的物体与生物都是固定的实体，只有透过牛顿式的「蛮力」，才可予以改变。但罗森鲍姆在他致冷机里取得的发现，说不定能提供重要线索，说明世界上所有的物体与生物是可以由意念的能量所影响，甚至改变。

根据热力学第二定律，宇宙中的任何物理过程，必然是从较大的能量状态渐减为较小的能量状态。例如，投掷一块石头到河里会产生涟漪，但这涟漪会逐渐变小，最终停止。一杯热咖啡摆久了必然变冷。任何事物无可避免都会分崩离析，换言之，任何事物的旅程只有一个方向：从有序走向无序。

但罗森鲍姆相信，事情未必绝对如此。根据他近年对无序系统的研究，某些物质在某些环境下会违背「熵法则」，也就是变得更加紧密而不是更分崩离析，亦即可以从无序走向有序。

有十年时间，罗森鲍姆和他在佛兰克研究所的学生一直对一小块氟化锂钬盐进行实验。在他的致冷机里放着那样一片玫瑰色结晶，它不比笔尖大，被包裹在两层铜线圈里。罗森鲍姆对自旋玻璃做过许多年实验以后，被这种地球上最自然的磁性物质所吸引。因为当它的内部结构被改变得面目全非，变成一种无序物质之后，最是适合用来研究无序状态。

氟化锂钬盐由钬结合氟和锂（周期表里的第一种金属元素）而成。结合出来的氟化锂钬盐是种高度有秩序的物质，每一个原子就像微型罗盘一样，全都指向北方。罗森鲍姆蓄意破坏盐块的结构，交代助手一次一点，挖掉里头许多的钬原子，改放入钇, 一种不具天然磁力的银色金属元素），最后得出奇怪的合成物，称为「四氟化钇锂钬」。

在除去合成物几乎所有的磁性成分后，罗森鲍姆创造出一种类似自旋玻璃的混乱状态，里头的原子全都各行其是。他透由非计划性的方式，创造出诡异的新台成物，灵活地操作类似钬这种元素所拥有的基本特性，这过程有点类似最终以物质来控制物质本身。靠着这种新的自旋玻璃台成物，罗森鲍姆几乎可以全凭喜好改变合成物的特性：让所有原子都指向同一个方向，或是以某种随机模式冷冻它们。

然而，罗森鲍姆的无所不能却碰到了限制：他无法使他的合成物遵守基本的热力法则。

不管他把致冷机温度降得多冷，里面的原子就是拒绝排列整齐，犹如一支不肯齐步走的军队。如果说罗森鲍姆对自旋玻璃来说是万

能的上帝，那合成物就是不听话的亚当，倔强地拒绝遵守上帝设定的根本大法。

对这种奇怪现象同样好奇不已的是罗森鲍姆的女学生莎亚坦尼•高希------ 位有明日之星架势的博士候选人。高希是印度裔,

以一级荣誉学位毕业于剑桥大学，然后在一九九九年选择了罗森鲍姆的实验室进行博士研究。她几乎马上就得到了温策尔奖——这奖项是芝加哥大学物理系每年一度颁给最优秀的第一年教学研究助理。高希年仅二十三岁，一头浓密黑发，乍看性格腼腆，但科学才华却让同侪与老师惊艳，有本领把复杂的物理学观念讲解得清楚明白，让大学部的学生亦能理解。温策尔奖设立二十五年来，她是第二位获奖的女性。

根据古典物理学的定律，对一物质施加磁场，会打乱其原子的磁排列。而物质受磁场影响的程度被称为该物质的「磁化率」。一般情形是，如果无序的物质受到磁场影响，通常会反应一段时间，激烈程度上升到一个水平后便稳定下来，再随着温度降低或磁场到达磁饱和而下降。这时，原子将无法再按照磁场的方向蹦跳，速度也会减缓。

在高希进行的第一轮实验中，四氟化钇锂钬的原子一如预期，在受到磁场的影响下变得非常狂野。不过，随着高希把磁场增强，奇怪的事情发生了：她把频率调得愈高，原子蹦跳得愈快。犹有甚者，原本漫无秩序的原子竟开始指向同一个方向，就像是正在集体行动。然后，二百六十颗原子形成「摆荡」，同时朝一个方向或另一个方向旋转。不管高希再怎样加强磁场，原子彼此就是顽固地排成一线。这种自我组织持续了十秒。

起初，高希和罗森鲍姆猜想这种奇怪反应是剩下的钬原子在作怪。众所周知，钬是世界上少数几种长程内力磁力最强的物质之一，