科学的逻辑

作者:碳原子516

在大多数现代人的印象中,世界的真实性是一条无需证明的真理,因为这是人们显而易见的对世界的印象。我们周围有与自己非常相似的他人,我们的太阳只是银河系中一颗很普通的恒星,甚至我们的银河系也在宇宙总星系中毫无特殊之处。

从哥白尼开始,我们就已经了解到,我们不是宇宙的中心,甚至不是太阳系的中心,因此,我们很自然的认为,每个人的存在,至少对宇宙来说是无关紧要的,在每一个人周围存在着一个巨大的外部世界,我们是尘埃一样微不足道的存在,我们对世界的干扰同样也是微不足道的,甚至可能是无限小的。这样的观念符合几乎每一个现代人的经验,因此,我们毫不怀疑,世界是真实的,这一观点甚至可以上升为一条公理,也就是宇宙学原理。通俗来讲,宇宙学原理说的是在宇宙中没有任何一个点比其他点特殊。将宇宙学原理与广义相对论结合就可以得到大爆炸解,它做出的多项预言与现代天文学观测精确相符,这显然更加深了我们对世界真实性的信心。

然而,在另一个极端尺度上的理论中,我们对世界真实性的信心似乎受到了挑战,它来自用来讨论微观粒子运动的量子力学的领域。在量子领域中,存在许许多多奇特的,至少在观念上不可思议的现象,世界是否是真实的也是其难解的谜题之一。

量子的出现挑战着我们的传统思维,在量子领域中,最神秘的,与我们传统观念冲突最激烈的莫过于四个概念:叠加、测量、隧穿、纠缠,而这四个概念都可以从一个词中引申出来:几率幅。依据量子论的逻辑,世界表现出什么样的性质取决于我们如何去观测它,也就是说,当我们用不同的实验装置去观测同一个过程,会得到不同的结论。最经典的例子就是电子在不同实验装置中的行为。当我们用威尔逊云室去观测它,发现的是一个粒子运动留下的径迹,而如果用双缝来观测,则会在屏幕上留下波的干涉条纹。这样的实验似乎在告诉我们,至少在微观领域,世界的真实性是不确定的,我们无法斩钉截铁的说,世界就是这个样子而不是那个样子。我们甚至不能去问,世界到底是什么样子,因为不同的实验方式得到的是不同的结果。喜欢看推理小说的人一般会信奉一句话:“真相只有一个”,然而在量子世界里,真相似乎不止一个,我们不知道电子究竟是一个粒子还是一个波。我们甚至可以用这样的逻辑说,如果真相不止一个,那就无所谓真相,或者说不存在真相了。

在量子论之前的一切我们用来描述世界的理论中,理解外部世界的基本概念,如尺子的长度或钟表的快慢似乎是一个相对的概念,国际单位制中的长度单位“米”和时间单位“秒”带着浓厚的人为规定色彩。我们甚至可以想象,如果我们可以变大或缩小,我们的视角可以停留在不同的空间或时间尺度上,观察在某一特定尺度上的现象,似乎应该预见到,在不同的时间和空间尺度上,物理规律是一样的。可是量子论的出现终结了我们这种尺度相对性的观念。我们可以通俗的说,当量子现象不明显时,对应的是宏观世界,而量子现象明显表现出来的尺度就是微观世界,量子世界中的普朗克常数将我们观念中的相对概念变的绝对化了。

这样,在我们的头脑中就会同时存在两个尺度上的两种印象:描述宏观的经典的物理理论如牛顿理论、麦克斯韦理论和相对论告诉我们,世界是真实的,连续的,确定的,而在描述微观的量子领域,世界是模糊的,跳跃的,随机的。

我们可以这样说,宏观事物是由微观粒子组成的,因此可以认为,宏观规律仅仅是微观现象在粒子数非常多时的一种极限情况,甚至可以说,宏观现象是微观的统计平均。这样一来,世界的真实性就蒙上了一层阴影。因为从统计的角度来说,不同的微观状态可能会得到相同的宏观现象。就像一杯处在平衡状态的水,一般来说,描述它的宏观量是温度、压力和体积,但是许多不同的微观状态可以得到相同的宏观状态。这样,描述一个宏观的热力学平衡态就需要第四个宏观量:熵。它描述的是具有相同温度、压力、体积的一杯水可以有多少组不同的微观状态。然而我们并不能完全确信,系统的某个微观状态是否是真实的,因为它表现出什么样的性质取决于我们的测量方式。

在哥本哈根的解释中,观察者具有某种特殊的地位。因为根据冯诺依曼的推断,如果用一个仪器测量某个微观系统,体系的不确定性会转移到测量仪器上,如果把仪器包括进来,整个系统的波函数并没有坍缩。然而如果最后一个测量仪器是一个有生命的观察者,他却不会处于不确定的状态,似乎观察者与某个没有生命的测量仪器存在某种本质的区别。观察者的这种特殊地位让我们回想起了古老的地心说。从量子论的统计诠释以及观察者的特殊地位之中,我们的嗅觉似乎嗅到了一丝熟悉的味道,也让我们的观念似乎倾向于支持爱因斯坦的观点,也就是说,量子论应该是不够完备的,一定是因为漏掉了什么关键的东西,才让我们来到这样一个进退两难的地方。

克劳瑟与阿斯派克特关于贝尔定理的一系列实验,又将我们的观念逼到一个更加狭小的空间里。他们的实验证明了,定域隐变量理论是不存在的,要么放弃世界的实在性,要么放弃定域性。如果放弃实在性,我们又回到了玻尔的框架里,不得不认为,世界并不是真实的,这与我们每个人的传统观念存在着激烈的冲突,如果不惜一切保留实在性,放弃定域性,又没有任何一个现代实验能让我们可以超过光速的传递信息,我们对定域性的放弃同样缺乏证据和底气。

当我们在量子的世界里走了一圈后发现,量子论带给我们的只有思考,而没有结论。或许某一天,在世界的某个地方,会出现一个新的贝尔,发现一个能够用来甄别定域非实在论与非定域实在论的实验原理,从而将我们从思辨的泥沼中拯救出来,重新踏上坚实的土地。而在此之前,我们对量子论描绘的图景,似乎只能是尝试去适应了。

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