物理学家的世界观 先来介绍一下物理学家通常所持有的世界观，这里的“物理学家”指的是传统意义上投身于探索宇宙真理的那些人，而不是只把做物理当成一个饭碗的“物理学工作者”。 从实在性方面，物理学承认物质世界要高于精神世界（注：在西方思想的传统中，物质、精神的明显对立起源于笛卡尔）。传统上这种高下区分可以追溯到伽利略、波义尔等人，他们认为广延、不可入性、运动、静止是第一性的、基本的，而颜色、声音、气味等属于第二性的、派生的，以此建立机械论物理学，试图将物体的广延看成物质的本质属性，用物质微粒的机械性能和空间形式组合去说明自然物的一切特性。进而，物质高于精神的观念影响到了所有学科，科学家试图描述、解释所有属人的活动：视觉触觉等各种感觉，乃至各种心理活动——“视觉是光进入眼睛，达到视网膜，触动神经，进入大脑……”。关注于物质世界，试图从物质的方面来看待一切现象，构成了物理学的一个本质属性，正如“物理”这个汉字组合所表明。 物质高于精神的主张的背后是对确定性的追求：物质是确定的、死的、不易变化的，人人都能看见。而精神是难以捉摸的，转瞬即逝，本质上是属于个人的，正如种种心理状态和情感起伏，旁人则无法理解。类似地，物理学家还有其引以为豪的“可检验性”、“可重复性”等等。与之相比，其他的理论体系似乎成了迷信——算命缺乏可检验性，中医缺乏可重复性。 确定性最强的是纯数学，因为它无非是逻辑，人们可以定义对象、创造公理，给出相应的推论，而不在乎这些理论在实际中有没有用处。而最初人们排斥颜色、味觉而亲睐形状、运动，其原因正是在于后者可以用数学描述。物理学从诞生之初就与数学密不可分，两者互相推动彼此的发展。物理学因此而显现出巨大的威力。 数学家渐渐学会处理高维空间的微积分乃至无限维空间，物理系统的状态就被描述为空间中的一个点，物理系统的运行规律则用微分方程来描述。给定初始值之后，系统的运作就能被确定地描述，即状态空间中的一道曲线。这种方法展现了巨大的威力，当今人们可以靠数值模拟技术来设计最复杂的飞行器、最复杂的建筑，极大地拓展了人们的视野，人们开始感到，似乎没什么是不能模拟的。 这种思想，可以抽象为“状态+演化规则”的模型。对于一个系统，人们只要找到合适的数学语言刻画其可能的状态，再找到合适的演化规则，就能预言今后的所有进展了。这种抽象的公理化的科学发展范式，渗透到了所有学科中，就连经济学、生物学等也纷纷提出各种“规律”、“法则”乃至“第一原理”。同时，科学家们总在追求理论的“自洽性”和“完备性”。自洽即理论内部互不矛盾，完备即一个理论能解释所有情况。这样，科学家的最终梦想就是创造出“终极理论（Theory of everything）”，当然只是局限于自己学科领域之内的。 由于一种普遍存在的“还原论”信念，物理学一般被视为最基础的学科，因为它研究的是最基本的、微观的物质作用，正如一种不乏拥护者的说法“物理学是化学的基础，化学是生物学的基础，生物学又是心理学、社会学的基础……”。所以相比其他学科，物理学家在逻辑严格性方面有着更高的要求，他们中有更高的比例是理性主义者，更加相信用理性发现或制造出来的真理。物理学的每个规律都被整合进一个更宏伟、涵盖更广的理论体系，被称为“经典物理学大厦”：物理学家将一个体系描述清楚以后，用“状态+演化规则”的组合，开始谈论到“理论上我们能预测未来，剩下的只是计算精度问题”，甚至相信他们所发现的理论“就是”世界的真实，因为它们能解释越来越多的现象，所以理论上似乎就能解释所有现象——世界上不再有神秘的原因，不再需要上帝，不再有运气。这种实在论发展到极致，便成了拉普拉斯式的决定论 设想有位智者在每一瞬间得知激励大自然的所有的力，以及组成它的所有物体的相互位置，如果这位智者如此博大精深，他能对这样众多的数据进行分析，把宇宙间最庞大物体和最轻微原子的运动凝聚到一个公式之中，对他来说没有什么事情是不确定的，将来就像过去一样展现在他的眼前。 量子物理对经典世界观的颠覆 1. 早期的观念铺垫 随着经典物理学的发展，人们仍然贯彻着机械论的思想纲领。谈到构筑世界的基本物质微粒，人们总是以其位置和速度为最基本而确定的属性，除此之外还有质量——由引力效果或加速作用来定义。而其他的直观属性因为其缺乏普适性而被排除在基本属性列表之外，正如水没有硬度，铁块或铁水也不好说湿度一样。 然而，对于光这种古老而神秘的现象，科学家对其本性一直有着争论，自古希腊以来直到19世纪大致可以分成两派：一种观点是认为光是某种物质的运动（姑且称之微粒说），仿佛从光源射出许许多多微小的子弹；另一种观点认为光是某种状态的传播而非有实在物质的转移（姑且称之为波动说），类似于石头投入水中产生的涟漪。到19世纪麦克斯韦的时代，人们已经普遍确定光是一种波动：类似于水波，它有干涉、衍射等中学物理课本上学过的现象，同时麦克斯韦从电磁现象的规律推导出电磁波的速度和光速接近，进一步肯定光是一种电磁波。 然而，由于机械论、还原论思想的残留，人们无法接受没有物质基础的抽象的数学波。人们仍然相信，光波就像水波一样，是一种精微物质的某种振动。在当时，它被称为以太。看来人们只有将事情还原到具有确定位置和速度的物质才会觉得安心，因为在物理学家的头脑里，世界根本上还是物质的，而物质是死的、确定的。 另一方面，人们对物质本性的研究让人们认识到了非常微小的粒子。“原子（Atom）”就其字面意思来说是“不可分割的（?τομο?, indivisible）”。在放射性的研究中（贝塔射线），电子也被人发现了，人们开始意识到物质的基本建筑单元正是这些粒子，自然而然地用飞行于空中的子弹来想象这些过程，并套用牛顿运动定律“力等于质量乘以加速度”，这个图像一直以来都没什么问题。 2. 量子力学对物体性质的颠覆。 19世纪末，以爱因斯坦成功解释光电效应为代表，人们发现了光的量子效应，即光的发射是一份一份发出的，似乎像一个粒子。而同时迈克尔逊干涉实验发现光波的基础媒介以太似乎没有“静止”和“运动”的分别——它不像一般具有位置和速度的普通物质。 更令人惊讶的是，在1924年，德布罗意提出，电子也应该具有波的性质，随即不久实验物理学家就观察到了电子的衍射现象。人们发现，原以为是波的东西有粒子的性质，原以为是粒子的东西的有波的性质。过去的世界观开始动摇。 干涉和衍射现象是波的特有现象。这里以双缝干涉实验为例，就好像同时在两个位置来扰动水面产生水波，两列波会互相叠加、消长，产生明暗相间的干涉条纹。对电子双缝实验来说，这相当于用子弹射向有两个洞的挡板，之后打到背后的墙上。而干涉条纹意味着，“有”加上“有”的结果可能是“没有”！（细节请参考著名的双缝实验。）电子有干涉现象，这说明组成物质的基本微粒在极小的尺度下不具有确定的位置和速度（准确说是动量），你不能说“它是沿某一条明确路径运动”的。它似乎是“弥散”的，就像波一样。这时，物理学家出于本能想问一个问题：这边明确发出电子，经过两道缝之后，那边明确探测到电子，但是在中间，电子“到底”是沿着哪条路径飞行的？科学家想办法在中间加上一个所谓的“哪条路检测器”（which-way detector），可是它打开进入工作状态的时候，干涉条纹竟然消失了！电子重新表现的像一个经典的子弹。（参考：电子衍射图） 对此，成熟量子力学的正统解释是，在没有测量发生的时候，状态是按照“波”的方式演化的，从而有着干涉的现象；而一旦测量，这个“波”便瞬间坍缩为具有确定测量结果的状态（类似于粒子态），变成了屏幕上的一个亮点。 而在成熟的量子物理学出现之前，曲折探索的先驱们发明了一系列的名称来试图描述这些规律：波粒二象性指所有粒子都同时具有波和微粒的性质（最初主要指光的本性）；互补性原理（complementarity principle）尝试说明波性和粒子性之间矛盾但而互补的关系；海森堡不确定性原理（Heisenberg’s uncertainty principle）俗称测不准原理，试图说明没有绝对确定的位置和动量是物质的固有属性——世界本身就是不确定的，而非仪器测量精度所限。 思维惯性是如此强大，人们并不能接受、消化这种“不确定”的观念。“掌控宇宙运行的上帝竟然会掷骰子？”对此爱因斯坦也无法完全接受，提出了被称为EPR佯谬（EPR paradox）的思想实验来试图说明量子物理的矛盾（以下是玻姆简化版）：加速器中产生了一对正负电子，根据角动量守恒定律，我们能知道电子的自旋互为相反，但是按照量子力学，我们不能假设在电子被观察以前就具有确定的自旋状态，而必须假设它们处于某种“不确定”（波）的状态，一旦测量其中一个电子的自旋，其状态从不确定的波态立即坍缩为确定的“粒子态”（数学上称为本征态），那么，不管两个粒子相隔多远，另一个电子的状态也立即坍缩为确定态（因为守恒律）。这样一来，此处的行为似乎就瞬时影响了彼处的状态，无论彼此相隔多远！ 贝尔把这个思想实验转变为可以在实验室实际检验的实验：他假设，当两个粒子向相反方向出发的时候，上帝就给每个粒子安排了确定的状态，即假设每个粒子身上具有明确但未知的某种状态决定着自旋测量的结果。据此，他推导出实验的统计规律会满足一个不等式，即贝尔不等式（Bell’s inequality），而按量子力学的理论，不等式将会被违反。几十年过去了，人们不断改进实验技术，发现贝尔不等式总是被违反的，量子力学的预测总是对的。由此，人们从实验上更明确地证实了，我们不能认为在粒子身上具有某种虽未知但确定的状态决定着测量的结果。或者用物理学的术语说，不存在定域隐变量。 地球这一边的一个动作，竟然能瞬时影响到地球另一端？乃至能瞬时影响到银河系的另一端？事情的发展竟然会因为你的看（观测）而呈现不同的规律？看起来我们像是处在科普工作没有充分开展的蛮夷地区。但这就是量子力学的理论所告诉我们的东西。 3. 对“客观世界”的颠覆 如果把近代科学简化成“状态+演化规则”的话，以上的讨论还只是在这个框架内部的调整——我们仍然可以在用数学上定义明确的状态和演化规则来演算。而薛定谔的猫（Schrodinger's Cat）的则带给人们更具颠覆性的思考。 密封的盒子里有一个有50%的几率会衰变的原子，还有一只猫。那么我们设计这样一种杀猫装置：如果这个原子衰变就把猫杀死，反之猫还能好好活着。现在问题来了，根据正统的量子力学（哥本哈根诠释），在对盒子内的情形进行观测之前，原子处于“衰变”与“未衰变”的叠加态（类似于波），这样，猫也处于“活”与“死”的叠加态。直到我们打开盒子的那一瞬间，猫从“死活叠加态”坍缩到明确的“活着”或“死亡”的状态，量子力学的解释跟我们的常识相悖。 如果我们切换到猫的视角，一切就很平常——要么被杀死、要么还活着。猫能直接感受到这么大的差别，这相当于进行了测量。然而，对于处在盒子外面的实验者来说，只有打开盒子，才可以说猫“死”或者“活”。这里，我们还可以产生更多联想，实验者打开了盒子，知道了猫的生死。可是对于实验室外面不知道实验结果的人或者猫来说，实验室内的猫和人却又是处在一种猫生猫死的叠加态，直到他知道结果。这被称为魏格纳的朋友（Wigner’s friends）思想实验。 这个假想实验曾经激起了人们无穷的遐想，它似乎告诉人们，世界是什么样子是一个主观的东西。而科学家也不闲着，尝试给量子物理学找到各种合理解释，来维护科学的完备性。例如，“退相干”（Decoherence）理论提出，实际上没有完全隔绝的盒子，盒子内外微小的相互作用已经破坏了猫的“死活叠加态”，成为了“非死即活”的经典态。这相当于说，猫被杀死的过程中，诸如杀猫装置的运动、猫惨叫、倒地等等宏观过程实际上早已经把猫死活的信息泄露给了外界（这个“外界”指什么？宇宙的意识吗？）。但是，如果我们把盒子内外的一切（包括实验者本人）都当做一个量子系统的话，那么猫死的世界状态和猫活的世界状态还是叠加在一起的。但是这样，随之而来的问题是“观察者在哪？”记得量子力学正统解释是说，“测量的同时，不确定的波态坍缩为确定态”，我们不禁问，那什么是测量（measurement）？ 传统上，我们觉得很简单，拿尺子测量桌子的长度，得到了数据，这叫做测量，或者说仪器探测到现象，给出信号，此为测量。但是当我们进入量子体系，将极微小与整个宇宙放在一起考虑，似乎就有些混乱——如果认为仪器是观测者的话，那么仪器给出信号即是观测；但反过来仪器也可以纳入量子体系考量，那么只能说人看到仪器信号才是测量。这样一步步推下来，似乎我们能找到的最合适的定义是，“信息进入了意识”就是测量。 物理学家魏格纳(Wigner)评论道[2]：“如果不将意识考虑进来，不可能完全自洽地表述量子理论的规律。”突然间，“意识”闯进了物理学的领域，物理学的世界观从根部开始动摇。 科学家的另一个尝试被称为多世界诠释（Many-worlds interpretation），它认为在猫实验进行时，整个世界分裂成两个（实际上是无穷多个），一个世界中猫活着，另一个世界中猫死。我们只是进入了某一个世界之中，譬如猫活着，而另一个猫死的世界仍然存在并演化着。这种观点挽救了物理世界的客观性。但它绕过了一个无比重要的问题：为什么“我们”进入了猫活的世界中，而没有进入猫死的世界中？我们看到，“多世界”诠释为了保证客观性，硬生生地把主体“我”避之在外。（我们可以想象，如果今天倒霉被车撞残了，那在另一个世界还有一个没有被车撞的自己在好好地活着。还有更多的想象就是科普作者的事情了。） 另一个构想被称为量子自杀（quantum suicide），即假设我就是那个薛定谔的猫。如果多世界诠释是正确的话，在经过任意次实验后，总会存在某个世界，其中实验者永远不会死（只有这个世界对实验者有意义的），这便被称为量子永生（quantum immortality）。其实这个说法换个角度看，差不多就是“意识不灭”了。 结语：跳出经典物理的世界观 现在可以总结一下量子力学的世界观颠覆：谈到这里，物理学家可能会首先会说，传统的物质在空间中精确运动的观念被打破，人们发现世界同时具有不确定的波性和确定的粒子性。然而，其实更具颠覆性的是量子力学中“测量”概念引出来的对“意识”的思考。 从量子物理之前，科学家一直把世界当成“客观世界”，物理学家是研究这个客观世界的人，丝毫不用考虑“意识”。而作为量子物理核心的“测量”观念让人们重新开始注意“意识”的角色。人们开始发现物理学家根深蒂固的习惯：他们总是尝试寻找“客观”——构建理想隔绝的实验环境、建立大家共同承认的方法、标准等等，他们总是试图挽救物理的“绝对客观性”。而他们长久地忘记了，当你“客观地”谈一个东西（如原子、猫）的时候，整个世界包括你的意识都是它的背景、它的支撑，即客体是相对于一个主体而成立的。他们忘记了，反而以为自己在研究“孤立的”对象。而量子力学中人们对测量问题的思考则提醒了物理学家：任何对世界本身的描述都不可避免地都是相对于一个主体而成立的，没有脱离主体的客体，没有脱离主观的客观。换言之，没有绝对独立于主体的客观世界。 最后，或许有人会说“科学家怎么看？”。的确，如果科学家看了我的意见之后会有许许多多的辩解，事实上物理学家一直不懈地在量子力学的基本问题上修修补补着。而更多的物理学家，仍然按照惯性继续用着某种科学精神从事着物理，例如“对照实验”、“排除所有干扰因素”、“把各种影响定量化描述”，等等。论文照发不误，钱照领不误，学科在继续延续着……但我们其实早已进入了后科学时代，科学家已经很少再把科学理论严肃地当成世界的本来了。 对努力追寻求索之路的我们，我想说，如果学习物理的人（包括我）只是去学习知识、工具，不去反省背后的世界观，不去追问这个世界本质的话，是犯不上去走超越科学的道路的，我也犯不上写这篇文章。而现在的物理学，它似乎已经变成了一种不再向深处追问的技术，正如玻尔所言[3]： 没有量子“世界”这一回事，有的只是抽象的物理描述。不能认为物理学目标在于发现自然是怎样的，物理只关心我们关于自然能说些什么。 或许，物理学还是要比技术高一点的，因为它比一般的技术更多地碰触到一些终极问题，擦出一些闪亮火花了。 而坚持追问世界真相的人啊，要敢于跳出科学的领域，因为，我们的目的并不是靠科学成为有财富有名望的人，也不是靠科学打发时间，甚至不是要“显得”学识渊博或者成为一个伟大的“科学家（科学工作者）”，我们是要纯粹地追求最透彻的真理。 这是我的一次深入浅出的尝试。 作者：斯坦福大学 姜森原 |
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