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科學與哲學的邊界 筆者在網(wǎng)上做科普的時候，經(jīng)常見到網(wǎng)友問這樣的問題：“力的本質(zhì)是什么？”，“能量的本質(zhì)是什么？”，甚至還有人問“時間的本質(zhì)是什么？” 學習和研究物理學理論，需要靜心思考，就像研究哲學一樣。這就使得很多對物理學有興趣的普羅大眾搞不清哲學和物理學、哲學和科學之間的邊界。不要說門外漢了，一些科學界的人士也偶發(fā)妄言誤導大眾。 哲學是一門古老的學問。兩千多年前，東方和西方的先賢們就開始通過思考和辯論，來探尋真理，認識世界。那時候，人類不掌握科學實驗所需要的各種先進技術(shù)，自然也想不到通過實驗來檢驗真理。人類在那個時代的哲學思考，產(chǎn)生了豐富的思想成果。當然，也難免有時候得出錯誤的論斷。比如古希臘的亞里士多德，想當然地認為重的物體比輕的下落更快。直到伽利略拿著一大一小兩個球登上了比薩斜塔，讓大家看到，兩個球同時落地。 這就是物理學和科學的開端，跟哲學僅僅使用思辨的工具不同，科學把推導和計算所為手段，把實驗作為檢驗真理的終極標準。今天，科學早已從哲學中分離了出來，科學和哲學的邊界非常清晰：科學研究能夠通過實驗觀測證實或證偽的問題，在這之外，交給哲學，甚至也可以交給宗教。 這并不意味著所有跟科學相關(guān)的哲學問題不值得思考，但要注意別鉆牛角尖。還需要知道，一個科學論斷，對就是對，錯就是錯；哲學沒有檢驗真理的終極標準，一個問題可以有不同的答案，可能無所謂對錯。 科學家們對哲學也有不同的看法。有些科學家對哲學不屑一顧，認為科學早已脫離了哲學的束縛，科學不需要哲學。也有的科學家，比如諾貝爾獎獲得者、物理大師溫伯格，說物理學家需要有自己的哲學思考（這當然未必就是哲學家們研究的哲學）。 什么樣的問題是正確的科學問題？一個物理概念的“本質(zhì)”，本質(zhì)上就不是一個科學問題。因為“本質(zhì)”這個東西，顧名思義是無法觀測到的。有的科學家認為，科學不研究本質(zhì)問題，科學只研究現(xiàn)象之間的聯(lián)系。 我覺得這個說法可以稍微修正一下，因為對物理概念的定性理解是很重要的。如我們在之前的一篇文章舉的例子：質(zhì)量是一個物體內(nèi)有多少物質(zhì)的度量，這個認識，可以指導我們用同樣一種材料制成一套砝碼，再通過對力學的認識，設(shè)計天平秤來測量不同物質(zhì)的質(zhì)量。你不妨把質(zhì)量的本質(zhì)理解為“物質(zhì)含量”。為什么物理比數(shù)學更難入門 科學不研究脫離實驗觀測的本質(zhì)問題?？茖W也不需要回答跟實驗觀測無關(guān)的問題。 說說時間 要問時間的本質(zhì)是什么？回答這個問題純屬浪費時間。小孩子都本能地知道時間，媽媽怎么那么久還不回來啊。對于物理學中的時間，我們需要知道：
以上沒有任何奇奇怪怪的東西，科學概念就是從生活中提煉出來的。但如果說這就是時間的“本質(zhì)”，追求本質(zhì)的朋友們可能不滿意。他們聽到“其實根本沒有時間，時間就是運動”，反而可能會更感興趣。然而這樣的說法，對科學和工程實踐沒有任何指導意義。 站在科學的角度，我們更關(guān)心時間怎么測量。時間是流動的，我們只能用具體的物理過程來測量時間。我們用尺子測量長度，尺子上有均勻的刻度，那是可重復的長度的單位。測量時間，我們同樣需要可重復的單位，如果自然界沒有周期運動，我們測量時間就麻煩多了。 還好，自然界的周期運動非常豐富。古人用年、月、日做時間單位，今天我們知道那分別是地球公轉(zhuǎn)、月球公轉(zhuǎn)、地球自轉(zhuǎn)的周期。但這些單位都太長，不利于精密測量。牛頓力學的研究表明單擺和彈簧振子是周期運動，進入工業(yè)社會后，人們就用鐘表來測量時間。今天我們最精密的時間測量工具是原子鐘，它根據(jù)量子力學的原理，利用原子能級躍遷輻射的固定頻率做時間標準。 你看，說來說去，時間還是和運動有關(guān)，但這種關(guān)系一點兒也不神秘。物理是科學而不是玄學。玄學需要把你說得似懂非懂，你明白就沒意思了；科學的東西，是可以說得明明白白的。 薛定諤的貓是什么樣的貓 講清楚物理學與哲學、與玄學的區(qū)別后，我來談?wù)勥@個著名的科學哲學問題。薛定諤的這只貓?zhí)忻?，你在百度上輸入“薛定諤”，后面跟出來的第一位就是“薛定諤的貓”，然后才是“薛定諤方程”。薛定諤如果知道一定會很生氣，今天人們談起他，竟然不是因為他最偉大的科學貢獻（方程）。 這只貓給社會上很多人錯誤的印象，好像量子力學在基本原理層面還有爭議。不是這樣的，量子力學在科學層面早已沒有任何爭議了，薛定諤的貓引發(fā)的討論是哲學層面的。
這只貓是薛定諤提出的一個思想實驗：它在一個密閉的箱子里，箱子里還放著一小點放射性物質(zhì)，我們不知道什么時候會發(fā)生一次衰變。再放一個蓋格計數(shù)器，這種設(shè)備能夠探測到放射性粒子并發(fā)出一個電信號。再放一臺電動機，收到蓋格計數(shù)器的信號后，就打碎一瓶毒氣，毒死貓。問：在打開箱子前，貓是在什么樣的狀態(tài)？ 今天有一個網(wǎng)絡(luò)用語“薛定諤的”，意思是不確定的、存疑的。不打開箱子看，你當然不確定貓的生死，這個說法完全沒有反映當年對量子力學的爭議。要解釋薛定諤的貓，我們需要從量子力學的基本原理談起。 量子力學中微觀粒子的狀態(tài)和宏觀物體非常不同，不再是非此即彼。比如關(guān)在一個盒子中的粒子，本來可以在盒子的左邊或者盒子的右邊，而量子力學中粒子的位置可以是左和右按任意比例組合。不是一會兒在左邊，一會兒在右邊，是同時在左邊和右邊！而左右混合的比例，將決定一旦探測這個粒子，它被發(fā)現(xiàn)在左邊和右邊的概率。 而一個放射性的原子核，隨時可能會衰變成另一個原子核，射出高能量的粒子。量子力學教科書中用一個半尖括號表示一個量子態(tài)，作為科普，我們來一個簡化版的。放射性原子核的量子態(tài)大致是這樣的：
它是一個衰變與不變的疊加態(tài)，注意量子力學中的混合系數(shù)是復數(shù)，b后面的復數(shù)相位角也是很重要的，這種帶著相位角的疊加叫做相干疊加。物理學可以精確計算a、b和相位角這幾個系數(shù)隨時間的變化，但這也只能得到給定時間段內(nèi)發(fā)生衰變的概率。能夠計算概率當然是很有用的，一塊放射性物質(zhì)內(nèi)有大量的原子核，知道衰變的概率就能計算輻射強度。但是，科學無法預測單個原子核什么時候衰變，如果粒子的數(shù)目很少，也不能預測什么了。 一旦發(fā)生衰變，放射出來的粒子可以被蓋革計數(shù)器這樣的設(shè)備探測到，這時候當然我們確定它已經(jīng)衰變了。對此，哥本哈根學派的說法是測量改變的粒子的狀態(tài)，測量造成了量子態(tài)的坍縮，變成了確定的狀態(tài)?？墒堑降自鯓硬潘銣y量，哥本哈根學派說不清楚。 熱衷于動物權(quán)益的朋友別著急，沒有人會真的去做這個實驗，去弄死喵星人，因為靠做實驗無法回答這個問題。薛教授設(shè)計這個假想實驗，是用來質(zhì)疑哥本哈根學派的。他的問題是：沒打開箱子之前貓是不知死活，還是處在活與死的疊加態(tài)？難道要打開箱子看，貓才會坍縮成一個確定死活的態(tài)嗎？ 在量子力學創(chuàng)立初期的那場爭論中，薛定諤和愛因斯坦一樣，反對量子態(tài)和波函數(shù)的概率解讀，不相信物理學會有內(nèi)在的不確定性。他的貓是用來反對不確定性的。沒想到，今天他的名字被等同成他所反對的東西了。
在科學上，薛定諤和愛因斯坦早已被證明是錯的，量子力學就是有內(nèi)在的不確定性。對于貓的實驗，薛教授只是要一個說法，從純科學的角度看，薛定諤的問題是不需要回答的。如果說貓是死與活的疊加，雖然感情上難以接受，你又怎么證明我是錯的呢？ 薛定諤的貓之我見 對于薛定諤的問題，我來講講自己的看法。注意，我們已經(jīng)進入了哲學的范疇，各種看法都可以有。 我們的核心問題是：在這個·實驗中，量子態(tài)的坍縮是在什么時候發(fā)生的？坍縮今天還有一個術(shù)語叫去相干。 我認為，薛定諤的質(zhì)疑沒有錯，貓不應該是一個死活疊加的狀態(tài)。它只是一只普通的貓，毒氣能殺死它，沒打開箱子前，我們不知道它的死活而已。不像很多人相信的，人打開箱子看，量子態(tài)才坍縮了。 我的根據(jù)是：如果允許在箱子里安裝一個監(jiān)控攝像頭，貓的量子態(tài)會更早坍縮嗎？相信你會說是的?？梢娤渥颖淮蜷_這個動作沒有造成量子態(tài)的坍縮，它早就坍縮了。你還可以堅持說：不，打開盒子和安裝攝像頭都會造成量子態(tài)的坍縮。那么你將面對一個更尖銳的問題：安裝了攝像頭，但沒有人去看，量子態(tài)有沒有坍縮？如果你說攝像頭讓貓的狀態(tài)坍縮，那你幾乎進入了科學的范疇，需要有推導來證明攝像頭和貓的作用造成了坍縮，這條路走不通。最終你轉(zhuǎn)著圈回到這個觀點：人知道了，量子態(tài)就坍縮了；人如果不知道，就沒有坍縮。 這樣的看法，就要假定人是特殊的?；蛟S世界是物質(zhì)的，人是上帝造的？或者像某些人說的那樣：“原來客觀世界并不存在”，因為人的意識顯然會影響它的狀態(tài)。 如果你和搞哲學的人討論，他們會說客觀世界的存在是一個假設(shè)。但科學的世界觀，是認為有一個不以人類意志而轉(zhuǎn)移的客觀世界，有著不以人類意志而轉(zhuǎn)移的客觀規(guī)律！ 排除了人的作用，我們再來看這個長長的實驗鏈條：原子核--放射粒子--蓋革計數(shù)器--電動機--錘子--瓶子--毒氣--貓--箱子--人，是蓋革計數(shù)器把一個微觀粒子的狀態(tài)放大轉(zhuǎn)變成一個宏觀的電信號，是在這里，原子核的量子態(tài)發(fā)生了坍縮或去相干。后面發(fā)生的事情，和我們熟知的經(jīng)典物理世界沒有任何的差別！ 反思量子力學的測量 把人的因素排除，我覺得我們現(xiàn)在可以把量子力學的測量過程說得更清楚一些。 這需要用到量子糾纏的概念。你可能已經(jīng)在一些科技媒體的報道中看到過量子糾纏這個詞。量子糾纏并不是一個復雜的現(xiàn)象，就是兩個粒子、或者兩個量子系統(tǒng)的量子態(tài)發(fā)生了某種關(guān)聯(lián)。舉例：如果一個自旋為0的粒子，衰變?yōu)閮蓚€自旋為1/2的粒子，根據(jù)角動量守恒，大多數(shù)情況下，這個兩個粒子的總角動量是零。也就是說，任意選擇一根Z軸測量兩個粒子的角動量，如果粒子1是向上，粒子2就一定是向下的；如果粒子1是向下的，粒子2就一定是向上的。用方程式寫出來就是這個樣子的：
量子力學的測量的過程，是設(shè)備和粒子的相互作用，這是物質(zhì)之間的相互作用，本身就是由量子力學主宰的。測量的過程，就是讓微觀粒子的狀態(tài)和儀器設(shè)備的宏觀狀態(tài)發(fā)生了糾纏。比如，上面談到的衰變與不變的疊加態(tài)，經(jīng)過了蓋革計數(shù)器后，變成了這樣一個狀態(tài)：
一個電脈沖，是大量電子在同一個方向上的運動，也就是大量電子的一個量子糾纏態(tài)。經(jīng)過專業(yè)訓練的朋友，可以寫出更嚴格的方程式。一個粒子的狀態(tài)造成了大量粒子的糾纏，這就是去相干。 我還是更同意我的物理老師溫伯格的說法，物理學家還是要進行一些哲學思考，用來指導自己的研究。 關(guān)于量子力學的基礎(chǔ)知識解釋，可見拙作《從零開始讀懂量子力學》。
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