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——士兵乙的读书笔记

 
 
 

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量子理论-爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战  

2013-09-08 17:13:51|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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量子理论-爱因斯坦与玻尔关于世界本质的伟大论战 - 士兵乙 - 海阔天空
 
 

十几年前还在读博士的时候,有一个不很熟识的师弟,名为Michael。我们虽在现实生活中的交集不多,但因都是校园BBS上的水客,所以总免不了扯扯淡。Michael聪明透顶,很快成为了BBS上有名的技术大牛。他的签名档也很有意思,大意是说如果能够知道宇宙中每个原子的精确质量、位置和速度,就能够通过计算得出未来任何时候宇宙的状态。我初看到,顿时惊为天人,按照现在的网络词汇来说,简直是“不明觉厉”。甚感Michael不应该翻译成“迈克尔”这种现代词汇,而应该按照圣经的译法叫做“米迦勒”才合适,因为那是耶和华身边的大神、牛人。

后来的十几年里,在看了一些科学书和哲学书之后,Michael也慢慢被我赶下了神坛,因为我发现他并不是第一个有这种古怪想法的人。这种哲学观叫做决定论。早在1814年,法国数学家拉普拉斯就提出了叫做一种拉普拉斯妖的科学假设:假设有一只妖怪,它知道宇宙中每个原子的确切位置和动量,因此它就能够运用牛顿定律通过计算推导出宇宙的过去和未来。这种哲学观比Michael的涵义更广,还包括了对过去的反向推演。按照这种观点,我们如果不能推算出宇宙未来的状态,只是因为我们对那些大量的初始输入参数的无知,而宇宙本身则是一种客观现实存在并按照确定的因果关系有条不紊地运行的。

然而,这种决定论的哲学观是正确的吗?

我第一次对此产生怀疑是在思考生物体是否具有自由意志的时候。对于一只由大量原子组成的狗这种生物,我们如何能够通过事先获知组成它的每个原子的位置和动量信息而确切推断出它将在肉包子和肉骨头之间跑向哪边?也就是说,我们如何根据当前的精确测量而判定这堆叫做狗的大量原子集合下一时刻的运动方向?

我第二次产生怀疑是在学习了量子理论之后。在量子理论中,微观世界到处充斥着不确定性。而这种不确定性是自然的固有属性,而不是因为我们对其具体物理量的无知。在量子力学的哥本哈根解释中,一个量子系统的量子态可以用波函数来完全地表述,波函数模的平方就是事件的概率。之所以称为“完全”,是因为波函数代表一个观察者对于量子系统所知道的全部信息。概率描述并不是因为我们没有办法获知更精确的信息,才转而求助于数理统计手段,而是因为自然的本质就是以符合概率的不确定的方式运作的。一个粒子就是一团概率,在对其观测之前,它不位于任何位置,而不是位于一个我们所不知道的一个未知的确切位置。当一旦对其观测,测量工具与被测粒子之间发生相互作用,波函数瞬间坍缩凝聚成了一个可以感知到的类似于粒子一样的东西。波与粒子,粒子究竟表现得更像波还是粒子,也取决于观测的手段。

如此一来,牛顿建立的那个简洁的机械的宇宙又一次地被颠覆了(上一次是爱因斯坦的相对论)。在玻尔看来,量子力学是描述自然的完备的基本理论,他在该理论的基础上建立了他的哲学世界观。他宣称:不存在量子世界,只有抽象的量子力学描述。认为物理学的任务不是找出自然界是怎样的,物理学家关心的是关于自然界我们能讨论些什么,如果没有观测,那么现实实在就没有任何意义。

在宏观世界里,这样的观点难于理解。难道天上的月亮在我们不观测的时候就不存在了吗?难道物理学家们数十年的研究,最终得出一个“存在就是被感知”之类的唯心主义哲学世界观?这种思想太过于匪夷所思。连曾经冲破牛顿经典力学思想桎梏,开创相对论,甚至通过光量子理论获得诺贝尔奖参与了量子力学初创的爱因斯坦都不能相信。爱因斯坦坚信这个世界具有存在因果关系的独立于观测的现实性。他始终相信真实世界的客观存在,因此真实世界中的最小颗粒也是客观存在的,而无论是否有人在观测它。如果有什么不确定性,那也只是人类对微观信息的无知,而不是因为世界本身就存在固有的模糊属性。

他们有关量子力学解释的争论,最后演变为有关世界现实性状态的哲学信仰的争论,一直到他们生命的结束,但他们始终没有说服对方。玻尔先有理论,然后是哲学立场,建立解释,使理论所说的有关现实的看法有意义。而爱因斯坦是假定存在一个真实的、独立于任何感知行动的世界,他是一个彻底的哲学现实主义者。爱因斯坦向玻尔的哥本哈根解释发起了一次次挑战,但每次都被玻尔化解。现代人回顾那场持续数十年,直到他们生命结束也没有达成共识的争论,总倾向于简单地总结为:玻尔赢了,爱因斯坦输了。其实,不应该这么简单地下结论。在这场争论中,他们促使物理学家们认真思考量子力学的本质是什么,是否是完备的,大大促进了量子力学的发展。没有量子力学,就没有今天的半导体、芯片、计算机、液晶电视和手机,也没有化学和分子生物学的知识基础。从某种程度上说,参与争论的爱因斯坦也为量子力学的发展做出了重大贡献,怎么能说他失败了呢?

牛顿以来的经典世界观的影响太过巨大,连爱因斯坦都难免陷入窠臼,更何况我那Michael师弟了。十几年过去,Michael师弟也该毕业很久了吧,不知他是否依然还是一个决定论者,但愿他也学了点量子力学,擦亮眼睛,清晰地看到了这个世界的模糊本质。

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