科學(xué)與哲學(xué)的邊界

筆者在網(wǎng)上做科普的時(shí)候，經(jīng)常見(jiàn)到網(wǎng)友問(wèn)這樣的問(wèn)題：“力的本質(zhì)是什么？”，“能量的本質(zhì)是什么？”，甚至還有人問(wèn)“時(shí)間的本質(zhì)是什么？”

學(xué)習(xí)和研究物理學(xué)理論，需要靜心思考，就像研究哲學(xué)一樣。這就使得很多對(duì)物理學(xué)有興趣的普羅大眾搞不清哲學(xué)和物理學(xué)、哲學(xué)和科學(xué)之間的邊界。不要說(shuō)門外漢了，一些科學(xué)界的人士也偶發(fā)妄言誤導(dǎo)大眾。

哲學(xué)是一門古老的學(xué)問(wèn)。兩千多年前，東方和西方的先賢們就開(kāi)始通過(guò)思考和辯論，來(lái)探尋真理，認(rèn)識(shí)世界。那時(shí)候，人類不掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)所需要的各種先進(jìn)技術(shù)，自然也想不到通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)真理。人類在那個(gè)時(shí)代的哲學(xué)思考，產(chǎn)生了豐富的思想成果。當(dāng)然，也難免有時(shí)候得出錯(cuò)誤的論斷。比如古希臘的亞里士多德，想當(dāng)然地認(rèn)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(gè)球登上了比薩斜塔，讓大家看到，兩個(gè)球同時(shí)落地。

這就是物理學(xué)和科學(xué)的開(kāi)端，跟哲學(xué)僅僅使用思辨的工具不同，科學(xué)把推導(dǎo)和計(jì)算所為手段，把實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)真理的終極標(biāo)準(zhǔn)。今天，科學(xué)早已從哲學(xué)中分離了出來(lái)，科學(xué)和哲學(xué)的邊界非常清晰：科學(xué)研究能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)證實(shí)或證偽的問(wèn)題，在這之外，交給哲學(xué)，甚至也可以交給宗教。

這并不意味著所有跟科學(xué)相關(guān)的哲學(xué)問(wèn)題不值得思考，但要注意別鉆牛角尖。還需要知道，一個(gè)科學(xué)論斷，對(duì)就是對(duì)，錯(cuò)就是錯(cuò)；哲學(xué)沒(méi)有檢驗(yàn)真理的終極標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)問(wèn)題可以有不同的答案，可能無(wú)所謂對(duì)錯(cuò)。

科學(xué)家們對(duì)哲學(xué)也有不同的看法。有些科學(xué)家對(duì)哲學(xué)不屑一顧，認(rèn)為科學(xué)早已脫離了哲學(xué)的束縛，科學(xué)不需要哲學(xué)。也有的科學(xué)家，比如諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理大師溫伯格，說(shuō)物理學(xué)家需要有自己的哲學(xué)思考（這當(dāng)然未必就是哲學(xué)家們研究的哲學(xué)）。

什么樣的問(wèn)題是正確的科學(xué)問(wèn)題？一個(gè)物理概念的“本質(zhì)”，本質(zhì)上就不是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。因?yàn)椤氨举|(zhì)”這個(gè)東西，顧名思義是無(wú)法觀測(cè)到的。有的科學(xué)家認(rèn)為，科學(xué)不研究本質(zhì)問(wèn)題，科學(xué)只研究現(xiàn)象之間的聯(lián)系。

我覺(jué)得這個(gè)說(shuō)法可以稍微修正一下，因?yàn)閷?duì)物理概念的定性理解是很重要的。如我們?cè)谥暗囊黄恼屡e的例子：質(zhì)量是一個(gè)物體內(nèi)有多少物質(zhì)的度量，這個(gè)認(rèn)識(shí)，可以指導(dǎo)我們用同樣一種材料制成一套砝碼，再通過(guò)對(duì)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)天平秤來(lái)測(cè)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(xué)更難入門

科學(xué)不研究脫離實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的本質(zhì)問(wèn)題?？茖W(xué)也不需要回答跟實(shí)驗(yàn)觀測(cè)無(wú)關(guān)的問(wèn)題。

說(shuō)說(shuō)時(shí)間

要問(wèn)時(shí)間的本質(zhì)是什么？回答這個(gè)問(wèn)題純屬浪費(fèi)時(shí)間。小孩子都本能地知道時(shí)間，媽媽怎么那么久還不回來(lái)啊。對(duì)于物理學(xué)中的時(shí)間，我們需要知道：

1. 每一個(gè)物理事件都有一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的是否同時(shí)、先后順序，是可以觀測(cè)的

2. 時(shí)間在流動(dòng)，先發(fā)生的事件有可能影響到后發(fā)生的事件，反之則完全沒(méi)有可能

3. 兩個(gè)事件之間的時(shí)間間隔是可以測(cè)量的

以上沒(méi)有任何奇奇怪怪的東西，科學(xué)概念就是從生活中提煉出來(lái)的。但如果說(shuō)這就是時(shí)間的“本質(zhì)”，追求本質(zhì)的朋友們可能不滿意。他們聽(tīng)到“其實(shí)根本沒(méi)有時(shí)間，時(shí)間就是運(yùn)動(dòng)”，反而可能會(huì)更感興趣。然而這樣的說(shuō)法，對(duì)科學(xué)和工程實(shí)踐沒(méi)有任何指導(dǎo)意義。

站在科學(xué)的角度，我們更關(guān)心時(shí)間怎么測(cè)量。時(shí)間是流動(dòng)的，我們只能用具體的物理過(guò)程來(lái)測(cè)量時(shí)間。我們用尺子測(cè)量長(zhǎng)度，尺子上有均勻的刻度，那是可重復(fù)的長(zhǎng)度的單位。測(cè)量時(shí)間，我們同樣需要可重復(fù)的單位，如果自然界沒(méi)有周期運(yùn)動(dòng)，我們測(cè)量時(shí)間就麻煩多了。

還好，自然界的周期運(yùn)動(dòng)非常豐富。古人用年、月、日做時(shí)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(zhǎng)，不利于精密測(cè)量。牛頓力學(xué)的研究表明單擺和彈簧振子是周期運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入工業(yè)社會(huì)后，人們就用鐘表來(lái)測(cè)量時(shí)間。今天我們最精密的時(shí)間測(cè)量工具是原子鐘，它根據(jù)量子力學(xué)的原理，利用原子能級(jí)躍遷輻射的固定頻率做時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

你看，說(shuō)來(lái)說(shuō)去，時(shí)間還是和運(yùn)動(dòng)有關(guān)，但這種關(guān)系一點(diǎn)兒也不神秘。物理是科學(xué)而不是玄學(xué)。玄學(xué)需要把你說(shuō)得似懂非懂，你明白就沒(méi)意思了；科學(xué)的東西，是可以說(shuō)得明明白白的。

薛定諤的貓是什么樣的貓

講清楚物理學(xué)與哲學(xué)、與玄學(xué)的區(qū)別后，我來(lái)談?wù)勥@個(gè)著名的科學(xué)哲學(xué)問(wèn)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(lái)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(huì)很生氣，今天人們談起他，竟然不是因?yàn)樗顐ゴ蟮目茖W(xué)貢獻(xiàn)（方程）。

這只貓給社會(huì)上很多人錯(cuò)誤的印象，好像量子力學(xué)在基本原理層面還有爭(zhēng)議。不是這樣的，量子力學(xué)在科學(xué)層面早已沒(méi)有任何爭(zhēng)議了，薛定諤的貓引發(fā)的討論是哲學(xué)層面的。

這只貓是薛定諤提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：它在一個(gè)密閉的箱子里，箱子里還放著一小點(diǎn)放射性物質(zhì)，我們不知道什么時(shí)候會(huì)發(fā)生一次衰變。再放一個(gè)蓋格計(jì)數(shù)器，這種設(shè)備能夠探測(cè)到放射性粒子并發(fā)出一個(gè)電信號(hào)。再放一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，收到蓋格計(jì)數(shù)器的信號(hào)后，就打碎一瓶毒氣，毒死貓。問(wèn)：在打開(kāi)箱子前，貓是在什么樣的狀態(tài)？

今天有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)“薛定諤的”，意思是不確定的、存疑的。不打開(kāi)箱子看，你當(dāng)然不確定貓的生死，這個(gè)說(shuō)法完全沒(méi)有反映當(dāng)年對(duì)量子力學(xué)的爭(zhēng)議。要解釋薛定諤的貓，我們需要從量子力學(xué)的基本原理談起。

量子力學(xué)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(gè)盒子中的粒子，本來(lái)可以在盒子的左邊或者盒子的右邊，而量子力學(xué)中粒子的位置可以是左和右按任意比例組合。不是一會(huì)兒在左邊，一會(huì)兒在右邊，是同時(shí)在左邊和右邊！而左右混合的比例，將決定一旦探測(cè)這個(gè)粒子，它被發(fā)現(xiàn)在左邊和右邊的概率。

而一個(gè)放射性的原子核，隨時(shí)可能會(huì)衰變成另一個(gè)原子核，射出高能量的粒子。量子力學(xué)教科書(shū)中用一個(gè)半尖括號(hào)表示一個(gè)量子態(tài)，作為科普，我們來(lái)一個(gè)簡(jiǎn)化版的。放射性原子核的量子態(tài)大致是這樣的：

它是一個(gè)衰變與不變的疊加態(tài)，注意量子力學(xué)中的混合系數(shù)是復(fù)數(shù)，b后面的復(fù)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(xué)可以精確計(jì)算a、b和相位角這幾個(gè)系數(shù)隨時(shí)間的變化，但這也只能得到給定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生衰變的概率。能夠計(jì)算概率當(dāng)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(jì)算輻射強(qiáng)度。但是，科學(xué)無(wú)法預(yù)測(cè)單個(gè)原子核什么時(shí)候衰變，如果粒子的數(shù)目很少，也不能預(yù)測(cè)什么了。

一旦發(fā)生衰變，放射出來(lái)的粒子可以被蓋革計(jì)數(shù)器這樣的設(shè)備探測(cè)到，這時(shí)候當(dāng)然我們確定它已經(jīng)衰變了。對(duì)此，哥本哈根學(xué)派的說(shuō)法是測(cè)量改變的粒子的狀態(tài)，測(cè)量造成了量子態(tài)的坍縮，變成了確定的狀態(tài)。可是到底怎樣才算測(cè)量，哥本哈根學(xué)派說(shuō)不清楚。

熱衷于動(dòng)物權(quán)益的朋友別著急，沒(méi)有人會(huì)真的去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，去弄死喵星人，因?yàn)榭孔鰧?shí)驗(yàn)無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題。薛教授設(shè)計(jì)這個(gè)假想實(shí)驗(yàn)，是用來(lái)質(zhì)疑哥本哈根學(xué)派的。他的問(wèn)題是：沒(méi)打開(kāi)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(kāi)箱子看，貓才會(huì)坍縮成一個(gè)確定死活的態(tài)嗎？

在量子力學(xué)創(chuàng)立初期的那場(chǎng)爭(zhēng)論中，薛定諤和愛(ài)因斯坦一樣，反對(duì)量子態(tài)和波函數(shù)的概率解讀，不相信物理學(xué)會(huì)有內(nèi)在的不確定性。他的貓是用來(lái)反對(duì)不確定性的。沒(méi)想到，今天他的名字被等同成他所反對(duì)的東西了。

在科學(xué)上，薛定諤和愛(ài)因斯坦早已被證明是錯(cuò)的，量子力學(xué)就是有內(nèi)在的不確定性。對(duì)于貓的實(shí)驗(yàn)，薛教授只是要一個(gè)說(shuō)法，從純科學(xué)的角度看，薛定諤的問(wèn)題是不需要回答的。如果說(shuō)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(cuò)的呢？

薛定諤的貓之我見(jiàn)

對(duì)于薛定諤的問(wèn)題，我來(lái)講講自己的看法。注意，我們已經(jīng)進(jìn)入了哲學(xué)的范疇，各種看法都可以有。

我們的核心問(wèn)題是：在這個(gè)·實(shí)驗(yàn)中，量子態(tài)的坍縮是在什么時(shí)候發(fā)生的？坍縮今天還有一個(gè)術(shù)語(yǔ)叫去相干。

我認(rèn)為，薛定諤的質(zhì)疑沒(méi)有錯(cuò)，貓不應(yīng)該是一個(gè)死活疊加的狀態(tài)。它只是一只普通的貓，毒氣能殺死它，沒(méi)打開(kāi)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(kāi)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(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，貓的量子態(tài)會(huì)更早坍縮嗎？相信你會(huì)說(shuō)是的。可見(jiàn)箱子被打開(kāi)這個(gè)動(dòng)作沒(méi)有造成量子態(tài)的坍縮，它早就坍縮了。你還可以堅(jiān)持說(shuō)：不，打開(kāi)盒子和安裝攝像頭都會(huì)造成量子態(tài)的坍縮。那么你將面對(duì)一個(gè)更尖銳的問(wèn)題：安裝了攝像頭，但沒(méi)有人去看，量子態(tài)有沒(méi)有坍縮？如果你說(shuō)攝像頭讓貓的狀態(tài)坍縮，那你幾乎進(jìn)入了科學(xué)的范疇，需要有推導(dǎo)來(lái)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(gè)觀點(diǎn)：人知道了，量子態(tài)就坍縮了；人如果不知道，就沒(méi)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(shuō)的那樣：“原來(lái)客觀世界并不存在”，因?yàn)槿说囊庾R(shí)顯然會(huì)影響它的狀態(tài)。

如果你和搞哲學(xué)的人討論，他們會(huì)說(shuō)客觀世界的存在是一個(gè)假設(shè)。但科學(xué)的世界觀，是認(rèn)為有一個(gè)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?cè)賮?lái)看這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)鏈條：原子核--放射粒子--蓋革計(jì)數(shù)器--電動(dòng)機(jī)--錘子--瓶子--毒氣--貓--箱子--人，是蓋革計(jì)數(shù)器把一個(gè)微觀粒子的狀態(tài)放大轉(zhuǎn)變成一個(gè)宏觀的電信號(hào)，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(méi)有任何的差別！

反思量子力學(xué)的測(cè)量

把人的因素排除，我覺(jué)得我們現(xiàn)在可以把量子力學(xué)的測(cè)量過(guò)程說(shuō)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(bào)道中看到過(guò)量子糾纏這個(gè)詞。量子糾纏并不是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，就是兩個(gè)粒子、或者兩個(gè)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(gè)自旋為0的粒子，衰變?yōu)閮蓚€(gè)自旋為1/2的粒子，根據(jù)角動(dòng)量守恒，大多數(shù)情況下，這個(gè)兩個(gè)粒子的總角動(dòng)量是零。也就是說(shuō)，任意選擇一根Z軸測(cè)量?jī)蓚€(gè)粒子的角動(dòng)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(xiě)出來(lái)就是這個(gè)樣子的：

量子力學(xué)的測(cè)量的過(guò)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(xué)主宰的。測(cè)量的過(guò)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(guò)了蓋革計(jì)數(shù)器后，變成了這樣一個(gè)狀態(tài)：

一個(gè)電脈沖，是大量電子在同一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，也就是大量電子的一個(gè)量子糾纏態(tài)。經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的朋友，可以寫(xiě)出更嚴(yán)格的方程式。一個(gè)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(shuō)法，物理學(xué)家還是要進(jìn)行一些哲學(xué)思考，用來(lái)指導(dǎo)自己的研究。

關(guān)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)解釋，可見(jiàn)拙作《從零開(kāi)始讀懂量子力學(xué)》。

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