十六談涉獵量子科普

十六談涉獵量子科普

2018年1月18日

自然界的名山大川、江河湖海，神奇、壯觀、美麗，吸引著人們前往遊覽。其實，在科學領域，也有無限風光。象宇宙物理科學、量子力學對生活在地球上的普通人而言，雖然沒有太具體的意義，但既然身為文明人，我們就應該對人類文明取得的最高成就有所認識和領略，其意義不下於對自然界的旅行。了解前沿物理，作為一種好奇，進而說是科普，這是我願意接受的，但遠遠不夠。當然，普通人講物理，不是為了讓大家象物理專業的學生那樣，從零開始，一五一十的逐層深入，一個方程一個方程、一道公式一道公式、一個實驗一個實驗的精通和弄懂，沒這個必要。我這裡看重的是物理中的思想。量子科普的目的是提煉它的價值、有啟發的東西。而這些有價值、有啟發的東西，既是科學的思想，又是哲學的思想。我們應該有一種堅守：我們生活的世界是一個物理的世界，我們的世界的運行規律應該是物理的。自然界、人類社會和思維的規律應該是一致的。所以，人類社會和精神都屬於自然界的一部分。

研究量子理論，作為普通人，也就是從世界或宇宙最初始、最源頭來了解它的規律性從而受到啟發和開悟，來重新理解我們的工作、學習和生活，進而把握我們的人生。現在可以說了，量子理論，是解釋我們這個世界如何運行的正確理論。但是，這個理論還在發展。正如費曼所說：「我不確定我是否懂了量子力學，如果有人聲稱他懂了量子力學，其實他根本沒有懂。」不懂，不要緊。費曼說他不懂，還有愛因斯坦也很客觀的說他不懂呢。普通人就以不懂自居好了，怕什麼呢！

哲學總是要簡約和概括的。量子理論進行了一百多年，學術著作、科普書刊浩如煙海，如何進行簡約和概括呢，它的理論說一千道一萬，最大的特色就兩個：一是不確定性，二是非實在性。這第二個特色，也是根源於不確定性。現在大家知道，所有微觀世界中的粒子，包括原子、原子核、電子及光子，全都是量子的，而且它們不滿足牛頓力學的規律。微觀世界滿足的規律就是：不確定原理。這是由德國物理學家海森堡發現的。不確定原理，其內容：當我們測定某個物質的『位置』和『動量』的時候，無法同時將兩者確定為一個數字，它具有不可避免的不確定性。這個特點徹底顛覆了我們一直以來所持有的物質觀和自然觀的根基。這種不確定性，正是自然的本質。海森堡的測不準原理還有一種詮釋方式：初始條件永運也找不到，就沒有初始條件，也不允許找到。一旦到了初始條件要確定某一點，某個速度的時候，它就不可測了！這叫測不準關係。它就是波，波沒有某一點。一旦知道某一點的時候，其它條件就彌散了，極其不確定。不是說測不了，是根本不可測。海森堡的測不準原理還有一層迷人的詮釋：觀察就是干擾。海森堡提出這一原理之前，人們普遍認為「外在世界」基本不受觀測者的影響。生活在一個依賴於觀察者的宇宙中，這一想法不僅顛覆了物理界，也使人們的頭腦發瘋。1927年，研究新物理學的物理學家在比利時布魯塞爾集會。「量子力學到底在說明什麼東西？」會議集中討論這個問題。他們的結論後來被稱為哥本哈根解釋。哥本哈根解釋事實上卻說，量子力學講些什麼並不重要，重要的是，量子力學不論在什麼實驗狀況之下都有效。這是科學史上最重要的里程碑式的闡述。

玻爾一生支持量子力學，而愛因斯坦雖然對量子力學有貢獻，但一直耿耿於懷。愛因斯坦堅信物理學是決定論，量子論中電子發現的位置只能進行概率上的預測，物質的位置和動量不能同時確定等不確定的內容，以及量子主張不確定性是自然的本質等觀點，對於愛因斯坦而言，是無論如何都無法接受的觀點。愛因斯坦的質疑看似不無道理，但並不能反駁哥本哈根解釋。因為宏觀物體只能顯示粒子性一種屬性，它的波動性根本顯示不出來，所以宏觀物體構成了一種物理實在，與你的觀察無關。而微觀粒子卻有粒子性和波動性兩種屬性，在這種情況下，你的觀察就會起重有作用了。愛因斯坦有句名言：「可愛的上帝不會擲骰子」。意思是上帝不會用概率來構建這個世界。玻爾說，你別再告訴我上帝該怎麼做，你也沒法指導上帝，或許自然界就是這個樣子。愛因斯坦到死，都認為量子力學不完美。後來，法國年輕的科學家阿斯派克特在上世紀八十年代實驗證明：愛因斯坦認為不可思議的超距作用現象是真實的。有人問阿斯派克特，如果愛因斯坦還活著，他將如何看待他的實驗結果。他的回答具有典型的法國魅力：「啊，當然，我無法回答這個問題，但是，我敢肯定，關於這個結果，愛因斯坦當然有非常聰明的話要說」。這是一點小插曲。

海森堡測不準原理冷酷地使我們明白，與我們周遭世界隔離的物理是沒有的，測不準原理質疑「客觀」實相的存在。這就引出了量子力學的第二特色，非實在性。具體地說，就是我們日常經驗的東西在量子世界並不存在。一條在你面前跑過的狗在剎那有具體的位置的速度，這叫實在。但一個基本粒子，沒有這個屬性。只有當你看到它的時候它是實在的，沒有看到的時候，連它自己都不能確定下一刻該如何表現。在認識論上，牛頓力學和量子力學之間差別就很大。其中最大的差異是，量子力學依據是觀察和測量，沒有測量數字的地方，量子 力學就是啞巴。除了測量數字以外，量子力學就什麼都不說。用海森堡的話說就是，「『發生』這個辭彙只限於觀察之上」。這句話很重要，因為這句話構成了一種前所未有的科學哲學。

量子理論的不確定性和非實在性這兩個特色，在哲學上是有很大意義的，我們可以去思考，為什麼到了微觀、到了極致的時候就測不準了，就必須用概率來描述？這表明所有因果性的東西都是不一定的，也間接的推翻了因果關係，完全的可知論。只能說概率最大的那一個結果是可知的，實際上鐵板釘釘的結果是不可知的。測不準原理，在哲學上有無限的探討空間。

人類的好奇心是永無止境的，物理學家們絞盡腦汁想方設法要知道波粒二象性及測不準的奧秘。提出並進行「單光子延遲選擇實驗」、參與了1941年「曼哈頓計劃」第一位研究原子彈的美國人惠勒說：「世界上除了『不存在任何法則』這一法則外，不存在任何法則。」當然，惠勒是從宇宙最根本的意義上，來講法則的。這是深刻的，也是具有哲學意義的。正是量子不確定性導致了我們日常經驗中的確定性選擇。如果這一不確定性在某種程度上消失不再，我們的意願便無法實現。我們將無從選擇，沒有任何選擇，也無必要選擇。諾貝爾獎得主李政道說：「科學與生活，科學與藝術，是一個硬幣的兩面，它們源於人類活動的最高部分，都追求著深刻性、普遍性、永恆和富有意義。」科學所揭示的深刻性，可以作為我們生活的指導性，這是無可疑議的。《光明日報》5月9日登出一篇文章，題目是《資本論》邏輯的當代意義：基於「不確定性」的理解。文中說：「時代在變遷，《資本論》的理論和邏輯卻對不同時代的經濟現象都有一定的解釋力。『不確定性』這一馬克思研究資本主義經濟運行揭示出來的特徵，可以作為理解資本主義經濟制度演進、社會主義經濟制度選擇以及中國特色市場經濟體制確立的根據。」這位作者，提出「不確定性」，是否受量子論啟發，不得而知。但我傾向於作者受了量子論的啟發。實際上，在我們思維方式上，指導思想上，應該確立或強化客觀世界的不確定性理念。這是有普遍性和深刻意義的。

量子學家已習慣於對付不確定性。不但客觀事物具有不確定性，所有的科學知識也是不確定的。這種與不確定性打交道的經驗很重要。我們應相信它有非常大的價值，並且應用科學以外的領域。舉一個小例子：平常說的萬一怎麼怎麼樣？只是在頭腦里，對一萬個情況，做一個情況發生意外的準備。根據量子不確定原理，根本不是萬一，而是一萬個情況，就有一萬個意外。在一件事情已經發生後，再來考慮其發生的概率或是否偶然沒有任何意義了，很多人甚至不明白這一點。我們說的不能心存僥倖，如用萬一做指導，到最後，必然是心存僥倖了；如用一萬做指導，那才真正是萬無一失。指導思想很重要，思路決定出路，道理就在這裡。如何處理不確定性，技術性較強的做法就是：一件事情是如何從幾乎肯定是假的過渡到幾乎肯定是真的，幾乎肯定是不確定的過渡到幾乎肯定是確定的，你的經驗是怎樣發生變化的，如何依據經驗來處理這些變化?技術上當然比較複雜,這就要回到馬克思主義實踐是檢驗真理的唯一標準理論上來了：我們所描述的效應必須具有一定程度的恆常性或某種不變性。如果要準確說明一種情況，反覆證明是或不是，多角度證明是或不是，這種現象在要求知道的方面大致相同或一致相同，就足以把情況搞精準。以此思維去辦事，就足以把有意義的事情辦得有意思。

（插圖來自網路）

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