突破常识:量子物理的哲学内涵

发布: | 发布时间:2020-11-27,星期五 | 阅读:72

撰文丨杨荣佳(河北大学教授)责编丨戴 威

图源:pixabay

最近苹果公司发布新的 iphone12 系列的手机,最吸引大众眼球的亮点之一是芯片 A14,采用了最新的5纳米工艺技术,把上百亿的晶体管集成在一起。这在几百年、几十年甚至几年前来看,都是难以想象的事情。诸如此类的生产技术的重大突破,都离不开量子物理的发展。

在其他领域,小到激光笔、U盘的生产,大到飞机、轮船、卫星的制造,无一不受到量子物理的影响。在思想观念方面,自诞生之日起,量子物理也不断地给现代社会带来冲击。本文拟从以下几个方面,简要介绍一下量子物理对人类哲学观的影响。

1
世界不一定是连续的:离散物质观

哲学的发展,离不开物理学的推动。唯物主义哲学,从牛顿力学吸取了不少有益的养分。根据牛顿力学,描述一个系统,一般需要三个量:坐标、动量和能量,并且这些量都是连续变化的。孔子说:“逝者如斯夫,不舍昼夜”,说的就是时间不停地流逝。

牛顿时代,人们虽然已经认识到河流是由水分子组成的(离散的),不过仍认为时空、动量和能量是连续的。直到物理学天空一朵乌云的出现,能量的连续性观点才被颠覆。

这朵乌云就是黑体辐射。“黑体” 是物理学中完全吸收外来的电磁辐射的理想模型,不过,实验中的黑体辐射的能谱与经典理论给出的预言不符。为了解决这个矛盾,普朗克发现,如果假设黑体的能量是一份一份地辐射,而不是像经典理论假设的那样连续辐射,那么由此得到的黑体辐射公式就能很好地与实验一致。

在当时,能量可以分成最小份是个离经叛道的假设,不过,爱因斯坦的发现支持了普朗克。关于光的本性,一直以来有两种观点:一种是 “光的微粒说”,认为光是由许多微粒组成的,牛顿是这一观点的倡导者;另一种是 “光的波动说”,认为光是一种连续不断的波。在光的双缝干涉实验和赫兹验证了麦克斯韦关于光是电磁波的预言之后,光的波动说取得压倒性胜利。但是光电效应的发现,光的波动说无法解释。受普朗克的能量子观点的启发,爱因斯坦认为光也是由一个一个的“光子”组成,每个光子具有一定的频率和能量。爱因斯坦的光子说,发展了牛顿的光的微粒说,并成功地解释了光的波动说无法解释的光电效应。

能量的量子化,即能量拥有最小单元、不可无限细分,颠覆了人们以往的直观经验以及建立在其上的物质观。但是,量子力学并没有明确给出时空和动量是否也是量子化的。庞加莱根据量子物理基本原理推测:时空本身也是量子化。一些量子引力理论,如超弦理论和圈量子引力理论,预言时空是离散的。如是,那么动量也可能是离散的,这将进一步革新人们的物质观。

除了能量、时间、空间,微观中的电子轨道也不是连续的。实验观测发现,核外电子辐射的并非连续的光谱,而是间隔的几条光谱线。玻尔根据量子物理,提出新的原子模型:电子只能在原子核外的一些固定的轨道上运动,当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时,会辐射或吸收相应能量的光子。

玻尔原子模型 图源:Wikimedia Commons/Bohr atom model

量子物理中还有一个重要的离散化现象,那就是粒子的自旋。比如光子的自旋为1,电子的自旋为1/2,引力子的自旋为2,等等。根据自旋,基本粒子分为两类:玻色子和费米子。玻色子的自旋为整数,费米子的自旋为半整数。

自旋,在经典物理中没有对应的概念,是量子物理的一个全新的发现。

2
只有概率,没有确定:概率因果观

因果观是重要的哲学内容。无因不能生果,有果必有其因。这是因果观的主要观点之一。反映在经典物理中,就是机械决定论:根据经典物理规律,我们可以给出粒子任何时候的诸如位置、动量和能量等物理量的相关信息。

经典物理中,当我们测某个系统的能量时,得到的结果是唯一确定的。机械决定论的代表人物法国数学家拉普拉斯有句名言:宇宙像时钟那样运行,某一时刻宇宙的完整信息能够决定它在未来和过去任意时刻的状态。

在量子物理中,情形完全不一样,机械决定论彻底失效。我们知道,光子能量是离散的,但当我们测量某个光子的能量时,我们无法确定能测到哪一具体值,而只能预言测到某个值的概率有多大。再比如,当我们观测电子的自旋时,我们无法事先确定能测到的是左旋还是右旋,我们只能预测测到左旋或右旋概率是1/2。

一个微观粒子,从经典力学来看,它在任一时刻的位置是唯一确定的;但量子物理却认为,该微观粒子,任一时刻可以在时空中的任一点出现。量子世界里,我们无法确定它在哪一点出现,我们所能确定的,是它在某点出现的概率是多少。这是量子物理的一条基本规律:玻恩的波函数概率诠释,波函数是量子力学中描写量子的微观状态的函数。

马克斯·玻恩(Max Born,1882.12.11—1970.1.5,德国物理学家)

在量子物理中,虽然有因仍有果,但是得到什么样的果,已经变得无法确定。原因是确定的,结果却是概率的。经典物理中的机械决定论,量子物理中代之以概率因果论。

3
测得准这个,就测不准那个:互补世界观

在经典物理中,粒子的位置和动量可以同时测定,互不影响。我们可以通过位置,也可以通过动量,详细把握粒子运动的演化。量子世界中,著名的海森堡测不准原理认为:人们不可能同时对粒子的位置和动量都测得任意精确。位置测得越准确,动量就测得越不准确,反之亦然。进一步研究发现,凡是互不对易的两个量(如位置与动量、转角与角动量等),都不能同时测得任意精确。

沃纳·卡尔·海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901.12.5—1976.2.1,德国物理学家)

在经典物理中,在一定时间内,理论上粒子的能量可以测得无比精确。在量子物理中,虽然时间和能量不是共轭量,时间甚至不是算符,但它们仍然满足测不准原理,也就是说,不能在有限的时间里,把粒子的能量测得任意精确。

在量子物理中,微粒既具有粒子性,又具有波动性,就像人面狮身像一样—— 既像人又像狮子,这就是量子的波粒二象性。在量子世界中,必须同时把握量子的粒子性和波动性,才能对客体有全面的了解,忽略两者的任何一面,得到的都是残缺的信息。

玻尔把这一现象上升为一条哲学原理,即互补原理。该原理认为:一些经典概念的应用不可避免地排除另一些经典概念的应用,而这“另一些经典概念”在另一条件下又是描述现象不可或缺的;必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起,才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述。互补原理反映在物理上,就是海森堡测不准原理,这也是量子世界的一条基本原理。

4
观测将产生影响:创造实在观

爱因斯坦有一句名言:我们不观测时,难道月亮就不存在了吗?

这句话反映出爱因斯坦所秉持的客观实在观:客体独立于观测者存在,有没有观测者,客体都照样存在;客体的属性和规律也独立于观测者,与观测者所采取的观测方法也无关。用哲学的术语来说,就是主客体互相独立,相互之间不存在不可分割的联系,主体可以在客体之外去认识客体,同时不对客体产生影响。

这在经典世界中,没错。不管你看还是不看,月亮都在那里,它不会因为你反复观望或几十年不看一次而有丝毫的损减或突然消失。

在量子世界中,情形完全不同。一个自由电子,如果没有观测者的观测,它将处于某种左旋和右旋的叠加态,即一种电子自旋属性不确定的状态。也就是说,这时候讨论电子是左旋还是右旋是没有意义的。

但是你一旦观测,得到的不是左旋电子就是右旋电子。也就是说,你的观测,创造了一个先前不存在的具有确切自旋的电子。

尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885.10.7—1962.11.18,丹麦物理学家)

这反映在认识论上,就是说主客体之间存在着不可分割的联系。单独说客体的属性和规律是没有意义的,必须同时说明主体的情况与其采取的观测方式,主体对客体的认识必须通过对客体施加影响(如观测)来实现。当然,如果在一定条件下主体对客体的影响可以忽略,经典认识论就是适用的。

海森堡的测不准原理、玻尔的互补原理和波恩的波函数统计诠释以及相关联的量子观念,构成量子物理的基本思想—— 哥本哈根诠释。这些思想,不仅影响,甚至革新了人类的哲学观。

虽然量子力学取得了巨大的成功,但仍然有许多未解之谜等待人们去探索去破解,如量子纠缠的本质是什么?它到底存不存在幽灵般的超距作用?时空是不是离散的?等等。随着科学的发展,人们对量子物理中的这些未解之迷的认识,将进一步对人们已有的哲学因果观和时空观带来影响甚至冲击。

参考文献:

[1] 玻尔,《尼耳斯·玻尔哲学文选》,戈革译,商务印书馆,1999年3月

[2] 海森堡,《物理学与哲学》,范岱年译,商务印书馆,1999年5月

[3] 庞加莱,《最后的沉思》,李醒民译,商务印书馆,1996年12月


来源:知识分子



 

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