很早以前读过这本《量子物理史话》,当时也就读过了。最近在研究科学哲学时,突然又回想起这本科普性质的科学史著作,于是又拾起重读了一遍。
这本书的专业性可以暂且放在一边,毕竟只是一本科普著作。但关于量子论的历史发展脉络却基本是符合的,这样的科学史就已经不妨碍我们的形上学讨论了。
重温量子论发展艰难而险峭的历史,是如此让人迷离却又着魔。量子论揭示了这个世界太多太多的古怪与不可思议,我们可以讨论的话题将会有很多。但这篇文章,我想说的是由薛定谔的猫带来的思考。
对于虐猫魔人薛定谔给我们带来的他的既死又活的猫,我相信大多数人都是比较熟悉的了。但这个实验实际揭示的是什么呢?要知道,薛定谔可是量子力学哥本哈根诠释的有力反对者之一。他提出这样一个思想实验的本意可不是用哥本哈根诠释去描述这只猫既死又活。
首先,众所周知,一般认为,经典牛顿力学描述宏观低速行为,相对论包含了经典力学推广到了宏观高速的情况。而量子论却是从微观领域入手,描述的都是微观领域的行为。在著名的杨氏双缝干涉实验中,量子力学的哥本哈根诠释就认为,在观测前,每一个粒子处于通过左缝和通过右缝的几率叠加状态。而在观测后,所有粒子就按照这样的几率被确定了下来。也就是光在未观测的时候是粒子的概率叠加态,在观测时随着波函数的坍缩便表现出了波的性质。这便是著名的光的波粒二象性。
但是,值得注意的是,量子力学描述的总是微观的粒子。而真正的宏观世界的常识却让我们无法理解一个宏观物体是如何处在一个所谓的概率波的叠加态。这种微观世界与宏观世界的深刻矛盾却正是薛定谔所要揭示的。
在薛定谔的猫的实验中,薛定谔正是要将这样的微观粒子与宏观事物联系起来,以此向人们展现这种怪异。薛定谔假设了一个具有衰变几率的粒子,这个粒子的衰变通过装置可以释放毒气从而确定猫的死活。那在哥本哈根的诠释中,当未观测的时候粒子处于衰变与不衰变的叠加态中。对于粒子这样的解释可能还能让人接受。但同时,粒子的衰变却从而确定了猫是死还是活,也就是我们由哥本哈根的诠释同样得出,这只未被观测的猫处于死与活的概率波叠加态中?
这样的结论完全打破了我们的常识,当我们没有观测的时候,猫这样一个宏观实体就化为乌有?成为一缕弥漫的概率波的叠加?我相信这样的解释并不能说服生活在日常世界的人们。要知道常识虽然不一定准确,但却具有较强的直观可靠性。但现在我们最好的科学告诉我们,在微观领域,哥本哈根诠释的量子力学是如此成功,以至于很有可能为真。那我们如何能同时相信在微观领域粒子具有如此的不确定性以至于在未观测时处在概率波的叠加态,而在宏观领域事物是显而易见的具有确定性而不以人的观测而实存。这正是现代物理的困难,也是量子论以后形上学的困难。
薛定谔的猫究竟是死还是活?这正揭示了这样一个微观世界与宏观世界的矛盾与困难。如果我们预设哥本哈根诠释的微观世界与被我们常识认知的宏观世界都是世界的真实。那这样的预设得以可能吗?
微观与宏观,究竟是怎样的关系?我们都知道,所有的宏观事物,皆是由各种各样的微观粒子组成,当然我们也要先预设科学告诉我们的那些粒子真实存在。这属于科学是实在论还是工具论的讨论范围,这里暂且不谈。那么很明显,微观世界以某种结构与形式组成或构建了我们的宏观世界。组成?这不是个体与整体的关系吗?我们不难想到马克思主义哲学,或者更细一点是来自于黑格尔的辩证法。黑格尔曾给出了有趣的谷堆论证与秃头论证。一粒谷子不足以造就一个谷堆,再加一粒呢,再加一粒呢?重复下去,总会有那么一个时候,谷堆出现了。秃头论证大体相同,拔一根头发不足以造成秃头,但持续下去也总会有一个时候产生秃头。这在马克思的唯物辩证法中被作为三大定律之一称为质量互变定律。个体叠加的量变必然造成整体的质变。因此,马克思认为整体可以具有个体所不具有的属性,而且在整体内部的有序的优化的结构下,整体的功能大于部分。
让我们回到量子论的微观世界与我们的宏观世界,粒子的一定结构下的叠加组成了我们的宏观事物。哥本哈根诠释告诉我们微观粒子具有不确定性与非实在性,可是常识告诉我们宏观事物是确定而实在的。在我们利用唯物辩证法解释的时候,问题又来了。是怎样的结构构成与量的叠加让微观粒子造就宏观事物的时候产生了完全矛盾的性质转换?这仿佛也并不符合马克思主义对个体与整体性质的描述。
更困难的问题还不在这里,一般在这种量变到质变的转换中,人们很难指出究竟是那一个具体的个体或者时刻造就是质变本身。黑格尔也指出,造就质变的应该是量变的过程本身。我们应该以一种动态的过程与结构论来理解这种质变。那同样回到我们的微观与宏观世界,微观到宏观的构成中到底发生了什么,让粒子的不确定与非实在发生了向宏观的确定与实在的相反性质的转换。那么很显然,我们很难去确定这种具体的过程中发生了什么。我们能予以理解的只是这个过程本身,但如果是这样,我们对这种性质转换的原因岂不是等于什么都没说?
如果是这样,难道我们必须放弃常识与哥本哈根诠释可以统一为真的可能性?必须用一方去统一另一方?还是说我们必须同时放弃两方,只能相信那个中间的过程与结构?这无疑是相信了现代科学实在论中的结构实在论。
从薛定谔的猫揭示的宏观与微观的深刻矛盾出发,我们是否有理由和有可能找到一个可以解释并统一微观不确定非实在与宏观确定实在的理论?这正是我要问的。质量互变理论有希望解决却也有不可克服的困难,而如果只相信结构实在,却又放弃了真正求真的可能。
量子论带给我们太多的困难与思考。但也正是这些困难与思考显示了人类理性的伟大与人类求真的内在秉性。