论近代物理对朴素哲学观念的颠覆

这篇博文的语言比较严肃，这是因为它是我的哲学课程论文… （李超杰老师所授通选课 哲学导论 ，推荐！）文字功底太差，望见谅…

此外，本文对于量子力学的讨论局限于哥本哈根诠释，which … 我本人并不相信 但它毕竟是标准诠释，故以此为代表加以介绍（关键是，多世界和退相干我也讲不清楚 …）

2018 年 5 月注：更精彩的演绎，参见友人 @Brian Chang 新近撰写的文章（竟然被果壳转载了）： 量子力学如何天翻地覆地改变我们对世界的理解？ 本文是其初始参考材料之一

引言

以相对论和量子力学为基石的近代物理不仅是 20 世纪科学领域上的一大飞跃，更是对人类思维方式的一次巨大变革。

在系统地学习过这两门课程之后，笔者发现，要理解这两大理论的自然性，以及其背后隐含的哲学思想，不能只看其数学形式，还应考察其发展历程。

19 世纪末期，建立在力学、电磁学基础上的经典物理渐趋完善。在当时的科学界中，一种流行的观点认为，人类已经完备地掌握了认识世界的理论，剩余的工作只是纯粹的应用以及少许的修补罢了。正如著名物理学家A. A. 迈克尔逊曾说过的，“物理学的真理恐怕得到小数点第六位之后去寻找。”¹

然而，情况旋即发生了变化；有两个问题（常被戏称为“ 晴空中的两朵乌云 ”）无法用当时看似完备的理论进行解释²，它们分别导致了相对论和量子物理的建立。

相对论及其哲学思想

第一朵“乌云”与我们对时空的认识有关：根据电磁理论，我们可以测得地球相对于绝对时空（或以太，ether）的运动速率；而大量实验却表明，地球貌似静止在绝对时空当中一动不动³。

这一结论对物理学家来说是难以接受的，它几乎等同于 地心说 的复活。为了应对这一困难，理论家们提出了各种设想；其中较为流行的一种想法便是地球会 拖拽 以太，使其在自转和公转的过程中，依然相对以太静止。但这些理论最终都难以与实验吻合。

在此过程中，少有人去考察这一问题的前提——即绝对时空的存在性。事实上，在此之前，时空的绝对性被认为是一种先验的概念。这一想法不仅被当时的科学家广泛接受，甚至被大部分哲学家所认同。

时空的相对性

对绝对时空的经典论述见于康德的《纯粹理性批判》之中。康德强调了时间与空间的先验性（transcendental）；虽说他同时强调知觉时间的主观性，但这只是感知层面的相对不同。在物理层面，时空自然具有某种绝对性⁴。

少数哲学家给出了相反的观点，其中代表性的一位便是因强调经验而被列宁大加批判的物理学家、哲学家E. 马赫。马赫推崇实证主义，反对牛顿的时空观，尤其反对绝对 空间 的概念⁵。

马赫的观点对爱因斯坦产生了极大的影响，相对论实际正是这一观念的数学实现。在相对论中，不存在一个绝对的时空，但两个事件的 相对间隔 是绝对不变的。这一体系解决了上述第一朵乌云的困难：如果根本没有所谓的绝对时空，地球相对绝对时空的运动自然便不复存在了。

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爱因斯坦在思想上的另一推进，在于强调了 时间 的相对性，并将时间维度与空间维度极大地等同了起来。在某些情况下，时间成分和空间成分甚至可以相互转化。

例如，相对论表明，在某观测者看来同时不同地的两个事件，在另一个观测者看来很可能是 不同时 但几乎同地发生的。这是哲学难以遇见的结果，因为这一现象只在高速运动情况下变得显著，而在我们的日常生活中没有对应。由此可见，经验对认识有重大影响。设想一种智慧（或如康德所言，“ 有限的理性存在者 ”），它们诞生于高速运动的宇宙尘埃中，不难猜想，对他们而言时空的相对性应当是不言而喻的事实；而由于我们生活的时空十分接近于平坦和静态，绝对时空似乎显得更为自然，因此时空的相对性便似乎难以接受了。

相对时空对因果律的保持

一般的相对时空（尤其是相对的时间）之所以难以被预见和接受，还有一重大的原因，就是其可能违背因果律。如果时间是相对的，考虑由因果链条相连的事件 $A\to B$, 由于时间的相对性，在另一个观测者看来，说不定会发生因果倒转 $B\to A$.

因果律不复存在的世界显然是难以想象的。但有趣的是，哲学确实曾对因果律的客观性产生过质疑，事实上，休谟便认为因果律只是心理上主观归纳的结果⁶。 然而，物理学的发展实际否定了休谟的这种观点；因果关系的客观性是可以检验的，互为因果的事件通过物理上的相互作用联系在一起。

例如，按照休谟的观点，“下雨”$\to$“地湿”很可能是主观归纳的后果，并不是所谓的客观因果；而事实上，“地湿”是雨滴和地面相互作用的后果，这种相互作用可以通过科学仪器探测到，它正是因果联系的实际表现。

那么，如何解决相对时空可能带来的因果矛盾呢？爱因斯坦引入了一个假定，即相互作用的传递速率有一个上限；换句话说，就是因果链条的传递不能是瞬时的。同时，物体运动的速率自然也不能超过相互作用速率上限；而这一上限本身则是一个常量，它正是电磁理论预测的光速。

上述超距作用不存在的假定，结合相对论的数学结构，保证了因果顺序不被破坏。也就是说，逻辑上的因果固定了时间上的先后；如果$A,B$事件之间存在因果联系，它们发生的先后顺序不会因时间的相对性被打乱。

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综上所述，相对论在哲学上的突破主要在于引入了时间维度的相对性，推翻了朴素的绝对时空观念。在这一变革的过程中，相对论特意保证了因果律不被破坏，其内核依然是经典的决定论；在这一点上，相对论与牛顿力学是一致的。

与之相反，量子力学则具有强烈的非决定论倾向。此外，量子理论本身的结构都表现出了对客观实在的强烈怀疑。

量子力学及其哲学思想

19世纪物理学界的第二朵“乌云”与光（辐射）的本质有关。“量子化”缘起于M. 普朗克，他发现在某些情况下，辐射似乎是以一份一份的 能量包 形式发出的，而非连续的 能量流。爱因斯坦正式提出了 量子 的假设，重申了普朗克的思想，并获得了很大成功⁷。

辐射是由原子发出的，辐射的量子化自然引发了一种猜想，即原子本身可能也是一层一层的；这种阶梯一样的 层状结构 导致了辐射场的量子化。N. 玻尔由此提出了玻尔模型，这一模型与实际吻合得不错，但至于原子为何会形成这种层状结构，玻尔无法给出令人满意的解释。直到1924年，L. 德布罗意提出了 物质波 的创造性设想。

德布罗意认为，微观物质可能以一种 波动 的形式存在；原子的层状结构是因为电子在原子周围形成了圆形的驻波，这自然导致了量子化。该过程的图像如下所示⁸。

玻尔模型与德布罗意的物质波，来源：
https://skullsinthestars.com/2015/05/20/1975-the-year-that-quantum-mechanics-met-gravity/

这一妙想自然地说明了原子能级的形成，但其本身确是十分反直观的。要知道，原子论的想法至少可以追溯到古希腊的自然哲学家德谟克里特，相应地对光的波动性也有过长久的讨论，但电子是个波的想法的确可以说是开创性的。

后来，通过精密的实验，我们的确观测到了电子之间的干涉、衍射，正如普通的波动一样。自从物质波开始，量子力学便不再是一个纯粹的物理理论了，而逐渐具有愈加丰富的哲学内涵。

量子力学（传统诠释）必然导致非决定论

任何波动均可用数学上的 波动方程 来描述。物质波提出后不久，E. 薛定谔发表了物质波所满足的波动方程。通过求解波动方程，得到相应的 波函数，薛定谔给出了比玻尔模型更为精确、丰富的原子描述。

然而，以“波动”取代“粒子”，自然带来了一些严重的问题；例如，波的位置是难以确定的，如图所示⁹，但是我们探测到的电子似乎具有明确的位置。

波粒二象性自然导致不确定性，来源：
http://www.canadaconnects.ca/quantumphysics/10068/

实验表明，这种不确定性是确实存在的：取若干具有同样波函数 $\Psi$ 的微观粒子，测量它们的位置，虽然每一次测量都得到了几乎精确的粒子位置，但各次测量结果并不一致，而是满足一定的概率分布。这被称为海森堡不确定性原理，有时更简洁地称为测不准原理。

这表明，量子力学是反决定论的。它只能给出一系列可能的结果，以及相应的概率；对测量结果进行精确预测是根本上不可能的。笃信决定论的爱因斯坦因此对量子力学大加批判，但也无可奈何，因为量子力学确实给出了符合实验的结果。

由此可见，决定论很可能是不成立的；有观点认为，这给自由意志打开了一扇大门。事实上，强决定论的直接后果便是自由意志不复存在，即使我们感知拥有自由意志，也很可能只是一种假象。虽说量子力学框架下的“自由”也只是一定范围内的随机过程，似乎也看不出“意志”的存在，但至少给出了自由意志的一种可能，聊胜于无。

量子力学内蕴的反实在性

此外，量子力学意义下的测量本身也具有特殊的意义，事实上，

观测不仅妨碍了被测对象，而且创造了它…… 我们强迫（电子）保持确定的位置…… 我们自己创造了观测的结果。¹⁰
  —— P. 约当¹¹

从测量前的不定到测量后的确定，这一过程称为波函数的坍缩。

为什么测量可以触发波函数的坍缩呢？有意思的是，唯心主义 者认为，这正是由于人类的意识活动造成的，颇有种“存在即是被感知”的意味；但对如何科学地界定“意识”，比如，低等动物是否拥有意志，能否引发波函数的坍缩，他们并没有给出解答。稍微传统一点的观点则认为，测量仪器与波函数的相互作用（ 退相干 ）导致了坍缩，但具体过程如何也是说不清道不明。

事实上，坍缩的本质直至今日依然是未解之谜。而且，由于任何物理实验均涉及到观测，要通过物理本身研究测量的本质几乎是不可能的，近似于一个循环论证。因此，这方面的研究基本等同于哲学；而不论采用上述唯心主义还是唯物主义的观点，均不得不承认，测量会对状态产生不可消除的干扰，而且这种干扰具有一定的随机性。也就是说，我们无法触及独立于观测的客观实在。由此可见，量子力学本质上便明显具有反实在论的特征。

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进一步的数学形式化表明，波函数对应于抽象空间中的一种状态；这一量子态包含了粒子的所有信息。粒子关于坐标的概率分布，实际上是量子态的坐标表象（representation）。

这一数学结构强烈地暗示着在物质世界之上似乎还存在着某种本体，或某种理念世界，而物质世界只是理念世界的投影。这似乎与柏拉图的设想十分吻合。

由此可见，量子力学几乎对我们所熟识的一切朴素哲学观念提出了质疑。它表明，决定论很可能是不成立的，但这还好，顺便给自由意志留下了余地；然而它还进一步表明，客观实在可能并不存在，即使存在，也难以触及；我们生活的世界极有可能是一种表象。而这一切都源于波粒二象性的假定。

如果否定波粒二象性，自然就解决了上述哲学困扰。然而，波粒二象性已经受了最为严苛的检验；事实上，20世纪的科技革命基本是建立在上述量子力学框架之上的，它造就了我们手中的一切电子设备，同时还给一度完全依赖于经验的化学提供了系统的理论解释。

也就是说，量子理论及其后续发展给出的预测在很大程度上都是精确的，我们很可能不得不接受这一违背经验但与实证吻合的世界观。

总结

通过上述讨论可知，上世纪物理学的革命与其说是理论的飞跃，不如说是思想的巨大变革。物理学的进步，迫使我们重新思考这些古老的哲学问题；而且，为了理解这些理论的结构，或许不得不放弃绝对时间、决定论、实在论这些朴素的哲学观念。

同时，我们发现，这一系列讨论可以基本不引入数学，但必须基于数学，且保持谨慎，避免产生误解。目前关于物理学之哲学本质的讨论常走向极端；例如，近来有许多关于量子力学与佛学的讨论¹²， 有一定道理，但大都是牵强附会，同时曲解了量子力学与佛学二者的本意。而掌握充分数学工具者则往往采取实用主义的态度，精于计算而不论本质。这些都是有害的做法。对于科学之哲学的讨论，不应局限于一家之言，且应当注重实证；本文便是基于此原则的一种尝试。