哲學悖論的物理學形式

哲學悖論的物理學形式

2013-09-16 10:10 作者：苗千來源：三聯生活周刊

「飛矢不動」這樣的一個哲學命題，最開始被認為是悖論，之後被認定是「聰明的騙局」，歷經了2000多年後才引起重視，轉而被物理學家當作一個物理學命題，最終成為實驗事實，這個實驗也使人們更接近理解「運動」的本質。

哲學悖論的物理學形式

「飛矢不動」這樣的一個哲學命題，最開始被認為是悖論，之後被認定是「聰明的騙局」，歷經了2000多年後才引起重視，轉而被物理學家當作一個物理學命題，最終成為實驗事實，這個實驗也使人們更接近理解「運動」的本質。

文苗千

生活在公元前5世紀的希臘哲學家——埃利亞的芝諾（ZenoofElea），喜歡通過哲學思辨的方式研究運動的本質。他曾經對運動的本質提出了一系列悖論，柏拉圖在著作中記錄了其中最知名的「飛矢不動」悖論：一個飛行中的箭頭，在一個特定時刻，如果它有一個確定的位置，那麼它在這個時刻就沒有運動，因此，這個箭頭就永遠都不會到達目的地。

很明顯，真實的運動是存在的，飛行的箭頭最終也會到達目的地。那麼，如何理解芝諾關於運動的悖論？2000多年以來，這都被認為是一種詭辯，而哲學家芝諾則被認為是一個「聰明的騙子」。直到20世紀，芝諾和他的關於運動的一系列悖論才重新引起了哲學界的關注。

「飛矢不動」悖論不僅吸引了哲學界的關注，在物理學界也引起了廣泛的關注和探討。是否有可能通過物理學實驗真正地實現芝諾悖論，讓人們更加接近理解運動的本質？這對於人類的生活又有什麼意義？實際上，早在20世紀70年代，一些理論物理學家就提出了在量子領域實現芝諾悖論的設想，通過物理學實驗來實現這樣的一個哲學悖論，所依賴的基礎就在於量子力學的基本假設之一：對於量子系統進行觀察會對這個量子系統產生影響。對一個量子系統進行觀測，會導致系統波函數的坍塌，如果對一個量子系統進行頻繁觀測，那麼這個量子系統的演化就將會明顯變慢；如果對一個量子系統進行持續觀察，那麼這個量子系統就可能無法演化，停滯在一個狀態，陷入到「飛矢不動」的狀態。自從理論物理學家提出了這個實驗設想之後，很多實驗物理學家都嘗試通過不同的方式實現這種量子狀態，而且這些嘗試也可能為人類在其他領域的研究帶來影響。

假設存在一個狀態不穩定的、隨時可能發生衰變的粒子，如果人們對它進行觀測的結果是還沒有發生衰變，那麼人們對這個粒子的觀測行為也就使得這個粒子的波函數坍塌到「不衰變」的狀態，而後，在極短的時間內，這個粒子發生衰變的概率將會隨著時間迅速增加。因此，從理論上來說，對這個粒子進行持續不斷的觀測，這個粒子的狀態就將永遠都不會發生改變，保持在「不衰變」的狀態。但是對於一個自然發生的衰變來說，人們很難觀測到這種現象，因為需要觀測的間隔極短，在實際實驗中很難做到。

1988年，美國物理學家理察·庫克（RichardCook）發表論文，提出了一個設想，可以利用單個的、被困離子的受激躍遷的過程實現量子芝諾效應。依照庫克的設想，在1990年3月1日，美國國家標準與技術研究所與科羅拉多大學的科學家大衛·維因蘭德（DavidWineland）和他的同事們在《物理評論A》（PhysicalReviewA）雜誌發表論文《量子芝諾效應》（QuantumZenoEffect），描述他們第一次在量子領域裡實現了芝諾效應（維因蘭德之後因為在量子物理領域的傑出貢獻在2012年獲得了諾貝爾物理獎）。維因蘭德和他的同事們利用電磁場固定住鈹離子，然後再利用雷射把鈹離子降低到極低的溫度。他們利用持續極短時間的光脈衝對這個粒子進行不斷觀測，使鈹離子的狀態「靜止」，第一次實現了在量子領域的「飛矢不動」。

更多的物理學家嘗試通過其他手段在量子領域實現芝諾悖論。2013年8月，德國洪堡大學的物理學家奧利佛·本森（OliverBensen）和他的同事們在《物理評論A》雜誌發表論文《對單固態自旋的量子芝諾現象的研究》（StudyoftheQuantumZenoPhenomenononaSingleSolidStateSpin），描述他們第一次在室溫條件下，在金剛石晶體中實現了量子芝諾現象。這項研究，不僅對於量子物理的理論研究有重要意義，結合之前在金剛石晶體實驗中實現的另一些突破，還有可能對於量子計算機和量子信息網絡的實現有幫助。

本森和他的同事們利用在金剛石中的氮空位晶體缺陷進行實驗——一個氮原子和一個空缺位置取代了在晶體中兩個本該相鄰的碳原子。他們利用微波來改變在晶體中空位電子的磁旋狀態，然後實驗者在任意時間利用雷射脈衝來探測氮空位電子處於兩個可能的量子態中的哪一個。他們發現，在這種情況下，本應在兩種量子態中振蕩的電子的狀態停滯了，也就是說，他們在室溫下，在金剛石晶體中實現了芝諾悖論的「飛矢不動」。

本森和他的同事們實現了在室溫條件下金剛石晶體內部的芝諾悖論，對於量子計算機和量子信息網絡的研究也有意義。結合最近在金剛石晶體內的另一項研究突破，量子芝諾效應對於兩個量子比特的量子門（Two-qubitQuantumGate）的研究有很大推動。本森認為，觀察到了金剛石晶體內部的芝諾現象是第一步，第二步就是利用這一特性研究「量子門」。「門」是在集成電路和計算機中最基本的器件，用來處理「0」和「1」兩個信號的運算關係，而量子態的奇妙之處在於，它可以同時處於「0」和「1」兩種狀態，因此通過「量子門」進行計算，也就有可能實現遠高於普通計算機的效率。

2013年5月2日，荷蘭代爾夫特科技大學的物理學家羅納德·漢森（RonaldHansen）和他的同事們在《自然》雜誌發表論文《兩個固態量子比特相隔3米的糾纏態》（HeraldedEntanglementBetweenSolid-stateQubitsSeparatedbyThreeMetres）。在論文中描述的是量子世界中另一個令人驚奇的現象——量子糾纏。漢森和他的同事們在室溫的條件下，同樣在金剛石晶體中的氮空位中心，首次實現了相隔3米的量子比特的糾纏態。量子糾纏態是量子世界最令人迷惑和著迷的性質之一，也是用於製造量子門的關鍵技術。同樣是在室溫條件下進行的實驗，使兩個量子比特的量子態相互糾纏，這表明金剛石晶體很有可能是最適合製造量子門，在實際條件下進行量子計算的材料，雖然在目前，基於金剛石晶體的實驗效果還不如離子阱（IonTrap），但是漢森認為，金剛石晶體很有可能在幾年的時間內超越離子阱。

物理學家們對於「飛矢不動」這樣一個哲學命題，通過各種的物理學實驗使之成為現實，讓人們對於這個存在了兩千多年的哲學命題有了更深刻的理解，甚至有可能對量子計算機和量子信息網絡研究有巨大的推動作用。同時，各類「飛矢不動」的物理學實驗也可以使人們更深入地思考哲學與物理學之間的關係。

哲學，長久以來被認為是一門高於科學的學科，它的研究方法和研究成果對於自然科學的研究都可以起到指引作用。但是近年來自然科學，尤其是物理學的進步，使它在擺脫了神學的束縛後，繼而擺脫了哲學的幫助，反過來，物理學實驗的結果可以給哲學研究以佐證，這讓理論物理學家史蒂芬·霍金甚至發出了「哲學已死」的論調。

類似於「飛矢不動」這樣的一個哲學命題，最開始被認為是一個悖論，之後被認定是一個「聰明的騙局」，在歷經了兩千多年後才引起哲學界重視，轉而被物理學家當作一個物理學命題來研究，最終成為實驗事實，這正是人類認識世界和理解世界的過程，這個實驗也使人們更接近理解「運動」的本質。同時，人們也難免會產生更多的期待：是否可以通過物理學實驗的方式，真正實現更多的哲學悖論，讓哲學和物理學的命題可以從形上學和邏輯學思辨的領域轉至普遍通過實驗來證實。

（本文參考了《自然》網站的相關報導）

2012年獲得諾貝爾物理獎的科學家大衛·維因蘭德

2012年獲得諾貝爾物理獎的科學家大衛·維因蘭德

生活在公元前5世紀的希臘哲學家——埃利亞的芝諾（ZenoofElea），喜歡通過哲學思辨的方式研究運動的本質。他曾經對運動的本質提出了一系列悖論，柏拉圖在著作中記錄了其中最知名的「飛矢不動」悖論：一個飛行中的箭頭，在一個特定時刻，如果它有一個確定的位置，那麼它在這個時刻就沒有運動，因此，這個箭頭就永遠都不會到達目的地。

很明顯，真實的運動是存在的，飛行的箭頭最終也會到達目的地。那麼，如何理解芝諾關於運動的悖論？2000多年以來，這都被認為是一種詭辯，而哲學家芝諾則被認為是一個「聰明的騙子」。直到20世紀，芝諾和他的關於運動的一系列悖論才重新引起了哲學界的關注。

「飛矢不動」悖論不僅吸引了哲學界的關注，在物理學界也引起了廣泛的關注和探討。是否有可能通過物理學實驗真正地實現芝諾悖論，讓人們更加接近理解運動的本質？這對於人類的生活又有什麼意義？實際上，早在20世紀70年代，一些理論物理學家就提出了在量子領域實現芝諾悖論的設想，通過物理學實驗來實現這樣的一個哲學悖論，所依賴的基礎就在於量子力學的基本假設之一：對於量子系統進行觀察會對這個量子系統產生影響。對一個量子系統進行觀測，會導致系統波函數的坍塌，如果對一個量子系統進行頻繁觀測，那麼這個量子系統的演化就將會明顯變慢；如果對一個量子系統進行持續觀察，那麼這個量子系統就可能無法演化，停滯在一個狀態，陷入到「飛矢不動」的狀態。自從理論物理學家提出了這個實驗設想之後，很多實驗物理學家都嘗試通過不同的方式實現這種量子狀態，而且這些嘗試也可能為人類在其他領域的研究帶來影響。

假設存在一個狀態不穩定的、隨時可能發生衰變的粒子，如果人們對它進行觀測的結果是還沒有發生衰變，那麼人們對這個粒子的觀測行為也就使得這個粒子的波函數坍塌到「不衰變」的狀態，而後，在極短的時間內，這個粒子發生衰變的概率將會隨著時間迅速增加。因此，從理論上來說，對這個粒子進行持續不斷的觀測，這個粒子的狀態就將永遠都不會發生改變，保持在「不衰變」的狀態。但是對於一個自然發生的衰變來說，人們很難觀測到這種現象，因為需要觀測的間隔極短，在實際實驗中很難做到。

1988年，美國物理學家理察·庫克（RichardCook）發表論文，提出了一個設想，可以利用單個的、被困離子的受激躍遷的過程實現量子芝諾效應。依照庫克的設想，在1990年3月1日，美國國家標準與技術研究所與科羅拉多大學的科學家大衛·維因蘭德（DavidWineland）和他的同事們在《物理評論A》（PhysicalReviewA）雜誌發表論文《量子芝諾效應》（QuantumZenoEffect），描述他們第一次在量子領域裡實現了芝諾效應（維因蘭德之後因為在量子物理領域的傑出貢獻在2012年獲得了諾貝爾物理獎）。維因蘭德和他的同事們利用電磁場固定住鈹離子，然後再利用雷射把鈹離子降低到極低的溫度。他們利用持續極短時間的光脈衝對這個粒子進行不斷觀測，使鈹離子的狀態「靜止」，第一次實現了在量子領域的「飛矢不動」。

更多的物理學家嘗試通過其他手段在量子領域實現芝諾悖論。2013年8月，德國洪堡大學的物理學家奧利佛·本森（OliverBensen）和他的同事們在《物理評論A》雜誌發表論文《對單固態自旋的量子芝諾現象的研究》（StudyoftheQuantumZenoPhenomenononaSingleSolidStateSpin），描述他們第一次在室溫條件下，在金剛石晶體中實現了量子芝諾現象。這項研究，不僅對於量子物理的理論研究有重要意義，結合之前在金剛石晶體實驗中實現的另一些突破，還有可能對於量子計算機和量子信息網絡的實現有幫助。

本森和他的同事們利用在金剛石中的氮空位晶體缺陷進行實驗——一個氮原子和一個空缺位置取代了在晶體中兩個本該相鄰的碳原子。他們利用微波來改變在晶體中空位電子的磁旋狀態，然後實驗者在任意時間利用雷射脈衝來探測氮空位電子處於兩個可能的量子態中的哪一個。他們發現，在這種情況下，本應在兩種量子態中振蕩的電子的狀態停滯了，也就是說，他們在室溫下，在金剛石晶體中實現了芝諾悖論的「飛矢不動」。

本森和他的同事們實現了在室溫條件下金剛石晶體內部的芝諾悖論，對於量子計算機和量子信息網絡的研究也有意義。結合最近在金剛石晶體內的另一項研究突破，量子芝諾效應對於兩個量子比特的量子門（Two-qubitQuantumGate）的研究有很大推動。本森認為，觀察到了金剛石晶體內部的芝諾現象是第一步，第二步就是利用這一特性研究「量子門」。「門」是在集成電路和計算機中最基本的器件，用來處理「0」和「1」兩個信號的運算關係，而量子態的奇妙之處在於，它可以同時處於「0」和「1」兩種狀態，因此通過「量子門」進行計算，也就有可能實現遠高於普通計算機的效率。
2013年5月2日，荷蘭代爾夫特科技大學的物理學家羅納德·漢森（RonaldHansen）和他的同事們在《自然》雜誌發表論文《兩個固態量子比特相隔3米的糾纏態》（HeraldedEntanglementBetweenSolid-stateQubitsSeparatedbyThreeMetres）。在論文中描述的是量子世界中另一個令人驚奇的現象——量子糾纏。漢森和他的同事們在室溫的條件下，同樣在金剛石晶體中的氮空位中心，首次實現了相隔3米的量子比特的糾纏態。量子糾纏態是量子世界最令人迷惑和著迷的性質之一，也是用於製造量子門的關鍵技術。同樣是在室溫條件下進行的實驗，使兩個量子比特的量子態相互糾纏，這表明金剛石晶體很有可能是最適合製造量子門，在實際條件下進行量子計算的材料，雖然在目前，基於金剛石晶體的實驗效果還不如離子阱（IonTrap），但是漢森認為，金剛石晶體很有可能在幾年的時間內超越離子阱。

物理學家們對於「飛矢不動」這樣一個哲學命題，通過各種的物理學實驗使之成為現實，讓人們對於這個存在了兩千多年的哲學命題有了更深刻的理解，甚至有可能對量子計算機和量子信息網絡研究有巨大的推動作用。同時，各類「飛矢不動」的物理學實驗也可以使人們更深入地思考哲學與物理學之間的關係。

哲學，長久以來被認為是一門高於科學的學科，它的研究方法和研究成果對於自然科學的研究都可以起到指引作用。但是近年來自然科學，尤其是物理學的進步，使它在擺脫了神學的束縛後，繼而擺脫了哲學的幫助，反過來，物理學實驗的結果可以給哲學研究以佐證，這讓理論物理學家史蒂芬·霍金甚至發出了「哲學已死」的論調。

類似於「飛矢不動」這樣的一個哲學命題，最開始被認為是一個悖論，之後被認定是一個「聰明的騙局」，在歷經了兩千多年後才引起哲學界重視，轉而被物理學家當作一個物理學命題來研究，最終成為實驗事實，這正是人類認識世界和理解世界的過程，這個實驗也使人們更接近理解「運動」的本質。同時，人們也難免會產生更多的期待：是否可以通過物理學實驗的方式，真正實現更多的哲學悖論，讓哲學和物理學的命題可以從形上學和邏輯學思辨的領域轉至普遍通過實驗來證實。

（本文參考了《自然》網站的相關報導）

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