突破常識：量子物理的哲學內涵

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撰文丨楊榮佳（河北大學教授）

責編丨戴 威

最近蘋果公司發布新的 iphone12 系列的手機，最吸引大眾眼球的亮點之一是晶片 A14，採用了最新的5納米工藝技術，把上百億的電晶體集成在一起。這在幾百年、幾十年甚至幾年前來看，都是難以想像的事情。諸如此類的生產技術的重大突破，都離不開量子物理的發展。

在其他領域，小到雷射筆、U盤的生產，大到飛機、輪船、衛星的製造，無一不受到量子物理的影響。在思想觀念方面，自誕生之日起，量子物理也不斷地給現代社會帶來衝擊。本文擬從以下幾個方面，簡要介紹一下量子物理對人類哲學觀的影響。

1、世界不一定是連續的：離散物質觀

哲學的發展，離不開物理學的推動。唯物主義哲學，從牛頓力學吸取了不少有益的養分。根據牛頓力學，描述一個系統，一般需要三個量：坐標、動量和能量，並且這些量都是連續變化的。孔子說：「逝者如斯夫，不舍晝夜」，說的就是時間不停地流逝。

牛頓時代，人們雖然已經認識到河流是由水分子組成的（離散的），不過仍認為時空、動量和能量是連續的。直到物理學天空一朵烏雲的出現，能量的連續性觀點才被顛覆。

這朵烏雲就是黑體輻射。「黑體」 是物理學中完全吸收外來的電磁輻射的理想模型，不過，實驗中的黑體輻射的能譜與經典理論給出的預言不符。為了解決這個矛盾，普朗克發現，如果假設黑體的能量是一份一份地輻射，而不是像經典理論假設的那樣連續輻射，那麼由此得到的黑體輻射公式就能很好地與實驗一致。

在當時，能量可以分成最小份是個離經叛道的假設，不過，愛因斯坦的發現支持了普朗克。關於光的本性，一直以來有兩種觀點：一種是 「光的微粒說」，認為光是由許多微粒組成的，牛頓是這一觀點的倡導者；另一種是 「光的波動說」，認為光是一種連續不斷的波。在光的雙縫幹涉實驗和赫茲驗證了麥克斯韋關於光是電磁波的預言之後，光的波動說取得壓倒性勝利。但是光電效應的發現，光的波動說無法解釋。受普朗克的能量子觀點的啟發，愛因斯坦認為光也是由一個一個的「光子」組成，每個光子具有一定的頻率和能量。愛因斯坦的光子說，發展了牛頓的光的微粒說，並成功地解釋了光的波動說無法解釋的光電效應。

能量的量子化，即能量擁有最小單元、不可無限細分，顛覆了人們以往的直觀經驗以及建立在其上的物質觀。但是，量子力學並沒有明確給出時空和動量是否也是量子化的。龐加萊根據量子物理基本原理推測：時空本身也是量子化。一些量子引力理論，如超弦理論和圈量子引力理論，預言時空是離散的。如是，那麼動量也可能是離散的，這將進一步革新人們的物質觀。

除了能量、時間、空間，微觀中的電子軌道也不是連續的。實驗觀測發現，核外電子輻射的並非連續的光譜，而是間隔的幾條光譜線。玻爾根據量子物理，提出新的原子模型：電子只能在原子核外的一些固定的軌道上運動，當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，會輻射或吸收相應能量的光子。

玻爾原子模型 圖源：Wikimedia Commons/Bohr atom model

量子物理中還有一個重要的離散化現象，那就是粒子的自旋。比如光子的自旋為1，電子的自旋為1/2，引力子的自旋為2，等等。根據自旋，基本粒子分為兩類：玻色子和費米子。玻色子的自旋為整數，費米子的自旋為半整數。

自旋，在經典物理中沒有對應的概念，是量子物理的一個全新的發現。

2、只有概率，沒有確定：概率因果觀

因果觀是重要的哲學內容。無因不能生果，有果必有其因。這是因果觀的主要觀點之一。反映在經典物理中，就是機械決定論：根據經典物理規律，我們可以給出粒子任何時候的諸如位置、動量和能量等物理量的相關信息。

經典物理中，當我們測某個系統的能量時，得到的結果是唯一確定的。機械決定論的代表人物法國數學家拉普拉斯有句名言：宇宙像時鐘那樣運行，某一時刻宇宙的完整信息能夠決定它在未來和過去任意時刻的狀態。

在量子物理中，情形完全不一樣，機械決定論徹底失效。我們知道，光子能量是離散的，但當我們測量某個光子的能量時，我們無法確定能測到哪一具體值，而只能預言測到某個值的概率有多大。再比如，當我們觀測電子的自旋時，我們無法事先確定能測到的是左旋還是右旋，我們只能預測測到左旋或右旋概率是1/2。

一個微觀粒子，從經典力學來看，它在任一時刻的位置是唯一確定的；但量子物理卻認為，該微觀粒子，任一時刻可以在時空中的任一點出現。量子世界裡，我們無法確定它在哪一點出現，我們所能確定的，是它在某點出現的概率是多少。這是量子物理的一條基本規律：玻恩的波函數概率詮釋，波函數是量子力學中描寫量子的微觀狀態的函數。

馬克斯·玻恩（Max Born，1882.12.11—1970.1.5，德國物理學家）

在量子物理中，雖然有因仍有果，但是得到什麼樣的果，已經變得無法確定。原因是確定的，結果卻是概率的。經典物理中的機械決定論，量子物理中代之以概率因果論。

3、測得準這個，就測不準那個：互補世界觀

在經典物理中，粒子的位置和動量可以同時測定，互不影響。我們可以通過位置，也可以通過動量，詳細把握粒子運動的演化。量子世界中，著名的海森堡測不準原理認為：人們不可能同時對粒子的位置和動量都測得任意精確。位置測得越準確，動量就測得越不準確，反之亦然。進一步研究發現，凡是互不對易的兩個量（如位置與動量、轉角與角動量等），都不能同時測得任意精確。

沃納·卡爾·海森堡（Werner Karl Heisenberg，1901.12.5—1976.2.1，德國物理學家）

在經典物理中，在一定時間內，理論上粒子的能量可以測得無比精確。在量子物理中，雖然時間和能量不是共軛量，時間甚至不是算符，但它們仍然滿足測不準原理，也就是說，不能在有限的時間裡，把粒子的能量測得任意精確。

在量子物理中，微粒既具有粒子性，又具有波動性，就像人面獅身像一樣—— 既像人又像獅子，這就是量子的波粒二象性。在量子世界中，必須同時把握量子的粒子性和波動性，才能對客體有全面的了解，忽略兩者的任何一面，得到的都是殘缺的信息。

玻爾把這一現象上升為一條哲學原理，即互補原理。該原理認為：一些經典概念的應用不可避免地排除另一些經典概念的應用，而這「另一些經典概念」在另一條件下又是描述現象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補的概念匯集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述。互補原理反映在物理上，就是海森堡測不準原理，這也是量子世界的一條基本原理。

4、觀測將產生影響：創造實在觀

愛因斯坦有一句名言：我們不觀測時，難道月亮就不存在了嗎？

這句話反映出愛因斯坦所秉持的客觀實在觀：客體獨立於觀測者存在，有沒有觀測者，客體都照樣存在；客體的屬性和規律也獨立於觀測者，與觀測者所採取的觀測方法也無關。用哲學的術語來說，就是主客體互相獨立，相互之間不存在不可分割的聯繫，主體可以在客體之外去認識客體，同時不對客體產生影響。

這在經典世界中，沒錯。不管你看還是不看，月亮都在那裡，它不會因為你反覆觀望或幾十年不看一次而有絲毫的損減或突然消失。

在量子世界中，情形完全不同。一個自由電子，如果沒有觀測者的觀測，它將處於某種左旋和右旋的疊加態，即一種電子自旋屬性不確定的狀態。也就是說，這時候討論電子是左旋還是右旋是沒有意義的。

但是你一旦觀測，得到的不是左旋電子就是右旋電子。也就是說，你的觀測，創造了一個先前不存在的具有確切自旋的電子。

尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾（Niels Henrik David Bohr，1885.10.7—1962.11.18，丹麥物理學家）

這反映在認識論上，就是說主客體之間存在著不可分割的聯繫。單獨說客體的屬性和規律是沒有意義的，必須同時說明主體的情況與其採取的觀測方式，主體對客體的認識必須通過對客體施加影響（如觀測）來實現。當然，如果在一定條件下主體對客體的影響可以忽略，經典認識論就是適用的。

海森堡的測不準原理、玻爾的互補原理和波恩的波函數統計詮釋以及相關聯的量子觀念，構成量子物理的基本思想—— 哥本哈根詮釋。這些思想，不僅影響，甚至革新了人類的哲學觀。

雖然量子力學取得了巨大的成功，但仍然有許多未解之謎等待人們去探索去破解，如量子糾纏的本質是什麼？它到底存不存在幽靈般的超距作用？時空是不是離散的？等等。隨著科學的發展，人們對量子物理中的這些未解之迷的認識，將進一步對人們已有的哲學因果觀和時空觀帶來影響甚至衝擊。

參考文獻：

[1] 玻爾，《尼耳斯·玻爾哲學文選》，戈革譯，商務印書館，1999年3月

[2] 海森堡，《物理學與哲學》，範岱年譯，商務印書館，1999年5月

[3] 龐加萊，《最後的沉思》，李醒民譯，商務印書館，1996年12月