從狹義到廣義「測不準原理」

2020-12-04 鄧如山

我們不能判斷一個粒子的運動軌跡,這是由「狹義測不準原理」決定的,同樣不能判斷一個行星的運動軌跡,這是由「廣義測不準原理」決定的。當我們不去觀測一個粒子的運動特性時,該粒子處於粒子性和波動性的疊加狀態,不能確定一個處於疊加態粒子的運動軌跡,這是量子物理學家定義的「測不準原理」或「不確定性原理」的真正含義。當我們觀測一個粒子的運動特性時,眼睛發出和接受光子的行為將影響一個粒子的疊加態,用數學描述的粒子行為的波函數發生「崩塌」,「去波動性」的粒子獲得確定位置的運動軌跡。對一個有確定位置粒子的測量行為仍然會影響該粒子的運動軌跡,因此,我們不能絕對精確地測量一個粒子的運動路徑,這是「測不準原理」的另一種含義。可以定義兩種類型的「測不準原理」,一種是物理學家發現和解釋的量子疊加性、或粒子行為量子態的不確定性;另一種是從物理哲學角度定義的非疊加態、或單一態粒子的不確定性。物理學家發現的」測不準原理」適用於疊加態的粒子;而我們引入的「狹義測不準原理」適用於單重態的粒子。

物理學家發現的「測不準原理」與某個人的測量行為無關,粒子的不確定性是它自身的性質,如果一位觀測者不去幹擾一個粒子的行為,該粒子可能同時出現在這個位置和那個位置,我們不能捕捉到它運動的具體位置,根本的原因是它沒有具體的位置。而從物理哲學定義的「狹義測不準原理」與我們的測量行為有關,測量行為造成了一個粒子失去波動性,從而轉變成有具體位置的粒子,該粒子或者在這個位置、或者在那個位置,即便如此,我們不能絕對精確地測量該粒子的運動軌跡,無論使用怎樣精密的量子儀器,使用儀器的測量行為都會或多或少地幹涉到粒子的運動軌跡。我們不能完全消除測量的「噪音」,這是「狹義測不準原理」產生的主要原因。比如:電子在原子核周圍的運轉形成「電子云」,這是由電子的量子疊加態決定的,當我們試圖測量每一個電子在原子核周圍的運動路徑時,哪怕使用最最精密的量子檢測儀器,也難以測量每一個電子在諸如:0.01秒、0,02秒、0,03秒之後出現在核外軌道的某個位置。

第一類量子行為的不確定性與量子的疊加態有關,第二類粒子行為的不確定性與對單個粒子運動軌跡測量的精確性有關,第一類量子態和第二類粒子軌跡在不確定性的含義上符合哲學量子論的「等效原理」。第一類量子行為的不確定性指的是量子的不可測量性,或者測量的行為將破壞量子的疊加態,第二類粒子行為的不確定性指的是不能完全精確地測量一個粒子的運動軌跡,或者任何粒子都具有可測量性,我們只是不能在每一個極小的時間間隔點確定每一個粒子的精確位置。由於存在第二類粒子行為的不確定性,物理學家放棄了用牛頓力學和運動學揭示粒子軌跡的可能,他們改用概率論和波函數的數學工具來展示粒子的運動軌跡。「測不準原理」不適合對第一類量子行為的語言定義,這一原理的準確含義是「不可測原理」、或者「不確定性原理」,而「測不準原理」適合揭示第二類粒子的量子行為,這一原理的準確含義是「可測原理」、或者「測不精確原理」,比如:在原子核周圍的「電子云」中,我們不知道每一個電子在某一時刻的精確位置,只能知道每一個電子在某一個位置出現的概率。

就像愛因斯坦通過物理學的「等效原理」將狹義相對論推廣到廣義相對論一樣,我們可以通過哲學邏輯論的「等效原理」將「狹義測不準原理」推廣到「廣義測不準原理」。像光子和電子一類的粒子符合「狹義測不準原理」的描述,像地球和太陽一類的天體符合「廣義測不準原理」的解釋。我們在太陽系的尺度上可以精確地確定地球的運動軌跡,根據牛頓力學和運動學的規律,知道任何一個天體的初始位置,可以計算該天體在任意時刻出現的位置。我們在銀河系的尺度上可以精確計算地球的運動軌跡,然而,在本星系群、本星系團和超本星系團的尺度上,我們基本不能確定地球在任意時刻的精確位置。地球的複合運動在太陽系、甚至在銀河系的尺度上表現更為簡單,地球的複合運動在星系團和超星系團的尺度上表現得更為複雜,當地球複合運動的軌跡複雜到我們不能計算、不能確定的時候,「廣義測不準原理」的作用將顯現出來。就像不能完全精確地測量一個粒子的運動軌跡,我們也不能完全精確地測量一個天體在特定大尺度條件下的運動軌跡。

在一定的微觀尺度上,我們不能絕對精確地測量一個粒子的位置,在一定的宏觀尺度上,我們不能絕對精確地確定一個天體的位置,這種微觀和宏觀的不確定性符合哲學尺度論的「等效原理」,以此為基礎,我們將微觀世界的「狹義測不準原理」推廣到宏觀世界的「廣義測不準原理」,這兩大原理構成了我們認識物理哲學和天文哲學的基礎,甚至在更大的學科範圍內構成了我們認識自然哲學的基礎。對自然哲學的認識是有條件的,不是無條件的;有時代和技術的局限性,不是沒有時代和技術的局限。在自然哲學的歷史認識中包含了邏輯,在自然哲學的邏輯認識中包含了歷史,對自然哲學的邏輯認識不能超越歷史,對自然哲學的歷史認識不能脫離邏輯,歷史的和邏輯的方法是我們研究自然哲學的基本要求。在相對簡單的符合運動中,我們可以精確地判斷地球的自轉、公轉和地球的「進動」,而在相對複雜的複合運動中,我們不能清楚地確定地球在某一種坐標下的運動軌跡。對地球複合運動軌跡的認識可以延伸到其它的天體。當試圖認識事物在無限時空下的變化趨勢和終極性的存在問題時,我們的思維都會遭遇難以預測、難以計數和斷定的未知因素。

宇宙學哲學手稿:『2018-6-28

( From narrow to broad or from Special to general "uncertainty principle")

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