解析世界十大著名悖論之八:薛定諤的貓

薛定鍔的貓是量子力學領域的一個著名悖論:一隻貓、一些放射性元素和一瓶毒氣一起被封閉在一個盒子裡。在一個小時內,放射性元素衰變的幾率為50%。如果衰變,那麼一個連接在蓋革計數器上的錘子就會被觸發,並打碎瓶子,釋放毒氣殺死貓。因為這件事會否發生的概率相等,薛定鍔認為在盒子被打開前,盒子中的貓被認為是既死又活的。

解析世界十大著名悖論之八:薛定諤的貓

我們一般會認為,在沒有人觀察的時候,薛定諤的箱子裡的粒子要麼衰變了,要麼沒有衰變,二者必居其一。但是這不符合量子力學的要求。如果二者必居其一,量子力學就無法解釋雙縫干涉實驗,無法解釋粒子的波粒二相性。量子力學認為箱子裡的粒子處於“衰變”和“沒有衰變”這兩種狀態的“疊加狀態”。

我們無法理解量子力學意味著它不能滿足邏輯統一性標準。好在這個標準不是真理的根本標準,而是一個替代標準。真理的根本標準是實用,理論的作用是提高人的實踐能力,當量子力學的公式能夠幫人解決實際問題的時候,我們就可以認為它是真的。

真理的替代標準包括預見性標準、簡單性標準、穩定性標準和邏輯統一標準。量子力學能夠準確預言很多實驗結果說明它滿足預見性標準,能用簡單的公式表示說明它滿足簡單性標準,能長期經受實踐考驗說明它滿足穩定性標準。所以在五個真理標準中,量子力學滿足四個,只有一個不滿足,而且我們找不到比量子力學更好的理論。所以不管我們理解不理解,我們都不得不接受量子力學,無法理解的問題只能用其他方法解決。

在科學的歷史上,除了量子力學之外還有很多理論曾經無法讓人理解,多數後來都理解了。無法理解就是矛盾的對立狀態,理解了就是矛盾的統一,矛盾的統一都是通過某些具體途徑實現的。什麼是矛盾統一的具體途徑呢?例如,十字路口東西走的時候,南北就不能走,這是一對矛盾,不能統一,不能東西南北同時走。但如果修個立交橋這對矛盾就統一了,立交橋就是實現矛盾統一的具體途徑。過去人們沒見過立交橋,所以你對他說東西南北可以同時走,他就會認為不可能。人的想象力可以隨著人的智力和實踐而發展,如果我們沒有足夠的想象力,就很難找到這些具體途徑。現在我們無法理解量子力學的矛盾,很可能是因為我們現在還缺乏想象力。愛因斯坦認為,量子隨機就像物理學中其他所有類型的隨機一樣,是背後一些更加深刻過程的結果。

構建這些深刻過程的假說不是完全沒有,人們已經提出了很多可能性,只是還都不夠成熟。例如,量子特性是以概率為基礎的,概率是對事實的抽象描述,概率與事實有本質的差別。打靶時彈著點在靶上的分佈可以用概率來描述,但某一槍打到靶上之後,它在這個位置的概率必然是百分之百,在其他位置的概率都是零,即坍縮了。微觀粒子的運動無法細緻觀察,只能用概率描述,所以我們無法知道微觀粒子的運動和屬性會坍縮成什麼樣。由於宏觀事物的坍縮可以被觀察,因此所有的宏觀事物都沒有量子特性。如果有一天我們的觀測手段足夠精細,那麼量子貓的矛盾也許就不存在了。

波和粒子是完全不同的兩種物質,量子力學告訴我們物質具有波粒二相性,這讓我們很難理解,但駐波也許可以幫助我們理解。駐波首先是一種波,但固定不動,很像一個球,球就是粒子。駐波能表現出粒子性,從一列普通的波變為粒子的條件是波的相位變化,只要相位合適,波就能變成粒子,相位稍有變化,粒子就消失了。正反粒子可能就是這樣湮滅的,一個電子可以同時通過兩個縫隙,就是因為電子本身就是波。

上面關於駐波和概率的解釋是解決量子力學矛盾的具體途徑,這些途徑都是試探性的,科學家們還提出過很多其他試探性理論,哪種試探能夠成功還沒有定論。

客觀事物是具體的,理論是抽象的,所以理論與事實之間永遠有一道不可逾越的鴻溝。當理論能夠成功地解決實際問題的時候,我們就會忽略這個差別,覺得理論與實際完全吻合了,其實這只是一種錯覺。

公式是抽象理論的組成部分,公式能描述現實,但公式變形後能描述另一個現實嗎?量子的疊加態和糾纏態都是公式推導之後的結果,公式推導的過程沒有問題嗎?公式推導沒有條件限制嗎?牛頓力學的公式被無數人使用和推導過,都沒有發現問題,但這並不能說明它真的沒有問題。

所有的理論都是人造的假說,既然是假說,就不是客觀世界的本來面目,而是假的面目。假說經過檢驗我們認為它可以變成真理,但問題是真理將來有可能被推翻,即真理仍然不真,從這個意義上說所有的真理都是假的。老子說:“道可道,非常道。”道可以被描述,但描述的道不是其本來面目。所以我們可以假設所謂疊加態在現實中並不是真實的存在。

需要注意的是,現在有人把微觀粒子的非決定性與意識的非決定性混為一談。例如,倫敦政治經濟學院的哲學家克里斯蒂安·利斯特(Christian List)說,“如果某個層次是決定論的,那麼在更高和更低層次都完全可以是非決定論的。”

人有自由意志,因為人是複雜系統,蛋白質的分子量極大,結構和功能極其複雜,人的器官和神經系統更復雜,科學家不知道大腦是怎樣工作的,所以我們只能承認大腦有自由意志。但是微觀粒子是簡單系統,承認簡單系統具有自由意志完全是背叛科學精神。不管解決量子力學悖論的任務有多難,我們都不能承認簡單系統是自由的。隨著科學的進步,生物和人的非決定性也會逐漸消除。我們對於生物和人的瞭解越來越多,很多過去認為是活的、自由的東西已經逐漸變成了死的東西。當我們能準確描述大腦的工作過程的時候,我們就可以說“人是機器”了。


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