叛逆的薛定谔 我恨薛定谔
人这个物种在成长到某个阶段的时候,往往会在一些问题上犯轴,比如宇宙中有没有外星人,比如她爱不爱我或者她还爱不爱我,又或者我为什么活着等等类似于这样的问题。很不幸的是,有时候,我也会这样。
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我们今天要从一个很著名的实验开始讲起,这里有一支科学史上最著名的猫。
1935年,奥地利物理学家薛定谔提出了这样一个实验:一只猫被封在一个密室里,密室里有食物有******。******瓶上有一个锤子,锤子由一个电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎******瓶,释放出里面的*********气体,猫必死无疑。原子核的衰变是随机事件,物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天,则过一天,该元素就少了一半,再过一天,就少了剩下的一半。物理学家却无法知道,它在什么时候衰变,上午,还是下午。当然,物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是猫在上午或者下午死亡的几率。
如果我们不揭开密室的盖子,根据我们在日常生活中的经验,可以认定,猫或者死,或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫,则只能说,它处于一种活与不活的叠加态。我们只有在揭开盖子的一瞬间,才能确切地知道猫是死是活。此时,猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态。量子理论认为:如果没有揭开盖子,进行观察,我们永远也不知道猫是死是活,它将永远处于半死不活的叠加态,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。
看懂了么?
其实看不懂也没关系,物理学家玻尔说过这样一句话:“谁要是第一次听到量子理论时没有发火,那他一定没听懂。”事实上,薛定谔提出这个实验的目的,本身也是为了说明量子力学中量子叠加原理的,不过从量子态换到了一种更为宏观的和通俗的方式。
需要说明的是,这个实验是一个思想实验,向小动物协会保证,没有人需要对某只被摆上科学祭坛上的猫的处境负责。
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一般来说,作为一篇讲道理的文章,往往会从论点出发,使用论据进行论证,构成一个小学三年级学生眼里完美的议论文。但是对于我笔下这样一篇不严谨的、小打小闹的、伪科普真瞎扯的水文来说。层级、角度、都不是我关注的点,大家对这种东突西进,九浅一深的方式,呃,习惯就好。
从薛之谦,啊不,薛定谔的实验中,我们首先要拿出来谈论的要素是:观测。希望大家还记得,在猫的实验中,薛定谔提出了猫的“生死叠加态”,这个状态在严肃科学中,也是有一个严肃的名字的,叫“薛定谔猫态”。
(个_个),呃,科学家造个新名词还真是容易啊。
然而,薛定谔猫态终止于一个观测的行为。用科学家的语言来说,观测使生死叠加态坍塌至一个确定的本征态。而用人类的语言描述,那就两句:看了,没挂。或者,看了,挂了。你看,观测这个看似无害的行为,在科学上竟然具有决定生死的威力。
我们把观测拿出来说,是因为观测本身,使我们认识世界,发现真理的手段。人类无法绕过观测而认识这个世界,这一点已经被绝大多数人认同。从人类吃生肉光屁股的年代开始,人类就开始通过观察星空来认识这个世界,牛顿力学体系的建立,是从对一颗苹果的观测开始的。通过观测的手段,发现科学的规律,进而认识这个世界,这是大家通常认识的科学的含义。
这里再插一句题外话,应该说我们刚才谈论了科学史上最著名的猫,而砸了牛顿的苹果,也堪称科学史上最牛掰的的苹果了。
三百五十多年来,人类对牛顿爵士的崇拜,不仅仅局限在威斯敏斯特教堂的一角里,已然延伸到了苹果上来。1998年,牛顿的母校剑桥大学,率先从半死不活的那棵树上剪枝嫁接,移栽到剑桥大学的校园内。2009年,天津大学的校长赴英国考察的时候,也在牛顿故居伍尔斯索普庄园的那个著名的苹果树上剪下了几个枝条,然后漂洋过海的嫁接到了天津大学校内的一颗苹果树上,名其为:牛顿苹果树。你看,科学家起个名字就是这么省事。还没完,2012年1月,由李嘉诚转赠给汕头大学的另外一株“牛顿苹果树”枝条落户汕头大学,同样,为确保“牛顿苹果树”移植成功,汕头还成立了“牛顿苹果树”项目小组,制定了《牛顿苹果树栽培工作计划》,派专人管理。听说南京大学也曾起意“进口”一枝牛顿苹果树,不知是否成行。
其实牛顿被苹果砸中的故事,最早出现在1727年法国哲学家伏尔泰出版的一本著作中。并不知道真假,而且,真正的那棵牛顿苹果树,已经被证实于1820年被砍掉了。
你看,其实科学并不高尚,它和迷信不过一步之遥。在学校里移植牛顿苹果树这事儿,本质上和大一男生在宿舍挂柯南的海报是一个性质。
科学发展,始于观测,观测人类进一步认识这个世界具有重大的意义。
这一点相信大家不难理解,所以,接下来,我们就来推翻这个想法。
观测,并不是我们认识这个世界的好办法。是因为这个世界,不能被测量。
我们在中学时代曾经接触过这样一个科学名词,波粒二象性。波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。1905年,爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。1924年,德布罗意提出“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。事实上这种状态比薛定谔猫态更加让人难以理解。我们无法准确的知道粒子状态,然而这又是构成我们这个世界的基本元素。在我们严重规律的世界,是由无法准确测量位置或者动能的小的粒子构成,甚至我们本身的的肉体也是这样。
事实上,这和测量手段的先进程度并没有什么关系,“测不准”已经成为了物理学普遍接受的学说。这里不得不提及另外一个科学大牛,海森堡。
海森堡名气相较于爱因斯坦和薛定谔稍逊,爱因斯坦在国外流亡的时候,他正在担任纳粹的核武器研发小组组长,而和薛定谔想必,显然是因为他不会举例子。
不确定性原理(Uncertainty principle),又译称测不准原理,是由海森堡于1927年提出,这个理论是说,你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数(Planck constant)除于4π(ΔxΔp≥h/4π),这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。此外,不确定原理涉及很多深刻的哲学问题,用海森堡自己的话说:“在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,所得出的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”
无论前面那句,还是后面那句,都不像是人类可以理解的语言。如果海森堡也能提出一个关于狗或者北极熊之类的例子来说明自己的理论的话,相信我,他的名气会比薛定谔大得多。毕竟薛定谔这个名字是如此的拗口,而海森堡……无论你把他和麦当劳放在一起,或者把他想成一个中世纪德国的城堡,都能很快的记住他的名字。
不确定性原理使拉普拉斯科学理论,即一个完全确定性的宇宙模型的梦想寿终正寝:如果人们甚至不能准确地测量宇宙当前的状态,那么就肯定不能准确地预言将来的事件(否认观察者可以确定未来)!但客观来说宇宙当前的状态是确定的无疑(承认客观未来的确定性)。
然而悲观的是,我们根本无法观测它。在多年的牛顿经典力学的教育之下,我们已经习惯了这样的观念:宇宙是完全被决定的,存在一组科学定律,只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态,我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件,例如,假定我们知道某一个时刻的太阳和行星的位置和速度,则可用牛顿定律计算出在任何其他时刻的太阳系的状态。甚至我们还在内心深处认为,在这个世界中,存在着某些定律,它们类似地制约其他每一件东西,包括人类的行为。所以,只要人类掌握了这样的规律,便能完全掌握这个世界,预知未来。不确定性原理的出现,让这个想法彻底成为了无根之水。
在量子力学壮大起来的过程中,爱因斯坦说过一句很著名的话,上帝不掷筛子。但是其实霍金说过另一句话,上帝不仅掷骰子,还掷到了我们看不到的地方。
对啊,我们得出了自己的结论:
这个世界,终究是测不准的。
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再次回到薛定谔的猫上来。
薛定谔的猫本身是一个假设的概念,随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔猫。2016年5月26日,美国《科学》杂志发表研究说,科学家在实验中制造出一种状态更加奇异的“薛定谔猫”,它同时存在于两个箱子之中,这项成果朝研制实用可靠的量子计算机迈出了又一步。
科学真牛逼。
我刚才故意绕过了一个点,那就是薛定谔猫态的定义。我们阐述了它是怎么来的,它可能呈现出来的样子,但是我们并没有说明,这个状态到底是一个什么状态。
非生非死?不对。
不生不死?不对。
你看,现实中其实有了这种状态,但是,我们仍然没办法准确的描述它。
事实上这件事让科学家们伤透了脑筋,甚至让科学界又多了几个名词:哥本哈根诠释、多世界诠释、量子自杀等等。
但是这一切都没什么卵用。
因为这个世界除了测不准之外,还有另一个让人坐地崩溃的属性:道不明。
在西方哲学的历史上,一向是理性主义占据了上风,从苏格拉底、柏拉图、笛卡尔、斯宾诺莎康德黑格尔一路下来,大家都喜欢讲道理,因为哲学本身是一个有着严谨逻辑的学科,但是到了叔本华,尼采,罗素这些人手里的时候,发现大家都开始不讲道理,或者不那么体系的去讲道理。
叔本华是少数维特根斯坦阅读并欣赏的哲学家之一。影响了尼采、萨特等诸多哲学家,开启了非理性主义哲学,尼采十分欣赏他的作品,曾作《作为教育家的叔本华》来纪念他。瓦格纳把歌剧《尼伯龙根的指环》献给叔本华。莫泊桑称他为“人类历史上最伟大的梦想破坏者”。国学大师王国维的思想亦深受叔本华的影响,在其著作《人间词话》中以叔本华的理论评宋词;还曾借助其理论发展了红学,成就颇高。
如果你考国考或者MBA,逻辑能考高分,那么你在看尼采写的书的时候你会觉得很痛苦,非常痛苦。尼采大量的使用比喻和意向来说明哲学问题,同时他并不是按照逻辑规律来安排自己论证,想哪儿说哪儿,异常的奔放和跳脱。他最著名的著作《查拉图斯特拉如是说》是借用了异教神明的嘴说出来的。
为什么理性和逻辑在哲学这门学科上逐渐的没落了?
其实这事真是不怪人哲学家,事实是人们逐渐发现,人类的语言无法准确的描述哲学的道理。
东方呢,好一点。
相较于西方人,东方的思想家们都不太轴, 尤其是中国人。
中国人,在打哑谜这件事上,有着登峰造极的成就。在回答世界本质,宇宙真理问题的时候,都能自觉选用模糊描述,老子讲道可道,非常道,到孔子又开始讲礼,道德仁义,非礼不成,教训正俗,非礼不备;宋明理学认为的万物有理,再到王阳明的理在心中。道、礼、理、心,作为一门学说的核心概念而言,都是十分模糊不可捉摸的东西。
反倒是从印度发源的佛家,在描述这个问题上,有了一点有益的贡献,虽然他们也没讲明白,作为宗教核心概念的佛性到底是什么。
八不中道是三论宗理论与观行的中心。根本圣典,是龙树论师所造的《中观论》。“不生不灭,不常不断,不一不异,不来不出”。佛家提出的八不中道,为什么都是否定句。他们传达了这样一个真理,人类的语言无法通过肯定的形式描述事物的本质。这八句话是用来说明佛到底是什么这个问题的。尽管不太明白,但是它给我们描述这个世界提供了一种方法:反向逼近法。
我们在描述一个自己不认识的事物时,往往需要借用自己已知的概念,通过不断的否定,来逐渐接近一个肯定的答案。这就跟我们看王牌对王牌,经常能看到的猜词游戏一样。给你一个名字,你得不断的去否定它,不是男的,不是港台的,不是演员,不是歌手等等,最终猜出那个肯定的结论。
反向逼近的方法,是悲剧性的,它进一步说明了世界是道不明的这样一个事实。即使无限次的逼近,也无法形成的一个正面的肯定的描述。
值得一提的是,佛教的中观论,也是就“中宗”,并没有真正的流行起来。反倒是后来的禅宗和净土宗,逐渐成为中国佛教的主流学说净土宗还好,偏重方法论,天天念阿弥陀佛就行,接引佛就会来接你去极乐世界旁边的净土,等极乐有名额了,直接进去就行。禅宗就比较麻烦,你得顿悟,你问一个禅宗的高僧,佛是什么?只能得到诸如“麻三斤”、“普贤菩萨是挑大粪的”这种莫名其妙的回答。禅宗试图用这种方式来告诉弟子们,佛性和理性无关,成佛就要抛弃理性。但是,这种方法,太尼玛跳脱了吧。
我们不能说中国人什么都没干,毕竟在中国思想史上也有很多的尝试,比如,朱熹的格物致知,理这个东西,是没办法说明的,但是你可以通过观测更多的东西来体会它;王再比如阳明也在强调但知行合一,这些比顿悟什么的还是讲道理多了。
回到我们的现实,我们真的可以描述这个世界么?
不,我们不能。
每个人都会求圆形的面积,但是没有任何一个人知道,π到底是多少。
过去的一分钟,你经历过,却说不出来你做了什么。
每个人都有过爱情,但是没有一个人知道,什么是爱情。
这个世界,终究是道不明的。
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其实说到这个部分,按道理说应该有一个光明的结尾。比如虽然我们知道世界是测不准、道不明的,但时这和世界的美好不冲突,你仍然要对世界有信心等等。
没有,我这里没有。
事实上,我也可以举出几个例子来,说明一下不确定没什么不好,比如让世界着迷的的中医,还有具有国际声誉的中国菜。精密的仪器和复杂的观察,不见得比一个须发花白的老中医更有说服力。而精准的测量和严苛的描述,都不如一个有经验的大厨跟让人满意和放心。
回想下一开始的那个实验吧。
猫关进箱子里,不打开我们无法观察,无法描述。
但是,即使我们打开了那只箱子,看到了那只猫,你也已经无法自信满满的说,刚才在箱子里的就是这只猫,而且它还活着。
就像逝去的爱情,即使耽于怀念,也不会自信满满的说,那个人曾经爱过我。
因为,你我都明白了这样一个事实:
世界终究是不可知的,我们也无法说明这个世界,在认识和改造这个世界的终极任务中,我们必定徒劳无功。
这就是我的结论。
我恨薛定谔。
end。
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