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作者:秦志伟 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/9 9:41:48
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是时候回应这件“丑闻”了!
量子纠缠概念可证实科学家高超的科学认知与直觉判断能力

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秦志伟摄

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成素梅访问玻尔办公室时拍摄,桌子上放着爱因斯坦头像。 成素梅供图

一本约25万字的初稿沉在箱底已有5年多,这次成素梅将其翻了出来,并准备在国家社科基金后期资助项目的支持下出版。在她看来,是时候对科学哲学界的一件“丑闻”进行回应了。成素梅是上海市社会科学院哲学研究所副所长,研究量子力学哲学30多年。近日,她的新书《改变观念:量子纠缠引发的哲学革命》发布会召开。

这一“丑闻”是由美国哲学家约翰·塞尔在世纪之交回顾与展望科学哲学的发展时提出来的。塞尔把科学哲学家依然没有消化吸收量子力学带来的哲学挑战,说成是科学哲学界的一件“丑闻”。

赞成与反对:无休止的论战

1900年,德国物理学家普朗克首次提出量子概念,用来解决让物理学家困惑的“紫外灾难”问题。他假定,黑体辐射的能量不是连续的,不可以取任何数值,而是一份一份进行的,“量子”代表最小的能量单元。但普朗克本人最初极其讨厌“量子”概念,更是千方百计将其融于经典物理学中。但最终,他失败了。

慢慢的,越来越多的物理学家走进量子世界,并将量子概念导致的革命和牛顿引力概念导致的革命相媲美,因为前者为人类撬开了“不连续”世界的大门。

其间,天才人物爱因斯坦是第一位意识到普朗克提出量子假设具有革命意义的物理学家。那时,他还是一名技术员,只利用业余时间从事科研工作。爱因斯坦在普朗克的能量子概念之基础上,提出“光量子”概念,很好地解释了在经典框架内无法解释的“光量电效应”现象。后来,他因此获得诺贝尔物理学奖。

最开始,普朗克甚至不认可爱因斯坦提出的“光量子”概念,认为他“在其思辨中有时走得太远了”,但后来爱因斯坦成功了。

随后,量子世界大门越开越大,与量子相关的假设、概念等也越来越多。终于在20世纪20年代,一个深刻影响20世纪乃至21世纪科学技术发展的全新理论—量子力学诞生了。然而,这一体系的建立并不等于物理学家对它的理解达成共识。那时,争论还未公开化。

成素梅介绍,以玻尔为代表的哥本哈根学派兴起后,其所坚持的哲学立场与爱因斯坦坚守的哲学立场相差甚远,致使后者从量子理论最初的推动和重要奠基者变成了最强烈的反对者。而爱因斯坦和玻尔的观念之争也是量子力学发展史上的一大亮点,被称为20世纪的“世纪之争”。

他们开始争论的焦点集中于量子力学的内在自洽性、不确定关系的有效性方面,不过,这两次争论都是以爱因斯坦失败而告终。随后,爱因斯坦改变争论策略,从量子力学原理出发,证明量子力学用于描述世界是“不完备的”,终于在1935年同他人合作发表的质疑性论文中提出了著名的“EPR佯谬”。

受这篇文章的影响,物理学家薛定谔设计“猫实验”来揭示经典测量与量子测量的不同之处,提出了在量子测量中,两个相互纠缠的粒子,已经失去了个体性,即使分离后,它们也处于整体状态,且将这种现象概括为“量子纠缠”。

量子纠缠是量子力学的本质特征,是纯粹的量子效应,也是最令人难以接受和最令人费解的效应。不过在后来,薛定谔和爱因斯坦一样,加入了反对量子理论的哥本哈根解释的行列。

需要一种脱胎换骨似的大转变

观念质疑一直未间断,实验证实艰难进行,而技术应用却初见曙光。具体到现实社会中,小到各式计算机、手机等电子产品,大到核电、激光、光纤、半导体等技术,都无法离开量子力学。

“没有量子力学,就没有电脑控制占主导地位的现代化产业。”成素梅说。

诺贝尔物理学奖得主斯坦伯格估计,在当代经济发展中,有1/3的国民生产总值以某种方式来自以量子力学为理论基础的高科技。

如果科幻魔术般的量子纠缠是正确的,那么另一个问题随之而来,即如果物理学家接受用量子力学的观点看世界,就必须从观念上放弃建立在经典物理学基础上的一系列哲学观念,转而接受量子力学的一系列假设。“这已不是对传统哲学的修正或补充,而是需要一次脱胎换骨式的大转变。”

令人疑惑的是,关注物理学基础理论问题的物理学家和科学哲学至今仍无法全面理解量子力学的概念本质,这一任务成为21世纪科学哲学必须面对的重大课题。

在成素梅看来,当这种貌似荒唐的奇妙现象成为一种实验事实并得到有效的技术应用时,当以量子纠缠为核心的量子力学变成一种不得不被接受的世界观时,就到了迫切需要科学哲学家对量子纠缠带来的科学革命展开系统研究的时候了。

“令人遗憾的是,科学哲学家一直没有真正消化这些争论的前提假设、争论本质蕴含的观念变革等。”成素梅说。因此,才有约翰·塞尔在20世纪末预言21世纪的哲学发展时,提出科学哲学界一件“丑闻”之说。

如果某一天以量子态的叠加原理和量子纠缠为理论基础的量子通信得以普及,甚至量子计算机问世,人们的观念又将发生什么样的转变?

“科学技术研究越深入,科学技术哲学研究就越迫切。”成素梅说。但她不否认,变革哲学的进程要比变革科学与技术的进程更加缓慢。

就像新书最终得以出版一样,这是成素梅30多年来从事量子力学哲学和科学哲学研究的系统思考。早在5年前,成素梅就完成了初稿,并命名为“量子纠缠引发的哲学问题”。她表示,现在的版本是在原稿基础上增加了1/4的篇幅,进一步完善观点的论证。

研究表明,以量子纠缠为核心特征的量子力学在每个发展阶段所带来的观念转变都有所不同,如量子假设改变了自然观、量子概率改变了概率观、观念之争改变了理论观、态叠加改变了实在观、非定域性改变了整体观、量子关联改变了因果观等。

在成素梅看来,这些改变是相互联系在一起的,综合起来后构成了对传统哲学框架的扩展。

创新性的认知≠理性推理的结果

“在探讨这些观念改变的同时,也展示了物理学如何凭借天才人物的直觉认知能力获得创造性成果的历史脉络。”成素梅表示,这就要求科学哲学家把科学哲学的研究视域从习惯于关注理论与实验的关系问题,转向关注科学家认知能力如何获得的发生学问题。

她进一步解释道,传统科学认识论很少关注与主体的认知能力相关的问题,从而忽视与认知技能相关的过程性知识。

伽利略如何提出自由落体概念,爱因斯坦如何创建广义相对论,普朗克如何提出量子假设,达尔文如何建立进化论……“这些科学认知的结果不仅没有统一可循的模式,而且都不是经过严格计算的结果。”成素梅说。

为此,成素梅总结:“越具有创新性的认知,越不是理性推理的结果,而是科学家在认知实践中直觉感悟的产物。”正如中科院院士、诺贝尔物理学奖得主杨振宁所言,最重要的科学发现并不是用逻辑推理出来的。

那么,突破性的科学创造与技术创新方法从何而来?

“通常以解决问题为宗旨,是敢于打破传统模式和善于激发直觉判断的结果。”成素梅说。而这又与诺贝尔物理学奖得主丁肇中的观点相似,即“科学是多数服从少数,只有少数人把多数人的观念推翻之后,科学才能向前发展”。

在成素梅看来,对于科学家而言,当他们的哲学固化为一种思维定式时,就会成为他们接受新观念的阻碍。

她作了一个形象的比喻,哲学对于科学的作用,就像空气对于人和海水对于鱼的作用一样是无形的,只有当空气或海水污染严重时,甚至威胁到人类或鱼生存时,人们才会意识到清新空气对于自身的重要性和清洁的海水对于鱼的重要性。

不过,在这一研究过程中,成素梅尝试把科学发现重新纳入科学哲学研究的范围之内,希望为推动科学哲学的当代发展提供一种新的视域。

 
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