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科学与哲学的边界 笔者在网上做科普的时候，经常见到网友问这样的问题：“力的本质是什么？”，“能量的本质是什么？”，甚至还有人问“时间的本质是什么？” 学习和研究物理学理论，需要静心思考，就像研究哲学一样。这就使得很多对物理学有兴趣的普罗大众搞不清哲学和物理学、哲学和科学之间的边界。不要说门外汉了，一些科学界的人士也偶发妄言误导大众。 哲学是一门古老的学问。两千多年前，东方和西方的先贤们就开始通过思考和辩论，来探寻真理，认识世界。那时候，人类不掌握科学实验所需要的各种先进技术，自然也想不到通过实验来检验真理。人类在那个时代的哲学思考，产生了丰富的思想成果。当然，也难免有时候得出错误的论断。比如古希腊的亚里士多德，想当然地认为重的物体比轻的下落更快。直到伽利略拿着一大一小两个球登上了比萨斜塔，让大家看到，两个球同时落地。 这就是物理学和科学的开端，跟哲学仅仅使用思辨的工具不同，科学把推导和计算所为手段，把实验作为检验真理的终极标准。今天，科学早已从哲学中分离了出来，科学和哲学的边界非常清晰：科学研究能够通过实验观测证实或证伪的问题，在这之外，交给哲学，甚至也可以交给宗教。 这并不意味着所有跟科学相关的哲学问题不值得思考，但要注意别钻牛角尖。还需要知道，一个科学论断，对就是对，错就是错；哲学没有检验真理的终极标准，一个问题可以有不同的答案，可能无所谓对错。 科学家们对哲学也有不同的看法。有些科学家对哲学不屑一顾，认为科学早已脱离了哲学的束缚，科学不需要哲学。也有的科学家，比如诺贝尔奖获得者、物理大师温伯格，说物理学家需要有自己的哲学思考（这当然未必就是哲学家们研究的哲学）。 什么样的问题是正确的科学问题？一个物理概念的“本质”，本质上就不是一个科学问题。因为“本质”这个东西，顾名思义是无法观测到的。有的科学家认为，科学不研究本质问题，科学只研究现象之间的联系。 我觉得这个说法可以稍微修正一下，因为对物理概念的定性理解是很重要的。如我们在之前的一篇文章举的例子：质量是一个物体内有多少物质的度量，这个认识，可以指导我们用同样一种材料制成一套砝码，再通过对力学的认识，设计天平秤来测量不同物质的质量。你不妨把质量的本质理解为“物质含量”。为什么物理比数学更难入门 科学不研究脱离实验观测的本质问题。科学也不需要回答跟实验观测无关的问题。 说说时间 要问时间的本质是什么？回答这个问题纯属浪费时间。小孩子都本能地知道时间，妈妈怎么那么久还不回来啊。对于物理学中的时间，我们需要知道：
以上没有任何奇奇怪怪的东西，科学概念就是从生活中提炼出来的。但如果说这就是时间的“本质”，追求本质的朋友们可能不满意。他们听到“其实根本没有时间，时间就是运动”，反而可能会更感兴趣。然而这样的说法，对科学和工程实践没有任何指导意义。 站在科学的角度，我们更关心时间怎么测量。时间是流动的，我们只能用具体的物理过程来测量时间。我们用尺子测量长度，尺子上有均匀的刻度，那是可重复的长度的单位。测量时间，我们同样需要可重复的单位，如果自然界没有周期运动，我们测量时间就麻烦多了。 还好，自然界的周期运动非常丰富。古人用年、月、日做时间单位，今天我们知道那分别是地球公转、月球公转、地球自转的周期。但这些单位都太长，不利于精密测量。牛顿力学的研究表明单摆和弹簧振子是周期运动，进入工业社会后，人们就用钟表来测量时间。今天我们最精密的时间测量工具是原子钟，它根据量子力学的原理，利用原子能级跃迁辐射的固定频率做时间标准。 你看，说来说去，时间还是和运动有关，但这种关系一点儿也不神秘。物理是科学而不是玄学。玄学需要把你说得似懂非懂，你明白就没意思了；科学的东西，是可以说得明明白白的。 薛定谔的猫是什么样的猫 讲清楚物理学与哲学、与玄学的区别后，我来谈谈这个著名的科学哲学问题。薛定谔的这只猫太有名了，你在百度上输入“薛定谔”，后面跟出来的第一位就是“薛定谔的猫”，然后才是“薛定谔方程”。薛定谔如果知道一定会很生气，今天人们谈起他，竟然不是因为他最伟大的科学贡献（方程）。 这只猫给社会上很多人错误的印象，好像量子力学在基本原理层面还有争议。不是这样的，量子力学在科学层面早已没有任何争议了，薛定谔的猫引发的讨论是哲学层面的。
这只猫是薛定谔提出的一个思想实验：它在一个密闭的箱子里，箱子里还放着一小点放射性物质，我们不知道什么时候会发生一次衰变。再放一个盖格计数器，这种设备能够探测到放射性粒子并发出一个电信号。再放一台电动机，收到盖格计数器的信号后，就打碎一瓶毒气，毒死猫。问：在打开箱子前，猫是在什么样的状态？ 今天有一个网络用语“薛定谔的”，意思是不确定的、存疑的。不打开箱子看，你当然不确定猫的生死，这个说法完全没有反映当年对量子力学的争议。要解释薛定谔的猫，我们需要从量子力学的基本原理谈起。 量子力学中微观粒子的状态和宏观物体非常不同，不再是非此即彼。比如关在一个盒子中的粒子，本来可以在盒子的左边或者盒子的右边，而量子力学中粒子的位置可以是左和右按任意比例组合。不是一会儿在左边，一会儿在右边，是同时在左边和右边！而左右混合的比例，将决定一旦探测这个粒子，它被发现在左边和右边的概率。 而一个放射性的原子核，随时可能会衰变成另一个原子核，射出高能量的粒子。量子力学教科书中用一个半尖括号表示一个量子态，作为科普，我们来一个简化版的。放射性原子核的量子态大致是这样的：
它是一个衰变与不变的叠加态，注意量子力学中的混合系数是复数，b后面的复数相位角也是很重要的，这种带着相位角的叠加叫做相干叠加。物理学可以精确计算a、b和相位角这几个系数随时间的变化，但这也只能得到给定时间段内发生衰变的概率。能够计算概率当然是很有用的，一块放射性物质内有大量的原子核，知道衰变的概率就能计算辐射强度。但是，科学无法预测单个原子核什么时候衰变，如果粒子的数目很少，也不能预测什么了。 一旦发生衰变，放射出来的粒子可以被盖革计数器这样的设备探测到，这时候当然我们确定它已经衰变了。对此，哥本哈根学派的说法是测量改变的粒子的状态，测量造成了量子态的坍缩，变成了确定的状态。可是到底怎样才算测量，哥本哈根学派说不清楚。 热衷于动物权益的朋友别着急，没有人会真的去做这个实验，去弄死喵星人，因为靠做实验无法回答这个问题。薛教授设计这个假想实验，是用来质疑哥本哈根学派的。他的问题是：没打开箱子之前猫是不知死活，还是处在活与死的叠加态？难道要打开箱子看，猫才会坍缩成一个确定死活的态吗？ 在量子力学创立初期的那场争论中，薛定谔和爱因斯坦一样，反对量子态和波函数的概率解读，不相信物理学会有内在的不确定性。他的猫是用来反对不确定性的。没想到，今天他的名字被等同成他所反对的东西了。
在科学上，薛定谔和爱因斯坦早已被证明是错的，量子力学就是有内在的不确定性。对于猫的实验，薛教授只是要一个说法，从纯科学的角度看，薛定谔的问题是不需要回答的。如果说猫是死与活的叠加，虽然感情上难以接受，你又怎么证明我是错的呢？ 薛定谔的猫之我见 对于薛定谔的问题，我来讲讲自己的看法。注意，我们已经进入了哲学的范畴，各种看法都可以有。 我们的核心问题是：在这个·实验中，量子态的坍缩是在什么时候发生的？坍缩今天还有一个术语叫去相干。 我认为，薛定谔的质疑没有错，猫不应该是一个死活叠加的状态。它只是一只普通的猫，毒气能杀死它，没打开箱子前，我们不知道它的死活而已。不像很多人相信的，人打开箱子看，量子态才坍缩了。 我的根据是：如果允许在箱子里安装一个监控摄像头，猫的量子态会更早坍缩吗？相信你会说是的。可见箱子被打开这个动作没有造成量子态的坍缩，它早就坍缩了。你还可以坚持说：不，打开盒子和安装摄像头都会造成量子态的坍缩。那么你将面对一个更尖锐的问题：安装了摄像头，但没有人去看，量子态有没有坍缩？如果你说摄像头让猫的状态坍缩，那你几乎进入了科学的范畴，需要有推导来证明摄像头和猫的作用造成了坍缩，这条路走不通。最终你转着圈回到这个观点：人知道了，量子态就坍缩了；人如果不知道，就没有坍缩。 这样的看法，就要假定人是特殊的。或许世界是物质的，人是上帝造的？或者像某些人说的那样：“原来客观世界并不存在”，因为人的意识显然会影响它的状态。 如果你和搞哲学的人讨论，他们会说客观世界的存在是一个假设。但科学的世界观，是认为有一个不以人类意志而转移的客观世界，有着不以人类意志而转移的客观规律！ 排除了人的作用，我们再来看这个长长的实验链条：原子核--放射粒子--盖革计数器--电动机--锤子--瓶子--毒气--猫--箱子--人，是盖革计数器把一个微观粒子的状态放大转变成一个宏观的电信号，是在这里，原子核的量子态发生了坍缩或去相干。后面发生的事情，和我们熟知的经典物理世界没有任何的差别！ 反思量子力学的测量 把人的因素排除，我觉得我们现在可以把量子力学的测量过程说得更清楚一些。 这需要用到量子纠缠的概念。你可能已经在一些科技媒体的报道中看到过量子纠缠这个词。量子纠缠并不是一个复杂的现象，就是两个粒子、或者两个量子系统的量子态发生了某种关联。举例：如果一个自旋为0的粒子，衰变为两个自旋为1/2的粒子，根据角动量守恒，大多数情况下，这个两个粒子的总角动量是零。也就是说，任意选择一根Z轴测量两个粒子的角动量，如果粒子1是向上，粒子2就一定是向下的；如果粒子1是向下的，粒子2就一定是向上的。用方程式写出来就是这个样子的：
量子力学的测量的过程，是设备和粒子的相互作用，这是物质之间的相互作用，本身就是由量子力学主宰的。测量的过程，就是让微观粒子的状态和仪器设备的宏观状态发生了纠缠。比如，上面谈到的衰变与不变的叠加态，经过了盖革计数器后，变成了这样一个状态：
一个电脉冲，是大量电子在同一个方向上的运动，也就是大量电子的一个量子纠缠态。经过专业训练的朋友，可以写出更严格的方程式。一个粒子的状态造成了大量粒子的纠缠，这就是去相干。 我还是更同意我的物理老师温伯格的说法，物理学家还是要进行一些哲学思考，用来指导自己的研究。 关于量子力学的基础知识解释，可见拙作《从零开始读懂量子力学》。
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