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量子力学告诉我们,科学是好的,但科学教是不行的|文史宴

发布日期:2022-03-12 18:53    点击次数:136

文/夏尔·安东尼

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量子力学的历史告诉我们,科学并不是万古不变的真理,科学也在不断地变化,将来的定理很有可能推翻或至少动摇现在的定理,而且科学的发展方向和方式也会受到人群的观念的影响。所以把当前的科学定理当成永不动摇的真理,并试图以科学定理来抹杀人文学科的特性的做法,就成了一种把科学当作宗教的科学教式的狂妄。在历史学方面,这样做的客观主义、实证主义等学派,因此而产生了许多瑕疵。

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无论是从理论上还是从实验角度上说,量子物理依然存在许多局限,很多问题尚未得到解决。当然,不要忘了,还有那些揭示量子世界怪异性的哲学问题。如果说问题让我们清醒,答案让我们沉睡,那么量子物理提供的每一个新答案似乎都会制造出许多让我们清醒过来的机会。

要想得到完备的量子理论,第一个障碍就是量子物理与引力理论的关系。尽管科学家已经可以在标准量子物理学中阐释引力(很简单,在薛定谔方程里加一项即可),关于引力场的量子理论也已经出炉(该理论预言了引力子的存在,假想的引力子负责传递两个物体间的引力作用),但至今还是没有一个理论能将量子理论和引力理论彻底统一起来。

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量子力学非常具有哲理意味

不得不说,引力给科学家们带来了大量的问题。然而,它却是最自然、最普遍的力。它就在我们的周围,显现在我们的日常生活中,从坠落的叉子到舞动的星星,无不如此。

此外,自爱因斯坦 1907 — 1916 年所做的研究以来,我们对引力有了一个深层次的几何解释:物体的质量会导致时空的弯曲和变形。尽管爱因斯坦将引力理论和运动相对性结合在一起所得到的广义相对论因近几年发现了引力波而再次得到充分证实,但它似乎始终无法与量子力学原理成功地统一到一起。

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相对论与量子力学无法统一

这两大理论之间有着许多明显不相容的地方,其中有两点看起来是无法逾越的。

首先,广义相对论认为时空是连续的,这一时空连续性概念与海森伯不确定性原理相冲突,也因量子理论中没有量子轨道的概念而与其冲突。第二,也是两者最明显的差别,量子真空概念与广义相对论里的真空概念完全相反。广义相对论认为真空的能量几近于零,而量子物理学认为真空中的能量是无限的。

二者关于能量的观点相去甚远,在科学观上可谓前所未见。然而,这两个理论在今天都被认为是经实验充分证实的理论,各自有各自的适用领域:广义相对论更适用于广阔的宇宙空间,量子物理则更适用于亚微观世界。

为了解决量子引力问题,科学家们进行了许多扩展性的研究,也提出了一些新的理论。有的理论尝试着在量子理论中引入引力,如超弦理论,该理论认为宇宙的最小组成单位不是夸克和电子,而是处于 10 维或 11 维时空的微小而抽象的弦。

反过来,我们也可以从引力出发,即从广义相对论出发,试着引入量子原理。圈量子引力理论遵循的就是这种思路,在这一理论中,空间失去了连续性,由微小的环形空间粒子组成。

目前,关于量子引力的理论有 20 多个,其中大多数理论认为时空还具有其他属性(如不可对易性、分形特性),时空本身并不存在,而是由粒子的群体相互作用或者抽象数学空间里的相互作用决定并产生的。爱因斯坦和薛定谔一直试图将已知的四种相互作用力统一在一个理论中,但始终未果。

总而言之,引力和量子原理统一的难题主要在接近无穷小的领域,具体地说,在普朗克长度这一尺度的领域。这一长度相当于一个原子的直径的十亿的几十亿倍的几十亿倍分之一!

相互竞争的理论如此之多,您可能会对此持反对态度:这样不会过于分散精力吗?为什么不集中精力只研究一到两个理论?然而,我们并不能这么肯定。

在过去的 15 年中,科学家提出了很多新的问题,实验观测也得到了很多结果,我们曾经的那份确信被撼动了。这就是法国数学家迪迪埃·诺顿所谓的“确信之事中的小石块”,也是现代物理学宏伟大厦的裂纹。这裂纹有一天会变成裂缝,但同时也提供了一股活力:裂缝让阳光可以照进来,使大厦完成蜕变。

事实上,我们之所以曾经那么确信,是因为我们已经习惯了宣称量子力学和广义相对论从来都没有出过差错。这使我笃信这些理论,并将其奉为永恒不变的神圣真理。

但其实,现在我们发现的离经叛道、一反常理的东西可谓多如牛毛!

排在最前面的是那些看不见的物质和能量。它们虽然肉眼不可见,但通过遥远空间里的间接作用,我们却能知晓它们的存在。然而,我们对它们几乎一无所知,完全不知道它们本质上是什么,它们也尚未被纳入现今占主导地位的理论框架中。

从我们给它们起的名字就足以看出这一点:我们把它们称为暗物质和暗能量,就好像是为了掩盖我们的无知和不安一样。

观测结果告诉我们不可以妄自尊大,因为根据最新的预测(基于 2009~2012 年普朗克卫星收集到的数据),暗物质与暗能量分别占宇宙总能量的 26.8% 和 68.3% 。普通物质,即我们用最完备的理论可以解释并深入了解的那一部分物质,其占比却不到5%!

从尼古拉·哥白尼( 1473 — 1543 )开始,我们就知道地球并不是宇宙的中心,甚至连银河系的中心都不是。现在,现代科学又告诉我们,地球上的物质也不同于宇宙中的大部分物质!

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即使科学如此发达

不明物质还很多

我们这些地球的临时租客,看起来好像生活在某个星球上,这个星球围绕着某个恒星沿轨道运行,该恒星属于某个星系,这个星系又处于可观测宇宙的某一块区域……这里的“某”指的是许多个中的任意一个,这么多“某”,着实让人头晕目眩。

在过去的数百年中,我们发现了更多的行星、更多的恒星、更多的星系、更多的宇宙区域,这种眩晕之感也从未消减。

爱因斯坦、薛定谔、玻尔、海森伯以及许多其他科学家的研究,使我们在各领域中对绝对、永恒和真实的那份确信逐渐消散。或许,我们的宇宙也不是唯一的?它可能只是众多宇宙中的一个?谁知道呢?



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