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牛頓、愛因斯坦以及量子力學

2014-12-15 09:22:46胡泳郝亞洲
IT經理世界 2014年23期
關鍵詞:以太烏云愛因斯坦

胡泳+郝亞洲

如果我們想知道未來,唯有通過行動,因為未來不可預知。

19世紀末,20世紀初不但是世紀的轉折點,更是人類知識體系的轉折點。哲學上,尼采代表的存在主義哲學對理性主義發(fā)出了怒吼,那個抽象的上帝已死,感性的“人”回歸。而在物理學上,一個叫愛因斯坦的年輕人和他同時代的物理天才們正在對牛頓體系發(fā)起反抗。盡管,愛因斯坦將自己做了傳統(tǒng)理論的捍衛(wèi)者,并對量子物理產生抗拒心理。不可否認的是,這些天才科學家已經整體被認為是新世界的奠基人。

從古希臘哲學到牛頓力學

對于過去300年來,人類對于牛頓體系的依賴,波普爾有過一句相當精確的描述:“自然和自然法則在夜間隱去。上帝說,讓牛頓來!于是,一切變得光明起來?!?/p>

從古希臘時期,哲學家們就開始思考自然運行的法則。比如,物體下落是因為它們有趨于宇宙中心的本能(此時,人們認為地球就是宇宙的中心)。物體越重,本能越強,所以,重的物體會下落得更快。天體的運行估計是圓形的,因為這是天堂的完美形式。

古希臘的科學觀由哲學家建立,缺少實驗精神和更多的審美訴求。因此,在那個時期,出現了百家爭鳴的局面。直到中世紀,亞理斯多德的科學觀和托勒密的“地心說”被宗教所采用,成為描述天堂和地獄的依據。

16世紀,哥白尼和開普勒分別利用算法技巧對宗教宇宙觀發(fā)起挑戰(zhàn),“地心說”在數學上被推翻,“日心說”掀起了新的知識革命。但是,真正對后世物理思想產生影響的是帕多瓦大學的一位年輕教授,年僅27歲的伽里略。作為哥白尼的信徒,為了避免布魯諾所遭受的宗教迫害,他放棄了哥白尼學說。但是,他直接對地心說的源頭,也就是亞理斯多德的“本能論”進行駁斥。他的駁斥方法在當時被認為是開天辟地,即“實驗”。其中,最著名的當屬比薩斜塔的落球實驗。

伽里略對物理學發(fā)展的意義極為深遠:科學只應該處理能被證實的事情,直覺和權威是沒有意義的??茖W終于擺脫了空想和計算,帶著“實驗”精神取得了前所未有的進步。

1647年,伽里略去世,艾薩克·牛頓出生。這個聲稱自己是通過觀察蘋果落地而發(fā)現萬有引力的天才,一手建立的“鐘表”世界觀影響了人類的方方面面。甚至可以說,偉大的工業(yè)革命以及曾經牢不可破的資本主義世界都是牛頓定律的產物。

牛頓世界觀最直接打破了中世紀的物質世界和精神世界合一的世界觀,比如天堂也無法擺脫物理規(guī)律的束縛。自牛頓開始,物理學就一直在構建一個日益精巧,且以力學為基礎的世界觀。整個宇宙被假定為一個巨大的機械鐘表,所謂科學就是無限地去發(fā)現隱藏其中的錯綜復雜的運轉細節(jié)。借助于萬有引力、熱力學、光學,物質世界的每個方面,原則上都可以顯示為一個巨大的、聯動的、合乎邏輯的機械裝置的一部分。每一個物理原理都能產生可預知的結果,而每一個結果都能追溯出唯一的原因。

物理學家們認為窮盡一生探索的因果關系,正是我們了解過去和未來的線索。也正是因果關系,讓愛因斯坦面對新的知識革命時糾結萬分。沒有了因果,科學探索還有什么意義嗎?

牛頓體系的影響力遠遠超出了物理學范疇,社會學正是建立在“原子論”基礎之上,引力被亞當斯密直接引用到了政治經濟學中,生出了那只“看不見的手”。

牛頓理論也被稱為經典物理理論,它在人類沖破宗教統(tǒng)治的過程中,起到了根本性作用,它貫穿了整個資本主義的黃金歲月,顯得如此堅固。

惴惴不安的愛因斯坦

然而,物理學界在19世紀的最后一天,迎來了其嶄新的篇章。英國著名物理學家開爾文爵士在歐洲物理學家的聚會上發(fā)表了著名的“兩朵烏云”說。他認為,物理學的整體性日趨完善,但是“地平線上還有兩朵烏云”。正是這兩朵烏云,使得幾乎封頂的物理學體系土崩瓦解。

“第一朵烏云出現在光的波動理論上”,“第二朵烏云出現在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上”。開爾文爵士所言的第一朵烏云,日后演化成了愛因斯坦的相對論,第二朵烏云則是量子力學。

19世紀,人們發(fā)現了光的波動性,按照經典物理學理念,光波的傳播和水波一樣,需要在某種介質中傳播,這就是所謂的“定域性”。于是,“以太說”再次盛行(“以太”本是一個哲學概念,是古希臘人想象出來的空間介質)。在以太中靜止的物體為絕對靜止,相對以太運動的物體為絕對運動。

以太的假設事實上代表了傳統(tǒng)的觀點:電磁波的傳播需要一個“絕對靜止”的參照系,當參照系改變,光速也改變。這個“絕對靜止系”就是“以太系”。其他慣性系的觀察者所測量到的光速,應該是 “以太系”的光速,是這個觀察者在 “以太系”上的速度之矢量

既然“以太”存在于宇宙之間,那么一定可以通過對光波的測量,來顯示出地球相對于太陽的運動。然而,這樣的實驗以失敗告終。按照“以太說”,地球并沒有運動。這個失敗的實驗震動了整個物理學界,像一朵烏云一樣,籠罩在經典物理理論大廈的上空。

年輕的愛因斯坦在20世紀初,發(fā)表了狹義相對論,他大膽拋棄了“以太說”,電磁場本身就是物質存在的一種形式,而場可以在真空中以波的形式傳播。也就是說,沒有絕對靜止的空間。光速則是恒定的,且是速度最快的物質。

而要理解光速為何在所有的參照體系中都相同,就必須改變牛頓的時空觀。

牛頓認為時間和空間是絕對的,毫無關聯的存在。時間就像河流,延續(xù)不斷,好比“逝者如斯夫”,它不依賴于我們的感慨而減緩流逝。但是,愛因斯坦拋棄了以太論,也就拋棄了絕對靜止的概念。對時間的測量取決于觀測者的運動。由于“空-時”體系的穩(wěn)定性,時間變成相對的了,空間自然也就變成相對了。

雖然時間和空間各自不再絕對,但是它們的測量關系的穩(wěn)定性導致了光速的不變。舉一個例子:把一把尺子放在飛馳的火車上。如果我們在看臺上,這列火車飛馳而過,那么尺子的長度會縮短,我們感受到的時間流逝得也會很快。但是,時空之間的測量關系保持不變。正如愛因斯坦的老師閔可夫斯基在提出四維理論時所說,“空間本身和時間本身都注定要蛻變?yōu)榧兇獾幕糜埃挥袃烧叩哪撤N聯合才能保持獨立的實在性?!?/p>

狹義相對論的另一個重要定律是,質量和能量是一回事,兩者可以進行轉換。空間和時間隨物質運動而變化,質量隨運動而變化,質量和能量的相互轉化。

愛因斯坦雖然不愿承認自己是在革牛頓的命,但事實上,正是他對牛頓體系中時空的重新定義,以及質量與能量的轉換,推動了量子力學體系的建立。量子力學是開爾文爵士說的第二朵烏云。

1926年,量子力學的奠基人海森博格在柏林和偶像愛因斯坦進行了一次談話,第二年,他便提出了量子力學的基礎性概念“測不準原理”。海森博格認為:“在位置被測定的一瞬,即當光子正被電子偏轉時,電子的動量發(fā)生一個不連續(xù)的變化,因此,在確知電子位置的瞬間,關于它的動量我們就只能知道相應于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是,位置測定得越準確,動量的測定就越不準確,反之亦然?!?/p>

這是一個徹底摧毀牛頓體系的原理,即概率取代了確定性。如果說牛頓構建的世界是齒輪之間高度咬合的精密機器的話,海森博格帶來的則是一個混沌的,對結果無法預知的生命體。因果論徹底失效,反而是帶有中國傳統(tǒng)文化味道的陰陽論占據了主導地位。定量與位置的關系,就像陰陽,彼此矛盾,此消彼長。

在量子力學確立的過程中,最為知名的假說便是“薛定鍔的貓”。即在打開盒子的一剎那,我們無法預知貓是死還是活,只能認為它是既死又活。量子力學推翻了牛頓體系中的“實在性”常識,也超越了唯物主義和唯心主義的爭辯局面。

如果我們想知道未來,唯有通過行動,因為未來不可預知。

同時,量子力學對空間概念進一步顛覆。牛頓認為,重力來自于重力場,由地球統(tǒng)一發(fā)出。量子力學認為,磁場本身就是一種力。而在空間中,分布著各種各樣的場。比如,在時間和空間形成的曲面中,地球就像臉盆中的乒乓球,始終圍繞著太陽運行,而不是引力在起作用。

場的理論顛覆了牛頓體系中單調的力學原理,物質在場里不是靠外力相互作用,而是本身具有的能量場在相互聯系。而場的能量,則來自于活躍的量子自身。其在管理學中的延伸,便是野中郁次郎的場理論。

空間-時間、概率性以及場,這三大理論支撐起了自20世紀初發(fā)展起來的新科學,同時也掀起了托馬斯·庫恩所說的新范式革命。就像牛頓體系對人類世界的影響一樣,新科學范式帶來了全新的關于組織,關于個人的世界觀。

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