量子理论(量子理论孕育了什么新的科学哲学范式)
大力推动量子科技的研发和相关产业的发展,已经成为各国政府依靠科技取胜的核心策略之一 。美国实施的量子加速计划和欧盟发起的《量子宣言:技术新时代》正在引领量子产业的发展 。中国的量子网络建设、墨子量子通信卫星的发射、“九章”量子样机的研制,已经走在世界前列 。这些发展带来了第二次量子革命 。支撑这些发展的理论基础是近百年前创立的量子力学 。没有量子力学 , 就没有激光、半导体、核能、先进的医疗设备和一切智能设备,也就没有第二次量子革命 。然而量子力学的基本原理和内在特性,却离我们的日常认知很远 。当我们接受一种用量子力学认识世界的新方式时,我们需要改变过去基于常识和现代自然科学形成的一系列哲学概念 。而且,这种变化是颠覆性的,将孕育出科学哲学的新范式 。
量子化概念:物理学家用直觉思维进行概念创造的结果 。
“量子”的概念是德国物理学家普朗克在解决黑体辐射问题的过程中提出的一个概念 。是指在黑体辐射过程中,黑体释放或吸收的能量不能取任何值,而是以最小份额为单位,取不连续值,即黑体发射或吸收的能量是一个一个进行的 。这种认知被称为“能量量子化”假说 。“量子”代表能量的最小单位 。后来物理学家通过实验发现,除了能量,粒子的角动量和自旋都是量子化的 。到了20世纪20年代,物理学家已经建立了基于量子概念的量子力学理论体系,量子化成为物理学家理解微观世界的新视野 。
量子化概念的确立 , 不仅意味着我们必须放弃以往物质无限可分的日常认知和基于连续性假设的因果决定论,也使许多经典概念成为模棱两可的术语 。针对这种情况,波尔说,比如一个小孩拿着两便士跑到商店,从店员那里买了两便士的混合糖 。店员递给他两块糖,说:“你自己拌吧” 。海森堡认为,这个故事说明,就像当我们只有两块糖时,“混合”这个词不再适用一样,当我们使用位置、动量、测量、现象等经典概念时 。,来描述电子或光子等微观粒子的运动规律并进行测量,这些概念的适用范围或语义就会受到限制 。
在海森堡看来,造成这种困难的根本原因是我们的语言是在与外界的不断互动中形成的 , 拥有语言是我们生活中的一个重要事实 。然而 , 当我们将经典概念从宏观领域扩展到微观领域时 , 我们不应该期望这些概念保持其原有的含义 。哲学的基本困难之一是我们的思维悬浮在语言中 。当我们最大限度地扩大经典概念的应用范围时,我们必须面对它们失去原有意义或被赋予新意义的情况 。所以我们接受量子力学的概念框架,也就意味着我们接受它带来的概念变化 。
从方法论上看,量子力学不是物理学家从实验现象中抽象归纳的产物,而是他们依靠直觉思维解决新实验与旧理论矛盾过程中概念创造的结果 。量子力学的数学描述用的是希尔伯特空 。而希尔伯特空是一个多维的抽象空室 , 在宏观世界中没有对应的形式 。我们无法按照通常的形象思维去理解 , 只能通过数学去把握 。而且在理论物理从非相对论量子力学到量子场论、超弦、量子引力理论的发展过程中,这种数学化的趋势日益明显 。
经验和归纳推理的退出,数学方法和直觉判断的凸显,自然会迫使人们提出更尖锐的问题:不能形象思维的量子论是否应该被描绘成玄学而不是物理学?或者说,与实验联系不紧密,甚至实验基础在弱化的量子论的数学发展,被描述为“童话物理”?这是否意味着量子论告别了真实本质的揭示,背叛了对真理的追求,失去了成为一门科学的资格?目前正在蓬勃发展的第二次量子革命,无疑没有给出这些问题的答案 。这些问题也说明了量子理论的发展对传统的自然观、理论观和现实观提出的挑战是多么的巨大和严峻 。
“就像从一个人的脚上拿走地基” , 量子力学中包含的三个革命性的哲学假设 。
普朗克的“量子”概念,堪比牛顿的“引力”概念引起的革命 。牛顿力学的建立不仅标志着自古希腊以来思辨科学的终结,而且极大地影响了现代哲学的发展 。比如以休谟为代表的经验主义和以康德为代表的理性主义,都是从牛顿力学中得到启示,提炼出各自的哲学体系 。同样 , 量子力学的建立,不仅标志着人类打开了不连续世界的大门,带来了许多过去无法知晓的科学发现和技术突破 , 也包含了全新的哲学假设,与传统的哲学概念是离经叛道的 。
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