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【《SAMPLE》第十四期「悲觀人士生活指南」】萬物如何運作──從古典力學到量子力學的世界觀

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【《SAMPLE》第十四期「悲觀人士生活指南」】萬物如何運作──從古典力學到量子力學的世界觀

悲觀主義之誕生,伴隨着一個核心的問題:「生而為人,意義何在?」對大部分悲觀者而言,一切早已注定,人不過是扯線木偶,無法掙脫。數千年來,不論是宗教關於死後世界的假想,還是哲學建立的思辨大樓,總希望為意義提供終極答案。然而,數千年的探尋,縱有所獲,我們卻對世界的本質茫無所知,到底是甚麼建構了世界?

自十六世紀中期伽利略時代起,科學為物質和意識的研究注入了新的火花,機械宇宙論、決定論、自由意志等爭論不再流於單純的思辨,反而成了不同科學學說的角力場所。我們必須留意的是,科學不限於工具、技術上的演進,諸如製作火箭飛上月球;由自然哲學演變而成的科學,更是作為意識形態,徹底改變了人類對世界的認知,形成一套世界觀。或如海德格所言:「科學的發展定型看似是哲學的單純解體,其實恰恰是哲學的完成。」

隨着時代變遷、科學理論的發展,科學家也提出了不同理論,解釋世界萬物的運作方式。從古典力學到量子力學的變化,當中正正隱含了對世界主宰的理解的轉變,亦昭示了人類與萬物的關係。一切是否早有命定?自由意志是否存在?科學學說中的世界觀,或可指向某種答案,又或至少懸置了答案的最終決定。

 

拉普拉斯妖之死

十七世紀的自然哲學家有個普遍的困惑:「為甚麼木星軌道正在不斷地收縮,而同時土星的軌道又在不斷地膨脹?」

受牛頓經典力學的衝擊,宇宙機械論在知識分子中盛行一時,正如英國哲學家威廉.佩利(William Paley)提出的鐘錶匠類比:世界如同一塊精緻的鐘錶,機制複雜得需要一位智慧設計者,而上帝便是這位造表匠的最好人選,一切皆按序而行,沒有瑕疵,而且早有注定。在這種理解下,行星的移動軌跡與人類的命運同源,皆是由上帝所發,物質和意識同樣毋需自由意志。然而,木星與土星軌跡的反常現象,卻擾亂了鐘錶的完美運作──難道說,上帝創造的規則不夠完美嗎?行星問題甚至讓牛頓也煩惱不已,最後只能搔首承認,宇宙機械論也需要修正:「太陽系的行星會互相吸引而擾亂軌道,所以上帝需要時時刻刻出手修補系統,但這更說明了,上帝是世界不可或缺的存在。」

百年以後,法國數學家拉普拉斯開始天體研究,在1799年至1825年間,出版了共五卷的《天體力學》,按牛頓力學原則進一步完善了行星運動學說。拉普拉斯提出了準確的天體運動計算方法,並解答了困擾牛頓一生的難題:透過方程式,拉普拉斯指出行星軌跡的脹縮並非失序,而是一種近周期性的變化特質,其目的是調和行星的運動軌跡。

法國皇帝拿破崙一世閱畢《天體力學》後,曾詢問道:「拉普拉斯,為何你的書中一句也不提上帝?」拉普拉斯堅定地答道:「陛下,我不需要那個假設。」對這位被譽為法國牛頓的科學家而言,宇宙沒有失序,也不需要上帝動用他的小指頭進行干預。

對於宇宙如斯精妙的運作,拉普拉斯雖然否認了上帝的存在,卻依舊將造表匠指向某種比人類更高智慧的存在:「假如有這樣一個智慧,能夠知曉任何時刻推動自然運動的所有作用力⋯⋯若它可以把宇宙裡最大的天體和最輕的原子運動都含括在同樣的公式裡,那麼對這個智慧而言,沒有甚麼曖昧不明。未來、和過去一樣,在它眼中都是現在。」後世將這種高等智慧存在稱作拉普拉斯之妖,以古典力學推導出宇宙歷史的全貌。

科學家自此成為了堅定的決定論者,宇宙機械論的觀點更殝完美。行星的運動,只要計算出其條件(如位置與能力),便能得知此前此後的行動軌跡,以至人類的認知、行動、決定也能同理而行。拉普拉斯之妖的存在,使一切如同早有注定;這種信念非因迷信無知,而是按科學精準的預測所作出的讚嘆。對於這時期的科學家來說,經典力學無比精準的預測,使得物理學不只是解釋世界的方法,而是解決終極問題的答案。透過力學,一切都是僵硬的、必然的,因為萬物皆數,一切早已決定。換言之,自由意志無非是主體的幻覺,萬物依舊按照原先的軌跡發展。

 

走向唯心的哥本哈本學派

二十世紀初,熱力學之父開爾文(Kelvin)發表新年賀詞:「物理大廈已經基本落成,剩下的只是一些修補工作⋯⋯但實際上,在晴朗的天空上,依舊飄蕩着兩朵烏雲。」這兩朵烏雲,便是如今為人熟悉的相對論及量子力學。

量子力學的誕生,震盪了整個物理學界。量子纏繞、疊加狀態、波粒二象性等等量子現象的發現,徹底推翻了經典力學的整個系統,從此,古典力學帶來的世界觀就鬆動起來,原子在時間的空隙中自由地穿梭。要理解量子世界的奇異,我們可以先從雙縫實驗開始。著名量子科學家費曼(Richard Feynman)曾說過:「雙縫實驗簡單明瞭地概括了量子理論的核心,因為它無論如何也無法用經典方式解釋。」

要理解這個實驗,我們必須認識粒子和波的分別。兩個粒子相遇時,會互相碰撞,而兩個波相遇,卻不會互相衝擊,而是相互干涉,令波峰增輻或減輻,產生出複雜的波紋。

雙縫實驗的重點,正正在於粒子和波的特性。在第一組實驗中,我們將一道光射向含有雙孔的板塊,結果顯示光會呈現出複雜條紋,意味光在穿過兩孔後,化作兩股光,並呈現相互干涉現象,可見光是以波的形式傳播的。然而,在其他實驗中已經證實,光其實是沒有質量的微粒子光子,那麼把實驗方法略次轉變又會有怎樣的結果?在第二組實驗中,我們在板塊後添加一塊感光板,再將一顆光子射向板塊,結果顯示感光板上只有一顆光子的痕跡,意味光是以粒子型態抵達感光板的。不過,假如我們重複向雙縫射出光子,感光板上呈現的圖樣則與波動的干涉條紋相近。雙縫實驗似乎在說:「光子以波傳播,卻以粒子顯現。」而情況不只限於光子,電子、原子等等的微粒子也如是。

以波耳、海森堡及玻恩為首的哥本哈根學派,是量子力學解釋的權威之一。他們為這個實驗結果提出解釋,指實際上穿過板塊的不是如湖面掀起的波紋,而是概率波。一粒未被觀測的光子射出後,會變成概率波,呈現干涉現象的效果,亮處的概率相對較高,暗處則極微。然而,一旦光子被觀測,概率波便會坍塌,百分百地出現在特定位置上。這個現象看似不可思議,卻能以實驗實在地證明,對此愛因斯坦也只能憤慨道:「我不相信上帝會與宇宙擲骰子。」不過,假如我們在雙孔處置放探測儀,光子卻又老實地以粒子的型態穿過小孔,感光屏上的干涉圖案消失了,只剩下兩堆對應小孔的光點。

神奇的概率波似乎會因為被觀察而中途坍塌,波耳因此提出粒子性質與波動性質是互補的,粒子採取甚麼型態,取決於觀測的方式,正如硬幣正反兩面,只見其一。原則同時回應了海森堡的測不準原理(uncertainty principle)──即我們無法同時精準地測量一個量子實體的位置和動量。在他看來,測不準現象並非因為儀器不精準或技術不夠,而是連粒子本身也無法確定自己的位置或者傳播方向。

雙縫實驗正正點明了,觀測這個行為在量子力學中的特別之處。假如觀測的方式會影響粒子的型態,到底是甚麼決定了概率波的坍塌?為甚麼這種現象只適用於量子世界,與真實世界的規則似乎不同?兩個世界的邊界到底何在?

在哥本哈根學派眼中,粒子雖然構成萬物,卻不比其構成的事物更為真實,要證明粒子存在,我們只能透過觀測它與系統發生的作用來引證。這種對觀測的著重,很快就往唯心主義走去了。正如哥本哈根學派所言:「沒有人觀察月球時,組成月球的粒子會開始變得不穩定,概率波會慢慢擴散,但由於月亮之大,往往需要花上幾百年才能重新變為量子幽靈狀態。但只要在此之前,有人觀測了它,概率波就會坍塌,使得月球回到完整確實的狀態。」量子世界與真實世界的邊界並不取決於物質的大小,而是人的意識,粒子本身不具備位置或動量的特質,除非我們對其進行測量。

一向以物質為基礎的物理學家,因為哥本哈根學派而走向了極端的唯心論,但不同於唯心哲學家的論證,物理學家不對概念作考察,而是透過數學、實驗的方式,指出意識作為第一性質存在,僅僅只有人的觀測才能使虛無的粒子化為實物。世界因人的觀察而存在,也因人的消亡而重新化為概率波。

 

自由意志之爭

直到上世紀九十年代,非局域-隱變數理論(hidden variable theory)的出現,才取代了哥本哈根詮釋,成為二十一世紀量子力學的權威詮釋。隱變數理論指出,粒子確實以真實粒子的形式而存在,具有真實的動量與位置,只是我們無法無限精準地測量它們,粒子的行為受到網格[1] 所支配,只要能夠理解網格,我們根本不需要觀察,便可以預知坍塌後的結果,而非只是各種結果的概率。

而所謂的非局域(non-local)性質相對於局域性質,普遍作用於量子世界,意味粒子的相互影響與距離無關,甚至可以做出超越光速的聯繫,有效地解釋了量子纏繞(quantum entanglement)[2] 的現象。粒子A1與粒子A2的互動如同穿越時空的一次握手──對量子而言,宇宙每一個空間都緊緊挨着,因為它們並不需要時間。

非局域性質似乎否定了自由意志(free will)的存在:建立自由意志的條件在於無法預測的事物動向(隨機性質)及在此基礎上人類能夠自由選擇的權利,但對於粒子而言,任何事情都是預先注定的,發射前粒子已經知道它將在何時何處被吸收,因為粒子處身於一個凍結的宇宙圖像中,時間與空間沒有任何意義,只要計算出研究對象的位置和速度,就可以推演研究對象在任何時刻的物理狀態。

對此,物理學家提醒我們,世界之存在有着兩種因果關係,分別是「強」及「弱」因果關係。弱因果關係適用於日常世界,它是我們體驗時間感覺的概念基礎:在任何時刻,原因必須總是在其結果之前,因為信息無法以超過光速的速度傳遞。而強因果關係則適用於量子世界,若要明瞭其運作機制,需要更好地探求網格的作用。所以,「不存在自由意志」的說法,僅限於一粒光子、或者以光速運動的粒子,對於人來說,我們受到弱因果關係限制(保護),免於信息由微觀世界洩漏的危機。

這樣的論證並未帶來太多保證,所謂的強弱因果關係不過是一種無可奈何的二分法,若果沿著克雷默的理論,我們將重蹈哥本哈根學派的錯誤,以理解經典世界的方式解釋量子世界的運作機制。

而網格的深入探究,則帶我們走入了全新的世界。按照維爾澤克所言,世界並不是由原子所組成,世界的狀態也不由原子的位置及速度所決定,而是由比之細微極多的夸克、反夸克等量子態主導。引導這些量子動態的網格可被看成一個三十二維度的世界,要預測粒子的行動,則必須掌握所有維度的量子位元,網格內更佈滿了會自發行動的虛粒子,[3] 所以需要計算的數值是無限的。維爾澤克的研究使得決定論幾乎成為不可能的理論,網格的複雜結構令粒子呈現不確定性質,也使自由意志繼續留在舞台,靜待證明。

對於尋求世界本質的科學家而言,科學的意義並不只是觀測目標及可證偽性質,而是需要以結合感知與認知的方式理解世界,拒絕日常生活的直觀經驗,故此所有的觀測背後必須載有數學原理或理論基礎。科學家以數學的方式,嘗試回答宇宙的終極意義,即便錯誤,也是一個造就新發現的深遠錯誤。正是因着不曾停止的渴求,人類才能抹去一點蒙蔽,在浩瀚的宇宙中,捉住那些有趣的事物。從古典力學到量子力學,由科學原理推導出來的世界觀,正好展示了對自由意志的不同取態,並由尊崇高等存在的立場,改而推想粒子的自發行動,令自由意志的理解無法被消去,墮入決定論的樊籬。

 

注釋

[1] 網格創始人維爾澤克將網格稱為二十一世紀的以太,它無處不在,內裡含有量子場、暗物質等格層,其學說於現今演變為量子色動力學(quantum chromodynamics)。

[2] 用日常語言來說,量子纏繞就是將互有聯繫的兩粒量子擺放在宇宙兩端,我們會發現其中一粒量子的狀態會零延遲地影響到另外一粒。

[3] 虛粒子只存在於方程式,無法被觀測,藉由能量變為真實的粒子。

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