从波普尔的科学哲学理论解读量子力学的发展历程

首先简单介绍一下量子力学的基本概念，在粒子级别的微观世界里，和我们日常生活中可见的经典物理世界中每个人在每个时间点都有确定的位置，每个物体都有确定的运动轨迹不同的是，每个粒子在每个时点的位置都是不确定的，它具有相同的概率落在波形图上的任意一点，这就是经典的波粒二象性，每个粒子在每一时点，它所有可能的位置集合是一个波形曲线。

当然，根据波普尔，没有任何的科学理论是客观事实，“波粒二象性”作为一个伟大的科学假说，也只不过是在一百年的时间里，经历了无数个科学家的“试图证伪”后依然没能被驳倒而已。那么这个经典的“波粒二象性”理论，是怎样一点点通过实验增加自己靠近真理的可能性的呢？首先，托马斯杨进行了双缝实验，将光束照射过两条平行的狭缝，冲击于狭缝后的探测屏，实验结果显示，探测屏的中央区域会有一块明亮的光带，旁边衬着两块暗淡的光带。按照18世纪经典的光微粒假说（光由经典粒子组成），双缝实验的结果应该是两个单缝图样的组合。而双缝实验的结果似乎“证伪”了光微粒假说，而更加吻合光波动说——探测屏上的亮度分布可以用波的相长干涉与相消干涉这两种机制来解释。

如果科学止步于这里，似乎也没什么新奇的。但奇怪的事情发生在，当帢斯拉夫·布鲁克纳与安东·蔡林格尝试在狭缝后侧装探测器，专门检测光子通过的是哪一条狭缝，则实验结果显示为：干涉图样完全消失，呈现两个单缝图样的组合—符合“光粒子假说”。随着科学技术的进步，实验仪器可以实现单粒子的发射了——即在任意时间内最多只有一个电子存在于发射器和探测屏之间，因此双缝实验再次出现一个变体，用多次单粒子发射取代光束，结果与双缝实验的干涉图样一致。由这一实验结果，一个合理的推断假说是：单个粒子的运动轨迹是不确定的，它在每一时点都有相同的概率出现在波状图形中的任一点（概率波），因此由于概率波可以发生干涉最终形成与双缝实验相同的实验结果。

然而，至此帢斯拉夫·布鲁克纳与安东·蔡林格的实验结果仍无法解释，为什么观测到了光电子通过的狭缝，光的“波”属性就瞬间消失，变成了简单的粒子属性了呢？在这整个瑰丽繁复的假说体系中，我们只能尝试用一个例子来理解这个“猜想”，一个旋转中的硬币，我们只能看到它旋转的轨迹（概率波），而只有当用手按下硬币的那一刻，硬币的正反面才能真正确定下来，此时，概率波的多种可能性塌缩为一种确定性，因此，当探测器引入之后，它就像那只停下硬币的手，使得光不再是拥有无限可能的概率波，而只是一个普通的粒子。

图片来源：维基百科 Jordgette

而爱因斯坦，作为当时代最伟大的科学家之一，表示量子力学的假说他不能接受，对此，他有一句名言——上帝从不掷色子。对此，量子力学派也有一句掷地有声的反驳：别告诉上帝他该做什么。这个小故事背后蕴含的正是波普尔科学哲学理论的核心——对世界的预期（“想当然”），是科学研究的原罪。在《推断与反驳》（conjecture and refutation）一书中，波普尔认为科学没有真理可言，所有现代的科学理论，无非都是一些暂时还没有被证伪的，暂时可以用来一致、不矛盾的经验总结而已。与“证明”学派不同，波普尔坚持任何实验都无法“证明”一个理论，因为任何实验的设定和结果观察过程都糅杂了无数的假设，以及文化、生活经验赋予我们的“想当然”的认知。这些假设和认知最致命的地方在于，它是无意识的，我们几乎无法觉察到他们的存在，或者说，可以觉察到一部分，但永远不可能排除所有。这就造成了，用实验“证明”理论这件事在逻辑上就是不可能的。一个简单的例子是，在双缝实验中，一个最明显的假设就是人类的智慧只能思考到，波、粒、波粒二象这三种可能，但如果光的本质还有第四种可能的话（如果我们不对人类的智慧盲目自大，这应该是一个合理的推测），上述这几个实验是无法“证明”波粒二象性“理论的，只能证伪光微粒假说和光波动假说。

为进一步解释实验中可能出现的“想当然”，波普尔用鸡生蛋，蛋生鸡的循环关系描述了假说（推断）和实验（观测）之间的关系。他认为，实验证伪了一些假说，同时又给另一些假说提供了灵感。例如，波粒二象性作为一个假说，它的灵感源于之前的多个实验（证伪光微粒假说的双缝实验，证伪光波动假说的探测器实验）。这个循环体系的问题是，所有的假说都是基于之前的观测的，这种弥合了后天经验的假说不可避免的会带有人的预期。即便是推到起点，假设没有任何经验的时刻，源于人类的本能的最初的预期是：对规律的寻找与总结。这种无意识的预期给科学带来的宿命的缺陷是：人类一直都是在试图把自己想象的规则应用到自然，而非从自然中发现规则。当然，波普尔的“证伪”理论在努力的减少前者对科学带来的伤害。回到最初上帝掷色子的例子，认为“上帝不会掷色子”（规则本身应该具有确定性）就是爱因斯坦最根本的预期，他说有的假说都建立在这一预期之上，这让他拒绝想象和思考，一个“拥有不确定性规则”的世界。

当然，爱因斯坦努力证伪“不确定性”的过程中，又进一步的推进了量子力学的发展，根据波普尔的理论，“科学只可能在不断证伪中前进”。那便是关于“量子纠缠”的争议。波尔的量子纠缠假说是，即两个粒子在相离很近时，他们的属性会相互依赖（一旦一个原子属性确定，另一个也随之确定），这种相关性一旦形成，即使将两粒子分开，关系依然存在。这种近乎谜一样的远距离相关性假说进一步的挑战了爱因斯坦基于观测，对世界产生的预期——相隔那么远，且没有任何可见的联系，两粒子间不应该有这种“一者确定，另一者随之确定”的关系。因此，爱因斯坦又提出一个假说，这两个粒子的关系就像是一副被分别装箱发往南方和北方的手套，在两只手套分开之时，哪个箱子装的是哪知手套就已经决定了。而观察者所做的，只是打开箱子，对早已确定的结果产生了认知而已，而不是观察这一动作本身，确定了一个粒子的性质，进而决定了另一个粒子的性质。

关于“量子纠缠”这两种假说，明显爱因斯坦的更符合普通人对客观世界的基本常识和想象，那科学争论结果是怎样的呢？1967年，当时哥伦比亚大学的一名博士生约翰克劳泽设计了一个优美的实验，证伪了爱因斯坦的手套假说，而对量子纠缠假说提供了支持。在此，为了避免进入生涩难懂的数学分析，我们用一个例子来介绍这个实验的基本原理。我们想想一个赌博场景，假设只有你和发牌人两个人，游戏规则是：先得到两张牌是同一花色（或相反花色）的一方获胜。在这场游戏中，你一直输。于是你猜想，这个发牌人可能存在作弊技巧。为了验证这一点，你决定更改游戏规则，让发牌人先发好牌，然后你再翻牌前规定获胜规则——相同花色还是相反花色，这从根本上杜绝了发牌人通过发牌作弊的可能。如果这种情况下，游戏进行无数次，你的获胜概率是50%，则说明爱因斯坦的假说是对的，两个纠缠量子的状态特征在它们分开之时便已经确定好了；但如果你的胜率远低于50%，则说明扑克牌的状态不是由发牌那一刻决定的，而很大可能（在目前没有其他合理假说的情况下），是在你翻牌的那一刻被决定的。由此，我们不得不接受这个看似荒谬的推论（在没有其他更合理的假说的情况下），相隔千里的曾经“在一起”过的量子之间，存在一种非常神秘的联系，使得它们的状态会互相影响，修改其中一者的状态，可以直接影响到另一者。

   最后，即使提出了这些有趣的假说，尝试了许多复杂的实验，量子力学的发展仍在起步，尚有无数的谜团等待解开。其中，一个重要的谜思是：为什么粒子层面的不确定性会随着“观测”而塌缩成确定性。学界对此有三种主要猜想：第一种观点是哥本哈根解释，这一学派认为我们就应该把世界分为，有“观测”和没“观测”的两种情况，它们分别对应不确定性和确定性两种规则。第二种观点，爱因斯坦运用“量子纠缠”来解释这种塌缩，当人作为观察者介入时，观察者的一部分会和被观察的量子发生纠缠，成为一个体系，此时，观察者也拥有波状概率，与在一个体系内纠缠的“被观察量子”存在相对的确定关系（观察者和被观察者作为整个体系，对于外部世界依然存在不确定性，但两者之间不存在不确定性）。第三种观点认为，不确定性始终存在，它延展成了无穷多个平行宇宙，在观测者对量子进行观测的同时，分裂出了多个平行宇宙，使得每个宇宙中，观测者观测到了量子的一种确定的状态。

另一个重要谜思是：如果在粒子层面，世界的确存在这种疯狂的不确定性，那么为什么这种不确定性会我们身处的现实世界（“个体“层面）中消失呢（我们观察的所有物体都有确定的位置等）？对此，学界有两种尚未经检验的假说。其一，存在一些隐藏的因素和机制，使得粒子的不确定性在“个体”层面抵消。这一假说可能沿袭于爱因斯坦的不完全定理假说，他强调规则是确定的，我们在量子力学中观察到的各种不确定性，只是因为我们还没看到规则的全貌。其二，在“个体”层面，不确定性并没有消失。它无法被观察到的原因是：这种不确定性延展成了无穷多个平行宇宙。关于这个问题，我的另一个理解是：在“个体”层面，所有对个体性质的了解无法脱离于“观测”，而“观测”本身会使粒子从不确定状态塌缩为单一的确定状态（基于萨特的哲学思想）。[我以为这是最直觉的解释？不知为何在我看的材料中并没提及，想来大概是我的理解存在一些问题，在这里先做个question mark。]

这就是关于量子力学这一几乎完全建基于想象，靠无数天才的实验设计推动的学科的基本发展历程。笔者之所以选择量子力学这个学科来穿插融入关于波普尔科学哲学理论的原因是，量子力学全方位的颠覆了经典物理学关于世界的认知，颠覆了普通人对自然规则的预期。而正是波普尔所倡导的“永远别把科学理论当真理，永远质疑，永远挑战”的精神孕育了量子力学这个惊世骇俗的学科的发展。

References:

1https://zh.wikipedia.org/wiki/雙縫實驗

   2 https://www.youtube.com/watch?v=CBrsWPCp_rs

   3 https://www.youtube.com/watch?v=ISdBAf-ysI0

   4 Popper, K. (2014). Conjectures and refutations: The growth of scientific knowledge. routledge.