为什么人的思维会变得狭隘、单一?

来源: | 浏览量:16 次 | 发布时间:2019-05-26 15:23

在经典物理中本来是互斥的、不可能发生的,到了量子力学描述的微观世界,这个现象就是可能发生的。

——李铁夫

(本文仅为完整课程的1/4,完整课程视频内容可点击文末小程序码免费学习)

授课老师
| 李铁夫
清华大学微电子系副教授

迄今,人类有过三次打碎并重建世界观的机会——

  • 从神话到理性

  • 从古典物理到经典物理

  • 从经典物理到量子物理

那么,接下来还有没有呢?我相信肯定是有的。

我先告诉你最近一次世界观重建——量子物理诞生的故事,你也许会从中得到启发:在这个不知何时才能来临的契机面前,我们应该时刻保持自由的眼光、独立的思考。

波粒二象性

为什么你的思维单一、狭隘?

19世纪末,著名的物理学家开尔文爵士在一次演讲中提到,动力学理论的优美性和明晰性被两朵乌云所笼罩着:


互补原理

互斥的概念,竟在高层次统一

我们通过物理学中著名的双缝实验,来看一看波粒二象性。

■ 在装置当中,如果我们发射出普通的粒子,比如说棒球,它们一个一个离散地发射出来,可以穿过狭缝,达到后面的挡板上。每个棒球只可能从某一个狭缝中通过。考虑到棒球跟狭缝之间碰撞的影响,最后在后面的挡板上会形成随机的分布。这就是粒子性的体现。


■ 如果我们发射一束波,比如说水波或者声波,它可以同时通过这两个狭缝,然后在后面发生干涉,最后出现在挡板上的就是一个清晰的明暗条纹。这就是波动性的体现。


■ 如果我们发射量子微粒,比如说电子又会怎么样呢?首先,我们可以做到一个一个地发出电子,就像棒球那样。这些电子也会像棒球一样,一个一个地打到后面的挡板上。但最后,却发现大量电子形成的分布,却是像波一样的明暗条纹。



这就告诉我们,这些电子在出发和到达的时候表现得像粒子,但在穿越狭缝的时候却像波一样,它能够同时通过两个狭缝。电子在这个过程中既表现了粒子性,又表现了波动性。

在经典物理当中,粒子性和波动性是完全对立的概念。那么该如何去理解量子力学中的波粒二象性呢?

尼尔斯·玻尔,这位量子力学的奠基人之一,提出了互补原理,非常好地解决了这个困扰。

他说,一个经典物理学概念A的应用,不可避免地要排除经典概念B的应用,但是B在另一些条件下又是必不可少的,那么就必须把A和B这两种经典概念融合到一起,才能形成对现象详尽无遗的描述

也就是说,粒子的概念和波的概念,在经典物理中本来是互斥的,不可能统一到同一个物理实体上。你不可能踢着踢着足球,看着它突然化作了一个波,就像水波绕过水中的石头一样,绕过了守门员,然后又变成了一个球进门了,这是不可能发生的。

但是,正如我们在波粒二象性实验中看到的那样,到了量子力学描述的微观世界,这个现象就是可能发生的。简单来说就是,波和粒子在同一时刻本来应该是互斥的,但是它们在更高的层次上却是统一的。


反直觉

放弃在脑中建立图像的尝试

要指出的是,不管是粒子还是波,都是经典物理中的概念,属于经典物理的语言。所以,互补原理是什么呢?其实就是当我们用经典语言来描述量子世界时,所做的一个逻辑补充

我们之前的课也说过,尽管牛顿之后已经不断有新科学出现,但牛顿的影响仍然在持续。量子力学几乎颠覆了所有经典物理的概念,但它仍然无法完全抛弃用经典物理的语言来进行理论的诠释。

所以为什么到了现在,量子理论已经被众多的实验所证实,但对于理论的解释仍然存在一定的争议呢?可能就是我们还没有建立起一套完整的、属于量子世界的物理语言。

当然这很难,因为几乎所有的人都会觉得,只有在头脑中建立起一个图像,我们才算认识了一个事物。比如说,我们可能在其他课程中学过冰山模型、奥卡姆剃刀模型、营销漏斗,以及查理·芒格的格栅理论等等。我们在说这些抽象模型的时候,都会用冰山、剃刀、漏斗、格栅这些形象的描述来帮助大家理解。

再比如说,有时人们跟我说:老师你讲得太抽象了,举个例子吧。这样的要求,就是要通过已知的图像来建立新的认知。这种认识世间万物的方式,正是牛顿的方式,或者说牛顿式的思维。

在牛顿力学当中,几乎所有的科学概念都和日常经验紧密结合,紧密到每个概念,你都能在头脑中浮现一个图像,紧密到我们都忘了它只是一个抽象的概念。比如力、质量等等。而正如海森堡所说:量子法则很清楚地告诉我们,我们平时的这些直觉概念,比如说位置、速度、大小,都没有办法简单直接地用在微小粒子之上。

也就是说,量子力学要求我们超越这种牛顿式的认识方式,要求我们放弃在头脑中建立一个经典图像的尝试,不要用视觉想象任何东西

这当然是反直觉的,所以就像玻尔所说:“谁如果不对量子物理感到困惑,那他肯定是不懂它。”

实在论

绝对客观?不,你随时改变着它

如果在刚才的狭缝前,安装一个探测器,看看电子到底是怎么通过狭缝的,那么我们会发现,它只会通过一个狭缝。而这个时候,最后挡板上呈现的就回到了粒子性的完全随机分布,不再出现明暗条纹了。

我们只是在实验中多加了一个探测器,结果就全变了。好像这个电子在通过狭缝的时候,竟然能够知道有没有人在观测它,然后就可以根据有没有人观测来表现出不同的特性。或者说,我们的观测会影响到量子实体的行为。

这就更加神奇了!不仅量子物体是一种以我们无法建立具体图像的方式存在的,而且它还并不是一种绝对客观的存在。

经典物理学中,我们认为外部世界是客观存在的。即使我们尚未能完整并且准确地认识这个世界,但那只是我们自己的能力尚未达到。外部世界本身肯定是客观存在,跟我们的意识无关。这种观念被称为客观实在论。

经典物理学中把物理定律看作是对自然规律的准确描述,并且认为物理学家在科研过程中只是一个观众的角色,我们的行为不会给这些研究的客体带来实质性的干扰。

但在量子现象中,我们既是演员又是观众。我们的观测行为不可避免地影响着对象的行为,一切都跟我们的观测行为挂上钩了。我们和被观测的对象融为一体了,相互影响,主客体之间的界限变得模糊了。我们不可能去研究一个所谓的绝对客观的实在世界,只能知道我们所观测到的世界是个什么样子的。

我们的观测方式会改变世界的呈现方式我们不能从事物被观测时的样子,来推测它不被观测时的样子这种推测所必需的连续性假设,在量子世界中是不成立的。

海森堡说过:我们观察的不是真正的自然界,而是呈现在我们问问题方式之下的自然界。

在这种情况下,科学变得有点像爱情一样,不再是绝对客观的了。就像爱情是两个人之间的一种关系,科学不再描述的是那个独立存在的世界,而是描述的一种我们对这个世界的认识就好像描述我们和世界之间的一种互动。

波尔说,物理学不告诉我们世界是什么,只能说观察到的世界是什么。这个就是量子力学所带来的新的实在论,也彻底击碎了经典科学赖以成立的根基。甚至爱因斯坦都感叹道:“我为了使物理学的理论基础和这种新型的知识相适应,所做的一切努力都彻底失败了。就像从一个人的脚下抽走了地基,他在任何地方也找不到可以立论的坚实基础了。”


小结

我们人类自己的认知有没有局限性呢?人类非常想以人类社会的形式去解释自然,用我们能够看到的世界去想象那个看不到的世界。然而,我们的抽象思维却始终难以突破具象现实的局限。

互补性原理是什么呢?它其实就是一种无奈的妥协。我们为了能够用粒子和波来建立未知的量子世界的图像,只能用互补性原理来解释。

所以,面对未知的世界,我们只能:

  • 通过观测,了解它们呈现在我们面前的样子;

  • 不能简单地认为这就是世界本身,也不能简单地融合各种现象,而是必须跳出具象画面对我们认知的影响,建立抽象的模型;

  • 这个抽象模型也不是科学对于世界的描述,而是科学为我们描述的关于世界的知识。

我们应该如何看待世界、看待科学呢?大概可以向爱因斯坦学习一下,他说:我从未试图在任何场合取悦别人。正是这种自由和独立,让他能够与他专注探索的事件保持恰当的距离,也让他避免让自己内心的平衡,置于像他人的意见、习惯、判断不稳固的基础之上

科学不再是世界的终极真理

我们如何应对?

点击下方,教你“感知的尺度


*本文根据李铁夫在混沌大学商学院的课程整理而成,内容仅为完整课程的1/4,转载请联系授权。部分图片源自pexels.com、unsplash.com

撰稿:雨热

版式:Summer

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好奇心是物理的核心力量



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