11、极端环境之小尺度

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在量子论出现之前的物理学中，人们都习惯性的认为，宏观世界中总结出来的基础物理定律是普遍成立的，尽管当时出现了一些经典理论无法解释的现象，例如黑体辐射、光电效应、低温下固体的比热以及原子的光谱等等，人们也总是试图从理论内部去解决问题。第一个认识到经典理论的原理及概念存在适用范围的人应该是玻尔，他认为把经典定律应用到原子这样一个尺度上时，既然出现了麻烦，那就没必要认为微观世界仍然服从经典理论，在这里我们又一次看到了概念推广过头的例子。对微观世界的探索逐渐揭示出一个与传统经验完全不同的微观世界，然而物理学家们坚信世界是简单的，也必定遵从简单完美的规律。透过令人眼花缭乱的实验数据的迷雾，他们终于发现了支配微观世界的基本规律和逻辑规则。

这些支配微观领域的量子公理分别是波粒二象性、力学量的算符化规则、物质波的演化方程、测量过程的波恩定则、全同粒子的统计规律。而且奇怪的是，满足这五组公理的数学模型不止一个，而是三个，或许以后还会更多。当然，它们描述的是同一种现象，自然可以证明它们在数学上彼此都是等价的，因此从数学意义上，只有一种量子理论。数学是一门语言，理解它的语法并能够清楚的知道它在讲什么的数学家和物理学家们自然不会有太多的困扰。数学家和物理学家们既懂得数学语言，又理解自然语言，当仁不让的当起了普通公众们的翻译，将一条条的定理推论翻译成自然语言。他们眼中的量子论是完美的，通过自然语言描述的三个版本的量子论不过像水蒸气、水和冰一样，是同一种东西的三种不同状态而已，可是看了他们科普书的群众不干了。他们说，薛定谔告诉他们，世界是由波组成的，服从他的波动方程，不停的扩散、叠加、干涉；而海森伯告诉他们组成世界的砖块是一些冰冷的矩阵，粒子的位置和运动都用矩阵来描述，粒子没有确定的和连续的轨道，而且位置和运动是相互排斥的，一种属性了解的越多，另一种属性知道的就越少；而费曼却说粒子有连续的轨道，可是却不止一条，而是有无数条，所有连接起点和终点的轨道在终点处相互叠加就可以求出到达终点的概率。这明明是三种完全不同的说法，怎么可能是一样的，世界到底是什么样子的？

物理学家们不得不用通俗的语言做大量冗长的解释，他们通常说，只有那些被记录下来的内容才是真实的东西，我们从微观实验中能够记录的就只有事件发生的概率，因此概率就是一切真实，其它的不过是些手段罢了，我们从三种图像中只能够计算出可观测的概率，而且概率是相等的，那就说明它们是同一种东西，物理规律只能由可观测量来描述，存在但是观测不到和根本不存在表面上看是两种说法，可实际上是同一种说法。这样三种图像不过是同一个事实的三种诠释和三种说法，就像同一件事可以用汉语、英语和法语三种不同语言描述一样。

从这些长篇大论中，其实可以发现，物理学家们论据的核心是这句话：存在但是观测不到和不存在没有区别。这句话符合波普尔关于科学哲学的论点：只有具有可证伪性的理论才是科学的，同时也符合奥卡姆剃刀的原理，自然很符合科学家们的口味，有一个经典故事说，如果我说我的仓库里有一只非物质组成的喷着没有温度的火的任何方法都无法探测到的龙，那么这条龙真的存在吗？科学家们自然会说不存在。

可是极端环境之旅的经验让我们不敢轻易相信任何看似可靠的说法。存在但观测不到和不存在真的是一回事吗？从量子论的测量公理可以看出一点疑问，假设有个处在自旋叠加态的电子，有两种说法，一种是电子的确在叠加态，只有观测的瞬间才自动坍缩到某个自旋向上或向下的状态；另一种说法是没有叠加态，无论什么时候观测，电子始终处在确定的状态。物理学家们自然会说，第一种说法是正确的，叠加态真的存在，可以设计实验区分这两种说法。可是叠加态不正是那种存在但是永远观测不到的概念吗？实验也只能告诉我们利用叠加态概念推导出的结论符合实验结果，但我们无法直接观测到实实在在的叠加态，可是叠加态概念在量子论中太有用了，有了它理论才变得简单优美，才让我们有了强大的预言能力。一个关键概念却无法直接测量，让人难以理解。还有历史上的麦克斯韦电磁波，在麦克斯韦理论提出前，没有人认为电磁波存在，可我们能说新石器时代没有电磁波吗？有人会争辩说，观测不到说的是永远也观测不到，并不是暂时无法观测。可是永远也观测不到这句话本身就太绝对，谁知道以后能不能直接观测到叠加态的存在呢？毕竟量子论没有包含引力。

现实生活中我们常会遇到这样的说法，一个因为惧怕法律而一辈子不敢作恶的坏人和一个好人又有什么区别呢。其实许多看似没有差别的说法存在巨大的差异，至少他们的心情不同，一个惧怕惩罚惶惶不可终日，一个则坦坦荡荡心情愉悦。即使是那个喷火龙，虽然它并不存在于物质世界，不是由原子组成的，但不妨碍我们把它在头脑中构造出来，这就形成了一个真实的，足以影响人心理和行为的概念，我们甚至可以把它栩栩如生的画出来，雕刻出来。因此在未知领域的探索，需要我们敢于向传统说法挑战，或许某条真理没有那么大的适用范围，又或许是某种貌似真理的东西。科学的研究对象太有限，太狭隘了，除了原子分子就是电子光子，如果我们把一切能够影响到人心理及行为的概念，或人为创造出来的一切理念纳入科学的研究范畴，而不是简单的将这些东西甩给社会科学家、经济学家和心理学家，或许可以开辟新的科学领域，这也许就是微观世界的理念带给我们的启示。