我們的物理現(xiàn)實(shí)是否客觀存在？

圖片來(lái)源 ：Alan Stonebraker/美國(guó)物理學(xué)會(huì)

兩個(gè)量子即使相隔遙遠(yuǎn)也能瞬間糾纏在一起，這種現(xiàn)象常被認(rèn)為是量子物理學(xué)中最令人費(fèi)解的部分。如果現(xiàn)實(shí)本質(zhì)上是決定論的，并且由隱變量支配，那么這種詭異感就可以消除。然而，所有試圖消除這種量子怪異現(xiàn)象的嘗試都失敗了，因?yàn)楦绫竟忈尯碗[變量理論之間的任何實(shí)驗(yàn)差異都只支持了量子力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)圖景。

要點(diǎn)總結(jié)

• 古老的哲學(xué)問(wèn)題：“如果森林里有一棵樹倒了，但周圍沒(méi)有人聽到，它會(huì)發(fā)出聲音嗎？”這個(gè)問(wèn)題似乎顯然有答案：是的。
• 每當(dāng)一棵樹倒下，它的樹干就會(huì)折斷，樹枝會(huì)相互碰撞，最終樹干會(huì)撞擊地面。這些動(dòng)作都應(yīng)該發(fā)出聲音。
• 但相對(duì)論告訴我們，每個(gè)觀察者所聽到的聲音都與其位置和運(yùn)動(dòng)有關(guān)；量子物理學(xué)告訴我們，觀察行為會(huì)改變系統(tǒng)的量子態(tài)。這一切對(duì)“客觀現(xiàn)實(shí)”的存在意味著什么呢？

如果說(shuō)我們大多數(shù)人能確定一件事，那就是：我們所觀察到的物理現(xiàn)實(shí)確實(shí)存在。盡管這一結(jié)論背后總有一些哲學(xué)假設(shè)，但無(wú)論在任何條件下，我們迄今為止的測(cè)量結(jié)果都與這一假設(shè)相符：無(wú)論是用人類感官，還是用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，亦或是使用望遠(yuǎn)鏡或天文臺(tái)，無(wú)論是僅受自然因素影響，還是人為干預(yù)，都無(wú)法推翻這一假設(shè)?，F(xiàn)實(shí)存在，而我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的科學(xué)描述正是基于這樣的事實(shí)：無(wú)論在何處、何時(shí)進(jìn)行的測(cè)量，都與對(duì)現(xiàn)實(shí)本身的描述相一致。

但此前我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知中包含一系列假設(shè)，而這些假設(shè)如今已不再被普遍接受，其中最主要的一點(diǎn)是，現(xiàn)實(shí)本身的存在方式獨(dú)立于觀察者或測(cè)量者。事實(shí)上，20世紀(jì)科學(xué)的兩大偉大進(jìn)步——相對(duì)論和量子力學(xué)——恰恰挑戰(zhàn)了我們對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知，并指出現(xiàn)實(shí)本身無(wú)法與觀察行為割裂開來(lái)。以下是關(guān)于我們今天對(duì)客觀現(xiàn)實(shí)概念的認(rèn)知中一些奇特的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

圖片來(lái)源：NASA/JPL/旅行者1號(hào)

1979年，旅行者1號(hào)飛掠木星時(shí)，在木星表面觀測(cè)到一個(gè)短暫的光點(diǎn)，這是人類首次在木星大氣層中觀測(cè)到流星體撞擊事件。木星經(jīng)歷的此類事件至少是地球的數(shù)千倍，因?yàn)槟拘堑囊?huì)吸引大量原本不會(huì)撞擊它的天體，即便木星體積龐大。我們認(rèn)為，無(wú)論我們是否觀測(cè)到，這些天體最終都會(huì)撞擊木星。

客觀現(xiàn)實(shí)

簡(jiǎn)而言之，其核心思想是：現(xiàn)實(shí)存在，并且其存在方式獨(dú)立于任何監(jiān)控或觀察現(xiàn)實(shí)的實(shí)體或事物。粒子具有質(zhì)量、電荷和其他固有屬性，這些屬性不會(huì)改變，無(wú)論：

• 誰(shuí)來(lái)測(cè)量它？
• 他們?cè)谀睦铮?/li>
• 它們移動(dòng)的速度有多快？
• 要測(cè)量的是哪個(gè)屬性？
• 或者通過(guò)何種方式獲取測(cè)量結(jié)果。

這是科學(xué)的一個(gè)重要基礎(chǔ)思想：事物的“真實(shí)性”與它是否被檢驗(yàn)以及如何被檢驗(yàn)完全無(wú)關(guān)。

但這僅僅是一種假設(shè)。誠(chéng)然，我們可以看到物理定律和自然界的基本常數(shù)似乎不會(huì)隨時(shí)間和空間而改變：一個(gè)氫原子與數(shù)十億光年之外或數(shù)十億年前的氫原子具有相同的發(fā)射和吸收譜線。一個(gè)質(zhì)子在南極洲的靜止質(zhì)量與它在國(guó)際空間站上的靜止質(zhì)量相同，也與它在宇宙中任何星系中的靜止質(zhì)量相同。正如這些例子所示，我們只能說(shuō)，這種假設(shè)的合理性取決于我們能否對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)檢驗(yàn)。

圖片來(lái)源：Krea/Wikimedia Commons

如果一個(gè)理論不具有相對(duì)論不變性，那么不同的參考系，包括不同的位置和運(yùn)動(dòng)，將會(huì)展現(xiàn)出不同的物理定律（并且對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解也會(huì)存在分歧）。我們?cè)凇安ㄋ固刈儞Q”（或速度變換）下具有對(duì)稱性，這一事實(shí)表明我們擁有一個(gè)守恒量：線性動(dòng)量。一個(gè)理論在任何類型的坐標(biāo)或速度變換下都保持不變，這一事實(shí)被稱為洛倫茲不變性，任何洛倫茲不變的對(duì)稱性都守恒CPT對(duì)稱性。這種在恒定運(yùn)動(dòng)下保持不變的概念可以追溯到伽利略時(shí)代。

從伽利略到牛頓，從法拉第到麥克斯韋，物理學(xué)在其發(fā)展史的大部分時(shí)期都很好地證實(shí)了這一點(diǎn)。萬(wàn)有引力定律似乎是普適的，適用于我們所能看到的任何地方，從地球上的物體到繞地球運(yùn)行的天體，再到圍繞地球以外的天體運(yùn)行的行星、衛(wèi)星和彗星。萬(wàn)有引力常數(shù)確實(shí)是一個(gè)常數(shù)；運(yùn)動(dòng)定律似乎對(duì)每個(gè)人都適用，如果兩個(gè)人分別測(cè)量一個(gè)物體的位置、運(yùn)動(dòng)或加速度，以及物體在不同點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間，他們都會(huì)得到相同的結(jié)果。

最初，這似乎同樣適用于電磁學(xué)，就像適用于經(jīng)典力學(xué)一樣。無(wú)論我們觀察什么，電學(xué)和磁學(xué)的定律都相同，并且對(duì)靜止和運(yùn)動(dòng)的電荷——無(wú)論速度如何——都同樣適用。這些電荷是放射性粒子，例如α粒子（氦核）或β粒子（電子），還是像充滿電的范德格拉夫起電機(jī)上那樣巨大的電荷集合，都無(wú)關(guān)緊要。電荷在導(dǎo)體或絕緣體中的行為可能不同，這些材料的性質(zhì)也可能影響電荷在其中的運(yùn)動(dòng)方式，但無(wú)論裝置如何，定律、常數(shù)以及測(cè)量者是誰(shuí)，一切都保持一致。

圖片來(lái)源：NASA/阿波羅10號(hào)

阿波羅10號(hào)被稱為登月“彩排”，實(shí)際上配備了所有能夠讓宇航員直接登陸月球表面的設(shè)備。他們比以往任何載人任務(wù)都更接近月球，并為1969年7月阿波羅11號(hào)的真正登月鋪平了道路。整個(gè)過(guò)程僅需牛頓物理學(xué)原理，繞月軌道上的宇航員體驗(yàn)到了完全失重的狀態(tài)。

相對(duì)論

然而，隨著長(zhǎng)度收縮和時(shí)間膨脹的發(fā)現(xiàn)，情況開始發(fā)生變化，這最終導(dǎo)致了愛因斯坦相對(duì)論的革命性突破。如果你在地球上從靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)射一個(gè)物體，周圍的每個(gè)人都能測(cè)量出它的速度，而且測(cè)量結(jié)果會(huì)相同；唯一的區(qū)別在于他們看到的物體運(yùn)動(dòng)方向，位于物體“后方”的人會(huì)看到物體遠(yuǎn)離自己，而位于物體“前方”的人會(huì)看到物體朝自己飛來(lái)。

如果拋射體位于移動(dòng)平臺(tái)上，或者觀察者位于移動(dòng)平臺(tái)上，他們測(cè)量到的速度和方向可能各不相同。但是，如果您知道各個(gè)平臺(tái)的移動(dòng)速度，則每個(gè)觀察者都可以輕松地重建其他觀察者所看到的情況。

然而，如果不是像炮彈這樣的普通拋射體，而是一個(gè)以接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子呢？事實(shí)上，如果它本身就是光呢？突然之間，這些舊的定律就失效了。因?yàn)樗杏^察光的人看到的都是光以完全相同的速度運(yùn)動(dòng)：c，即 299,792,458 米/秒。

圖片來(lái)源：約翰·D·諾頓/匹茲堡大學(xué)

對(duì)于相對(duì)速度不同的觀察者來(lái)說(shuō)，“光鐘”的運(yùn)行速度似乎不同，但這源于光速的恒定性。愛因斯坦的狹義相對(duì)論解釋了不同觀察者之間時(shí)間和距離的轉(zhuǎn)換。然而，只要每個(gè)觀察者都處于各自的參考系中，他們看到的“時(shí)間流逝”速度都是相同的：每秒一秒。即使實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，當(dāng)他們把各自的“時(shí)鐘”放在一起時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)間不再一致。

突然間，空間和時(shí)間之類的概念不再是客觀存在的現(xiàn)實(shí)組成部分，而僅僅相對(duì)于觀察者而言。在上述思想實(shí)驗(yàn)中，兩位觀察者分別測(cè)量光線從地面向上傳播到頂部鏡子，然后再向下傳播到地面所需的時(shí)間。這種被稱為“光鐘”的裝置，對(duì)于任何觀察者，無(wú)論靜止還是運(yùn)動(dòng)，都應(yīng)該得出相同的結(jié)果。

但對(duì)于靜止的觀察者來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)中的光鐘似乎走得更慢；事實(shí)上，相對(duì)于觀察者而言，運(yùn)動(dòng)中的人感覺(jué)時(shí)間流逝得更慢。同樣地，對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的觀察者來(lái)說(shuō)，他們的光鐘似乎以正常速度運(yùn)行，但靜止的光鐘——相對(duì)于他們而言看起來(lái)像是在運(yùn)動(dòng)——似乎走得更慢；對(duì)于所有不與觀察者及其光鐘一起運(yùn)動(dòng)的人來(lái)說(shuō)，感覺(jué)時(shí)間流逝得更慢。

同樣，兩個(gè)物體之間的距離（即距離的度量）只能相對(duì)于觀察者來(lái)定義。而像“同時(shí)”這樣的概念也只能針對(duì)靜止在同一位置的兩個(gè)觀察者來(lái)定義。事實(shí)上，如果我們能夠足夠精確地測(cè)量“時(shí)間”，那么即使是像“這個(gè)拋射體何時(shí)落地？”這樣簡(jiǎn)單的問(wèn)題，處于不同位置或以不同速度或方向運(yùn)動(dòng)的觀察者也會(huì)得到不同的結(jié)果。

來(lái)源：ESO/M。帕薩/L.卡爾卡達(dá)

在牛頓（或愛因斯坦）力學(xué)中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)完全確定性的方程隨時(shí)間演化。這意味著，如果你能知道系統(tǒng)中所有粒子的初始條件（例如位置和動(dòng)量），就應(yīng)該能夠毫無(wú)誤差地任意向前演化系統(tǒng)。如果不包含時(shí)間坐標(biāo)，就無(wú)法精確描述物體的位置。然而，在我們所處的現(xiàn)實(shí)世界中，由于無(wú)法真正精確地知道初始條件（即使考慮到量子不確定性），上述結(jié)論并非完全成立。

事實(shí)證明，影響“這個(gè)物體有多遠(yuǎn)？”、“這種現(xiàn)象持續(xù)了多久？”或“哪個(gè)事件先發(fā)生？”等問(wèn)題的，不僅僅是位置或運(yùn)動(dòng)的變化。此外，時(shí)空本身的曲率變化——即引力的影響——也會(huì)影響答案。時(shí)間不僅會(huì)在接近光速運(yùn)動(dòng)時(shí)膨脹，在更強(qiáng)的引力場(chǎng)中也會(huì)膨脹。物質(zhì)和能量的存在與分布會(huì)影響我們對(duì)時(shí)空的感知，這就是為什么光線在靠近物體時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲，以及為什么接近黑洞的事件視界時(shí)時(shí)間會(huì)變慢。

事實(shí)上，由于“空間”或“時(shí)間”不存在客觀的衡量標(biāo)準(zhǔn)，一些非常奇特且違反直覺(jué)的觀測(cè)結(jié)果便會(huì)隨之出現(xiàn)。如果遙遠(yuǎn)星系中發(fā)生超新星爆發(fā)，你可能會(huì)預(yù)期超新星的光線會(huì)在某個(gè)特定的、預(yù)先設(shè)定的時(shí)間到達(dá)你的眼睛。但如果在你和超新星之間存在一個(gè)巨大的天體，它實(shí)際上會(huì)扭曲兩者之間的空間，導(dǎo)致同一星系和超新星出現(xiàn)多個(gè)影像：超新星的光線在每個(gè)影像中到達(dá)的時(shí)間都不同，并非同時(shí)發(fā)生。空間和時(shí)間或許真實(shí)存在，但它們并非客觀存在；它們只是相對(duì)于每個(gè)觀測(cè)者或測(cè)量者而言才具有真實(shí)性。

圖片來(lái)源：SA Rodney 等人，《自然·天文學(xué)》，2021 年

這組由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的圖像展示了同一星系的四個(gè)弧形圖像，它們因引力透鏡效應(yīng)而被拉伸成弧狀。2016年，我們?cè)谄渲幸粡垐D像中捕捉到了一顆超新星（標(biāo)記為SN1），隨后又觀測(cè)到了第二顆和第三顆超新星，兩者間隔約6個(gè)月。根據(jù)重建的透鏡前景星系團(tuán)的幾何結(jié)構(gòu)，我們可以預(yù)期在2037年于標(biāo)記為SN4的位置觀測(cè)到第四顆超新星。

量子物理學(xué)

在量子領(lǐng)域，事情變得更加違反直覺(jué)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)或觀察的結(jié)果取決于你進(jìn)行觀察或測(cè)量的方法，以及你是否進(jìn)行觀察或測(cè)量。

例如，著名的雙縫實(shí)驗(yàn)（有時(shí)也稱為雙縫干涉實(shí)驗(yàn)）。如果你嘗試將大量小物體扔過(guò)一個(gè)開有兩個(gè)縫隙的屏障，你會(huì)看到這些物體聚集在屏障后面的墻上，形成兩堆：一堆對(duì)應(yīng)于左側(cè)的縫隙，另一堆對(duì)應(yīng)于右側(cè)的縫隙。這與宏觀世界中的現(xiàn)象完全一致，無(wú)論你用的是球、鵝卵石還是生物體。

但如果你使用量子粒子，例如電子或光子，就不會(huì)得到兩堆粒子。相反，你會(huì)看到類似波的干涉圖樣：粒子優(yōu)先落在等距排列的交替位置，而其他位置則不允許粒子落在那里。收集到的粒子數(shù)量最多的“峰值”位于兩個(gè)狹縫的中點(diǎn)，隨著遠(yuǎn)離中心峰值，峰值（逐漸減?。┖凸戎担ㄊ冀K降至零）交替出現(xiàn)。

圖片來(lái)源：Tonomura 博士；Belsazar/Wikimedia Commons

這是電子依次通過(guò)雙縫的波形圖。如果你測(cè)量電子通過(guò)的是“哪條縫”，就會(huì)破壞圖中所示的量子干涉圖樣。無(wú)論如何解釋，量子實(shí)驗(yàn)似乎都對(duì)我們是否進(jìn)行某些觀察和測(cè)量（或強(qiáng)制某些相互作用）很在意。

那么，你或許會(huì)想到，與其一次性全部送入粒子，不如一次一個(gè)地送入。這樣做，結(jié)果也一樣：宏觀物體會(huì)堆積成兩堆，而量子粒子只會(huì)落在干涉圖樣的“峰值”上。當(dāng)粒子數(shù)量足夠多時(shí)，完整的圖樣就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。

之后，你可能會(huì)想到嘗試測(cè)量每個(gè)粒子在到達(dá)后壁的過(guò)程中穿過(guò)了哪個(gè)狹縫。或許令人驚訝的是，現(xiàn)在宏觀實(shí)驗(yàn)和量子實(shí)驗(yàn)都只得到了兩堆粒子。觀察“每個(gè)粒子穿過(guò)了哪個(gè)狹縫？”的行為破壞了量子行為。不知何故，進(jìn)行測(cè)量——這意味著在你正在實(shí)驗(yàn)的量子粒子與另一個(gè)量子粒子之間引入足夠能量的相互作用——會(huì)改變量子系統(tǒng)的行為。

我們?cè)诹孔恿W(xué)中以多種方式觀察到這種現(xiàn)象。讓一個(gè)自旋的量子粒子穿過(guò)一個(gè)垂直放置的磁鐵，粒子會(huì)向上或向下偏轉(zhuǎn)，從而揭示其自旋方向。在下游放置另一個(gè)垂直放置的磁鐵，向上偏轉(zhuǎn)的粒子仍然會(huì)向上偏轉(zhuǎn)，向下偏轉(zhuǎn)的粒子仍然會(huì)向下偏轉(zhuǎn)。但是，你認(rèn)為如果在兩個(gè)垂直放置的磁鐵之間放置一個(gè)水平放置的磁鐵會(huì)發(fā)生什么呢？

圖片來(lái)源：MJasK/Wikimedia Commons

當(dāng)具有量子自旋的粒子穿過(guò)一個(gè)定向磁體時(shí)，它會(huì)至少沿兩個(gè)方向分裂，分裂方向取決于自旋方向。如果再沿相同方向放置一個(gè)磁體，則不會(huì)發(fā)生進(jìn)一步分裂。然而，如果在兩個(gè)磁體之間垂直放置第三個(gè)磁體，粒子不僅會(huì)沿新的方向分裂，而且之前獲得的關(guān)于原始方向的信息也會(huì)被破壞，導(dǎo)致粒子在穿過(guò)最后一個(gè)磁體時(shí)再次分裂。

答案包含兩方面：

• 水平磁鐵將粒子束分成兩束，一組粒子向左偏轉(zhuǎn)，另一組粒子向右偏轉(zhuǎn)。
• 但是現(xiàn)在，無(wú)論你選擇哪組粒子穿過(guò)下一個(gè)垂直磁鐵，它們都會(huì)再次分裂成向上和向下的軌跡。

換句話說(shuō)，進(jìn)行“水平”測(cè)量（或觀察）會(huì)破壞有關(guān)這些粒子自旋方向的“垂直”信息。

這是否意味著客觀現(xiàn)實(shí)并不存在？未必如此；或許存在一種潛在的現(xiàn)實(shí)，無(wú)論我們是否對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，它都存在，而我們的測(cè)量和觀察僅僅是一種粗略且不足的方式，無(wú)法揭示客觀現(xiàn)實(shí)的全部真相。許多人相信，終有一天會(huì)證明這一點(diǎn)，但就目前而言——這項(xiàng)進(jìn)展剛剛榮獲2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——我們能夠?qū)Κ?dú)立于我們的觀察和測(cè)量而存在的“現(xiàn)實(shí)”類型做出非常有意義的限定。就我們目前所知，宇宙中出現(xiàn)的真實(shí)結(jié)果無(wú)法脫離測(cè)量者的身份和測(cè)量方式而存在。

圖片來(lái)源 ：Johan Jamestad/瑞典皇家科學(xué)院

量子力學(xué)中的糾纏對(duì)可以比作一臺(tái)向相反方向拋出顏色相反球的機(jī)器。當(dāng)鮑勃接到一個(gè)球并看到它是黑色的時(shí)，他立刻就知道愛麗絲接到了一個(gè)白球。在一種使用隱變量的理論中，這些球一直包含著關(guān)于其顏色的隱藏信息。然而，量子力學(xué)認(rèn)為，這些球在被觀察之前是灰色的，或者黑白相間的，直到有人觀察它們時(shí)，一個(gè)球隨機(jī)變成白色，另一個(gè)變成黑色。貝爾不等式表明，存在一些實(shí)驗(yàn)可以區(qū)分這兩種情況。這些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明量子力學(xué)的描述是正確的，球的顏色在測(cè)量之前是不確定的。

與大眾普遍認(rèn)知相反，科學(xué)的職責(zé)并非解釋我們所處的宇宙。相反，科學(xué)的目標(biāo)是精確描述我們所處的宇宙，而在這方面，科學(xué)已經(jīng)取得了顯著的成功。但我們大多數(shù)人熱衷于提出的問(wèn)題——而且我們常常不假思索地提出這些問(wèn)題——往往是關(guān)于探究某些現(xiàn)象發(fā)生的原因。我們喜歡因果關(guān)系的概念：某件事發(fā)生，然后，由于這件事的發(fā)生，又發(fā)生了另一件事。這在很多情況下是正確的，但量子宇宙也會(huì)以各種方式違背因果關(guān)系。

我們無(wú)法回答的一個(gè)問(wèn)題是，是否存在客觀的、獨(dú)立于觀察者的實(shí)在。許多人假定它存在，并以此構(gòu)建我們對(duì)量子物理學(xué)的詮釋，從而承認(rèn)存在一個(gè)潛在的、客觀的實(shí)在。而另一些人則不作此假設(shè)，他們構(gòu)建的量子物理學(xué)詮釋同樣有效，但未必包含這樣的客觀實(shí)在。無(wú)論好壞，我們所能指導(dǎo)我們的，只有我們能夠觀察和測(cè)量的事物。無(wú)論是否存在客觀的、獨(dú)立于觀察者的實(shí)在，我們都能成功地對(duì)其進(jìn)行物理描述。此時(shí)此刻，我們每個(gè)人都必須決定，是否要接受“客觀實(shí)在”這個(gè)在哲學(xué)上令人滿意但在物理上無(wú)關(guān)緊要的概念。

本文最初發(fā)表于 2022 年 11 月，并于 2025 年 12 月進(jìn)行了更新。

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