科学的“黑暗时刻”，一次实验结论让人们开始质疑世界的真实性

01

通常来说，世界中的任何事物或事件都是自然规律的结果，而且这种自然规律可以通过科学的方法来揭示。

我们人类进入科学时代的标志是在1687年，英国科学家艾萨克·牛顿在论文《自然定律》中，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后近三百年时间里，牛顿的力学体系成为“一统”世界的金科玉律。

一直到1903年，诺贝尔物理学奖获得者阿尔伯特·迈克尔逊还这样认为：

“物理学中的那些较为重要的基本定律和事实………已经确立得十分牢固，它们被新的发现推翻的可能性微乎其微。”

就在人们开始完全相信，这些科学定律足以解释宇宙万物的时候，科学家们却因为一次非同寻常的实验结论，反而对这个世界的真实性开始产生了争论。

1927年，在丹麦哥本哈根大学波耳研究所任讲师的德国物理学家沃纳·卡尔·海森堡，发表了论文《论量子理论运动学与力学的物理内涵》。

在这篇论文中海森堡提到：

当他观测构成物质的基本粒子“电子”的状态时，他每一次的观察都会不可避免地对电子产生扰动。

海森堡认为，他可以通过观测波长短于0.01埃米的伽马射线来精确地测量电子的位置。但是要做到这一点，至少要有一个光子被电子反射。由于伽马射线的光子能量很高，因此碰撞会显著地改变电子的运动状态，也就是影响电子的动量。

伽马射线显微镜可以很精准地告诉海森堡电子的位置，但是它的扰动会使得电子的动量变得不确定。

也就是说，当海森堡可以准确地测得电子的位置时，却无法同时测得电子的动量，或者反过来也是如此，哪怕用再精密的仪器也不行。

这是因为，只有在电子发光时，海森堡才看得见电子，而电子只有在跳跃时才会发光。而要测得电子的位置，就必须使它向别处移动。在这种情况下，海森堡的每次测量行为都会不可避免地会对电子产生扰动，进而改变它的位置和动量。

看到这里，或许你还没明白这件事情的诡异性。

具体来说，海森堡成功地证明了，我们不可能设想出任何一种办法，把一个粒子的位置和动量同时精确地测量出来。你把位置测得越准确，你所能测得的动量就越不准确，你测得的动量越准确，你所能测定的位置就越不准确。海森堡还计算出这两种性质的不准确度（即“测不准度”）应该是多大，这就是在量子力学中如雷贯耳的“不确定性原理”首次被发现。

这个原理可以延伸出：宇宙万物在微观状态下，与我们通常所指的宏观世界中物体的律动是“有所不同的”。

因为在宏观世界中，要测量任何一种物体的位置、质量和速度，只要物体存在，就应该可以被精准地测量出来；

可是，在微观状态下，海森堡却发现根本无法精准地同时观测到一个电子的两种状态。

那么，在某种意义上，我们可以说这个“电子”是不存在的；也可以说这个电子在测量前确实具有某种性质，但我们只是在测量后才知道它。而测量会改变并影响电子的未来行为，即改变其状态。

“这意味着一个电子的存在与否，只有当你在测量它时，电子才有存在的意义。”

海森堡的这次发现被称为“海森堡测不准原理”，它的公布之日，可谓现代科学史的“最黑暗之时”。

之后，由此导致的一系列推论和解释，将直接颠覆我们每个人的认知。

02

在海森堡的测不准原理被发现之前，很多科学家都这样认为：

如果能够预先测量到自然界中每个物体在任何时刻运动的位置和速度，那么对于整个宇宙的现状，或是过去，还是将来，原则上来说都是可以计算出来的。

“世间万物有其因必有其果。”

在此基础上，科学得到了巨大的发展。因而这一学说被称为“决定论”，在17、18和19世纪近三百年的时间里，决定论基本上统治了科学界：

一切运动都由确定的规律所决定；一切事物都由“因果关系”联系起来。

决定论的意思很简单：既然世间万物都可以用物理定律来解释，那么每一个事件之间必然要遵循严格的因果关系。如果人的意识也是完全由物质决定的，那肯定也得服从严格的物理定律。那么，这个世界该如何发展，该走向何处，都是由自然界中的定律决定好了的。

就像我们根据牛顿力学体系可以预测行星的位置一样，我们也可以根据物理定律来预测未来所有的事件。

这种观点得到了当时包括爱因斯坦在内的许多科学家的支持。爱因斯坦在给波尔（量子力学的奠基人）的一封信中写道：

“你信仰投骰子的上帝，我却信仰完备的定律和秩序。”

因此在当时自认为神经还算正常的人都这样认为：

世界是有序的，都是按照着严格的定律来执行，并且世间万物的演化完全可以预测，都由因果关系所决定。

而海森堡的“测不准原理”却在无意间否定了决定论。可是海森堡只不过是开了个头而已，此后，一场旷日持久的辩论大战更使人们的“科学世界观”如同进入了“无边黑暗之中”。

为保卫经典世界的实在性，一些科学家不遗余力地提出关于不确定性原理的不同解释。其中爱因斯坦等人提出的“隐变量理论”这样认为：

“我们不清楚粒子间的诡异行为，是因为暂时还没有找到其中隐藏的变量，粒子其实和乒乓球一样是经典存在的。”

物理学家们在研究现实世界中的事物时，首先要承认物质世界是实际存在的——即具有定域性和实在性，那么什么是“定域”和“实在”呢？

定域性就是指一个物体只能被它周围的力量所影响，绝对不能超过光速；实在性就是实实在在、真实、不是虚假的，并且与人的主观意识无关。

决定论的基石，就是要求事物是客观存在，还必须有一个“确定”的范畴，然后才能进行观测和计算，最后推理出一个已被“决定的”世界。

然而，玻尔给爱因斯坦的反击非常直接：

“爱因斯坦，停止谈论上帝会做什么。”

波尔和海森堡等人的结论同样是惊世骇俗的，他们这样认为：

“在微观粒子的世界中，所谓的定域性是不存在的；而实在性，从粒子物理学角度也是无法确定的。”

当然，这种理论是绝大多数“正常人”所不愿接受的，因为我们一般会毫不犹豫地认为这个世界是实实在在存在的，眼前的电脑、窗外的房屋、树木，一切的一切……都是实实在在地待在那儿，并不会因为我们注意不到它们就不存在。

然而，出乎所有人的意料，最终给爱因斯坦等人的决定造成重大打击的，是贝尔不等式的验证不成立。

很有讽刺意义的是，当约翰·斯图尔特·贝尔在1964年提出这个不等式的时候，他原本是为了证明决定论的正确性，但实验结果反而给了决定论最致命的一击。

简单来说，贝尔不等式就是一个微观的母粒子衰变成的两个子粒子，它们的自旋方向在（x,y,z）方向轴的自旋方向都应当是相反的。

按理说，两个子粒子在不同方向轴的自旋方向的相关性应当满足贝尔不等式，但是验证结论却是不等式不成立。

也就是说，无论两个粒子相距多远，两个粒子是高度相关的（超光速）。

再者，世界如果是定域的，那么两个子粒子在被观测之前，就不能已经存在，因为如果要存在的话，这两个子粒子就要符合贝尔不等式，然而实验的结论也是不符合的。

于是，贝尔不等式的验证结论不成立就证明了：

“我们这个世界不可能既是定域的，又是实在的。”

03

测不准原理在一定程度上说明了科学测量存在的局限性，它说明物理学上的基本定律有时也不能让科学家在理想的状况下正确认识研究体系，因而无法完全预测这一体系将要发生的变化。

这一原理的提出具有巨大而深远的意义，它是对传统科学的基本哲学观——决定论思想的一次重大革新：

“不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。测量是新物理学的核心，测量结果向我们展示了宏观世界同样具有概率表象。”

到了今天，我们不得不承认，微观世界中的粒子状态可以叠加存在的事实，已经被越来越多的物理实验(如电子的双缝衍射实验)所验证，这是粒子在微观世界中最重要的性质，也是量子力学的核心内容。

所以，量子力学告诉我们，在每一次的观察之前，任何物质的最小组成部分——粒子的位置是不确定的：

粒子的位置分布会遵循一个波函数，即在所有可能出现的位置，它都会出现。当你没有观察的时候，它会同时出现在所有可能的位置，处于所有位置的叠加态，而一旦你去观察它，这时候就会导致波函数塌缩，它瞬间就会选择在一个确定的位置出现。

那么，按目前我们的世界观来看，下面这些决定论理论我们必须得放弃了：

1、这个世界是单一的，即我们看到的这个世界；

2、这个世界是实在的，当我不去看它的时候，它依旧确确实实的存在着。

3、这个世界是定域性的，存在着因果，信息传递的速度上限是光速。也存在着明确的时间先后顺序。

4、这个世界存在自由意志这个东西。选择做什么是我的自由，而不是宇宙诞生以来就被确定了。

看到这里，如果你被搞得五雷轰顶，晕头转向。不用惶恐，其实就连量子论的奠基人玻尔都不得不这样承认：

“如果有谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子理论。”

04

宏观世界是我们看得见、摸得到的万物世界；而微观世界是指分子、原子、电子等微小粒子层面的物质世界。

描述两个世界的物理法则是不同的。牛顿力学体系和相对论理论用确定性方法(或决定论)描述宏观世界。在这里，一切事物的运动、变化都遵循必然性的规律；

而描述粒子的微观世界则适用于统计方法，在这里，一切瞬息万变的微观态只能给出一个可能、概率的结果。

这样，我们就有了描述物理世界的两种不同的方法：

确定性方法与统计方法，这两种描述方法既是平等的伴侣，同样有用、同样重要、同样为科学家所接受，但它们又是不可调和的两种描述方法。

最终，不确定性原理和它的证明获得了科学家们广泛的承认，自此以后，量子力学得到了迅速的发展，成为诸多科学家们的首要研究方向。

诺贝尔物理学奖获得者英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森认为，不确定性原理和贝尔不等式是“物理学中最重要的进展”，哲学家斯塔普则认为这是一次“意义最深远的科学发现”。

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