读芒格系列11,文/一念
真无法想像,量子热学统治现代数学早已快100年了,我们大多数人一直生活在牛顿热学的世界里——我们的思想一直处在牛顿世界观中。
01亚里士多德世界观和牛顿世界观
概括来说,人类世界观的发展主要分两个阶段:
第一阶段是亚里士多德世界观,从亚里士多德死后的公元前300年,仍然到17世纪,西方世界都在承袭这个世界观。
第二阶段是牛顿世界观,从17世纪牛顿提出万有引力和三大定理开始,直至现今,全世界基本都在用这个世界观。
我们先来看一下亚里士多德世界观。这个世界观内容很宽泛,但最核心的部份有3点:
月球是宇宙的中心,地球、行星、太阳都绕着地球转;世界由五种元素组成,分别是月球上的土、水、气、火,以及月球外的“以太”;万事万物都有自己存在的目的,例如,你扔出一块石头,最后石头会落向地面,是由于石头/土元素存在的目的就是朝宇宙中心——地球联通。不仅这3点外,亚里士多德世界观还有好多别的内容,涉及伦理道德、政治、生物、心理等。好多宗教也沿袭了这套世界观,例如犹太教、基督教、伊斯兰教,都基本认同这个世界观。
由此可见,亚里士多德世界观对西方世界的影响有多大。这个世界观仍然统治了西方世界两千年。
直至17世纪后,另一位神一样的人物出现了,他就是牛顿。
牛顿一生最大的成就,就是提出万有引力和牛顿三定理。也正是这几项重大的科学成果,构成了牛顿世界观,称为人类世界观发展的第二阶段。
牛顿世界观的内容也十分多牛顿经典力学三大定律,但是好多和亚里士多德世界观是冲突的。例如,月球绕着太阳转,宇宙中有一百多种基本元素,物体主要借助万有引力等外在力量运行等等。这种观点都跟亚里士多德完全不同。
宽泛地说,我们可以把亚里士多德世界观比喻成一个有目的的有机体,把牛顿世界观比喻成一台精密运转的机器。
亚里士多德世界观的核心是地心说和目的论,而牛顿世界观的核心是,月球是自转的,物体主要借助外在力量运行。
你们可能会说,历史上有无数科学家和哲学家,而我们每位人都有自己不同的世界观,如何能说你们都用亚里士多德和牛顿世界观呢?
缘由在于,她们是所有世界观里的“核心拼图”。
这如同我们玩的拼图游戏,她们是置于最中心的“核心拼图”,其他理论只是围绕在周围的边沿拼图。把边沿拼图替换掉,是相对容易的。
但若果“核心拼图”被证明是错的,这么整张拼图就会出问题,整个世界观也会全面崩溃。例如,亚里士多德世界观的“核心拼图”是地心说,但后来人们发觉月球并不是宇宙的中心,这时整个亚里士多德世界观就发生了改变。
也是由于这个缘由,牛顿不但为工业革命创造了一把科学的锁匙,但是对人类社会和政治也遭到了世界观变化的影响。
例如,亚里士多德世界观带有很强的目的论,同时对阶层有明晰的分层。类似于,物体在宇宙中有其自然的位置,人在社会里也有自己的位置。国王就该是国王,平民就该是平民,你们应当承当与生俱来的责任,发挥各自的价值。
但在亚里士多德世界观被推翻后,近代西方世界开始了一波又一波的政治革命,人们开始指出个人权利至上,指出民主、平等。所以,人的世界观并不是由一条条清单一样的观点构成的,而是类似拼图一样的存在。假如世界观的“核心拼图”是错误的,这么整套世界观都会被彻底颠覆。重点说一下爱因斯坦。其实他提出了相对论,但是他的光子论是量子热学的基石之一。但爱因斯坦有句谚语“上帝不掷色子”,这充分彰显了在他的世界观里,世界是严格依照确定的规律运行的,分毫不差(决定论),一直和牛顿一脉相承。
这些世界观上的冲突让爱因斯坦走到了量子热学的背面,针锋相对,屡败屡战。
02量子热学统治现代数学
量子热学是现今最伟大的人类智力成就之一,与相对论一起支撑起现今化学学的整个大楼。
我想指出量子热学的理论是完备的,100多年来经受住了各类检验。并且,它应用已然十分广泛了。
在许多现代技术武器中,量子化学学的效应起了重要的作用。从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图象显示装置;对半导体的研究引起了晶闸管和二极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了公路。在核装备的发明过程中,量子热学的概念也起了一个关键的作用。
举个直观的反例。假如用量子算法来加密和揭秘,与传统的算法有哪些不同呢?
1994年,贝尔实验室的创造了一种可以有效地分解大数的量子计算机算法。假如用传统计算机分解一个250位的数字,即使全世界所有的计算机一起联合工作,也要花上几百万年的漫长时间。但若果用量子计算机的话,只需几分钟!
不但破解能力威力无比,它还可以用于一种永无可能破解的量子加密()。用它加密的卫星传输,一旦被人查获,我们能立刻(同一时间)晓得。
从理论上来说,我们完全可以从最小的量子中获得估算整个宇宙的能力。倘若这三天真的到来,其实我们真的就可以越过奇点,迈向一个完全没法想像的科技新时代。
03量子热学的各类解释
尽管量子热学取得了巨大的成功,但对它的解释,尤其是从微观到宏观怎样转换,却违背人类的觉得,连爱因斯坦也一直接受不了。
为啥量子热学领头羊波尔说,“要是谁第一次据说量子热学时没有发火,这说明他还没有理解量子热学”。
目前,量子热学起码有六种主流理论。我们以知名的薛定谔的猫为例,来瞧瞧她们怎么解释倘若光子又是粒子又是波,这么薛定谔的猫为何不是又死又活?
阿姆斯特丹理论:猫的确又死又活,只不过在我们观测的时侯“坍缩”了;
MWI多宇宙理论:有两只猫,它们在一个宇宙中活着,在另一个宇宙中死去;
隐变量理论:猫未曾又死又活,它的死活由看不见的隐变量决定;
系综解释理论:单只猫的死活是无意义的风波,我们只能描述无穷只猫组成的“全集”;
GRW(自发定域理论):猫由于太胖(10^27个粒子)导致自发定域,经过极短的死/活叠加态后非死即活;
退相干历史:死猫和活猫是同一只高维空间的猫在两个低维空间的投影。
无论哪种解释都很有好多很奇怪的结论和不足之处。我个人认为阿姆斯特丹学派的理论最反常识但最健全,多宇宙理和退相干历史论脑洞最大最有趣。
04量子世界观
量子热学更重要的意义在于,它颠覆了主流的牛顿热学世界观,迫使人类重新认识世界,打造新的世界观核心拼图。
这一点它赶超了相对论,由于相对论其实颠覆精典化学的时空观,并未从根本上颠覆精典化学学体系,一直觉得世界是严格根据确定的规律运行的(决定论)。
而量子热学是对决定论世界观的指责,彻底从哲学层面对人类认识世界的心态进行了颠覆。也就是说,世界并不是依照严格的绝对的因果关系运行的,机率埋藏在宇宙的底层逻辑之中。主要彰显在三个层面:
第一,量子的概念,动摇了人类对世界是无限可分的平滑性假定。
量子热学的基础性假定是,能量在发射和接受的时侯,不是连续不断,而是分成一份一份(普朗克常数)。这动摇了我们对这个世界的基础性认知。
例如,我们相信走了1米时,中间一定经过了一个0.888米的位置。现今量子热学说,不对,这个过程并不是连续的,而是一段一段累加在一起的(例如一分米),只不过这一段很小,小到你察觉不到而已,但它绝对不是无限可分的。
牛顿精典热学、麦克斯韦电磁学,甚至于爱因斯坦的广义相对论,都是构建在微积分的基础之上,而微积分的根本性假定,就是无限可分性。因而这个颠覆是把整个精典数学学地基连根抽掉。并且从目前的科学认知来看,它是对的。
同样,时间也是“不连续”的。其实我们以为昨天是自己打盹了一会,虽然是时间真的跳跃了。
第二,单电子双缝实验,阐明了微观粒子的随机分布性,动摇了决定论。
我们难以确定单个电子具体会落在那里,但大批量时,会呈现统计上的机率性分布。就好比说,我们丢硬币时,单次是既正又反状态,但在大样本统计下,正和反出现的次数基本相等,因而我们说,单次正或反的机率为50%。
从牛顿精典热学以来,人类打造了这样一种世界观,即宇宙是一台精密的机器,每一个零件和每一个动作,都严谨地按照牛顿热学多项式在有条不紊地运行着,我们只要把松开了足够多的“因”,就一定就能预测任何时间和地点上发生的“果”,也就是决定论。
如今量子热学说,我们难以确切的晓得电子的行为,只能找到电子出现的机率。即使我们拥有最强悍的计算机可以估算一切电子的一切初始条件和环境影响,我们还是不能否预言电子最后的确切位置。
这些不确定不是由于我们的估算能力不足,而是数学定理本身内部的属性,机率深藏在宇宙的底层。这个推论,在根本性上动摇了决定论的哲学观。
第三,海森堡测不准原理,提出了我们不但未能确切预测电子的最终状态,甚至于我们都未能完全测定电子的初始状态牛顿经典力学三大定律,因而动摇了实在论。
量子热学说,同时观测电子的位置和动量是不可能的。我们检测一个事物,一定须要“测量”,例如“看见”,用的是光去接触。当我们检测宏观物体时,光对物体的影响忽视不计。
然而在微观层面,光子对电子的影响极大,当我们须要较高精确度的时侯,就须要检测光的波长越短,频度越高。依照普朗克的量子假定,频度越高能量越大,对电子的影响越大,即检测精度越精确,对电子的扰动越巨大。
也就是说,我们的观测本身,影响了被观测的事物,主体与客体的界限被打破了,主客一体,哲学上说的独立于我们认识和观测之外的客观存在,也就是实在论,在微观尺度上,面临了根本性挑战。
量子热学,从三个大的层面,打破了精典数学的世界观体系,量子性打破了世界是连续性的假定,动摇了微积分的基础,机率性动摇了哲学的决定论思维。
上帝是在掷色子的!不确定性颠覆了实在论观念,主体是会影响客体的,不存在一个绝对客观的实在。
煊赫一时的精典化学大楼旋即倾倒,而我们牛顿世界观的核心拼图早已不复存在。
我们注定不得不重建一个基于量子热学的新世界观,这会影响到世界上的每一个人。没错,这不光是科学家的事,也是我们每位人的大事。
05几点推测
世界观是一个很大的话题,”量子世界观“这个词更是我的陡然猜测。但由于这个问题和每位人都息息相关,我谈谈自己的几点看法,欢迎讨论指正:
世界饱含随机性:没有哪些是确定的,黑天鹅总会发生。一块石头忽然弄成金子是可能的,只是机率很小。
世界是不可知的:大部份的东西是理论上不可观测,不可知的,哪怕仪器再精密。
世界不是无限的:我们被封印在一栋大厦里,向下的极限是138亿光年(宇宙年纪之外的距离是难以沟通的),向上的极限是电子的量级(未能再深入观测细节),这中间的空间就是我们有限的可观测宇宙。
因果论并不创立:化学属性取决于观测方法,这捣毁了精典世界的(严格)因果性
世界不是客观的:化学属性取决于观测方法,也摧毁了世界的(绝对)客观性。即意识改变世界(心外无物心外无理?)
光速不是最快的:量子热学觉得存在比光速快的粒子,只是没有能量和信息,所以不违背相对论。
佛陀可能是对的:多宇宙让人联想“六道轮回“;微观世界类似星体的结构很像“一花一世界,一叶一菩提”;退相干论让人想像佛陀的N维智慧,一念三千。
(读《穷查理宝典》、《上帝不掷色子》、《世界观》等)