牛顿、爱因斯坦以及量子力学

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访客:29076  发表于:2014-12-30 09:31:39

【导读】如果我们想知道未来,唯有通过行动,因为未来不可预知。

牛顿、爱因斯坦以及量子力学

如果我们想知道未来,唯有通过行动,因为未来不可预知。

19世纪末,20世纪初不但是世纪的转折点,更是人类知识体系的转折点。哲学上,尼采代表的存在主义哲学对理性主义发出了怒吼,那个抽象的上帝已死,感性的“人”回归。而在物理学上,一个叫爱因斯坦的年轻人和他同时代的物理天才们正在对牛顿体系发起反抗。尽管,爱因斯坦将自己做了传统理论的捍卫者,并对量子物理产生抗拒心理。不可否认的是,这些天才科学家已经整体被认为是新世界的奠基人。

从古希腊哲学到牛顿力学
对于过去300年来,人类对于牛顿体系的依赖,波普尔有过一句相当精确的描述:“自然和自然法则在夜间隐去。上帝说,让牛顿来!于是,一切变得光明起来。”
从古希腊时期,哲学家们就开始思考自然运行的法则。比如,物体下落是因为它们有趋于宇宙中心的本能(此时,人们认为地球就是宇宙的中心)。物体越重,本能越强,所以,重的物体会下落得更快。天体的运行估计是圆形的,因为这是天堂的完美形式。
古希腊的科学观由哲学家建立,缺少实验精神和更多的审美诉求。因此,在那个时期,出现了百家争鸣的局面。直到中世纪,亚理斯多德的科学观和托勒密的“地心说”被宗教所采用,成为描述天堂和地狱的依据。
16世纪,哥白尼和开普勒分别利用算法技巧对宗教宇宙观发起挑战,“地心说”在数学上被推翻,“日心说”掀起了新的知识革命。但是,真正对后世物理思想产生影响的是帕多瓦大学的一位年轻教授,年仅27岁的伽里略。作为哥白尼的信徒,为了避免布鲁诺所遭受的宗教迫害,他放弃了哥白尼学说。但是,他直接对地心说的源头,也就是亚理斯多德的“本能论”进行驳斥。他的驳斥方法在当时被认为是开天辟地,即“实验”。其中,最著名的当属比萨斜塔的落球实验。
伽里略对物理学发展的意义极为深远:科学只应该处理能被证实的事情,直觉和权威是没有意义的。科学终于摆脱了空想和计算,带着“实验”精神取得了前所未有的进步。
1647年,伽里略去世,艾萨克·牛顿出生。这个声称自己是通过观察苹果落地而发现万有引力的天才,一手建立的“钟表”世界观影响了人类的方方面面。甚至可以说,伟大的工业革命以及曾经牢不可破的资本主义世界都是牛顿定律的产物。
牛顿世界观最直接打破了中世纪的物质世界和精神世界合一的世界观,比如天堂也无法摆脱物理规律的束缚。自牛顿开始,物理学就一直在构建一个日益精巧,且以力学为基础的世界观。整个宇宙被假定为一个巨大的机械钟表,所谓科学就是无限地去发现隐藏其中的错综复杂的运转细节。借助于万有引力、热力学、光学,物质世界的每个方面,原则上都可以显示为一个巨大的、联动的、合乎逻辑的机械装置的一部分。每一个物理原理都能产生可预知的结果,而每一个结果都能追溯出唯一的原因。
物理学家们认为穷尽一生探索的因果关系,正是我们了解过去和未来的线索。也正是因果关系,让爱因斯坦面对新的知识革命时纠结万分。没有了因果,科学探索还有什么意义吗?
牛顿体系的影响力远远超出了物理学范畴,社会学正是建立在“原子论”基础之上,引力被亚当斯密直接引用到了政治经济学中,生出了那只“看不见的手”。
牛顿理论也被称为经典物理理论,它在人类冲破宗教统治的过程中,起到了根本性作用,它贯穿了整个资本主义的黄金岁月,显得如此坚固。

惴惴不安的爱因斯坦
然而,物理学界在19世纪的最后一天,迎来了其崭新的篇章。英国著名物理学家开尔文爵士在欧洲物理学家的聚会上发表了著名的“两朵乌云”说。他认为,物理学的整体性日趋完善,但是“地平线上还有两朵乌云”。正是这两朵乌云,使得几乎封顶的物理学体系土崩瓦解。
“第一朵乌云出现在光的波动理论上”,“第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上”。开尔文爵士所言的第一朵乌云,日后演化成了爱因斯坦的相对论,第二朵乌云则是量子力学。
19世纪,人们发现了光的波动性,按照经典物理学理念,光波的传播和水波一样,需要在某种介质中传播,这就是所谓的“定域性”。于是,“以太说”再次盛行(“以太”本是一个哲学概念,是古希腊人想象出来的空间介质)。在以太中静止的物体为绝对静止,相对以太运动的物体为绝对运动。
以太的假设事实上代表了传统的观点:电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变。这个“绝对静止系”就是“以太系”。其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是 “以太系”的光速,是这个观察者在 “以太系”上的速度之矢量
既然“以太”存在于宇宙之间,那么一定可以通过对光波的测量,来显示出地球相对于太阳的运动。然而,这样的实验以失败告终。按照“以太说”,地球并没有运动。这个失败的实验震动了整个物理学界,像一朵乌云一样,笼罩在经典物理理论大厦的上空。
年轻的爱因斯坦在20世纪初,发表了狭义相对论,他大胆抛弃了“以太说”,电磁场本身就是物质存在的一种形式,而场可以在真空中以波的形式传播。也就是说,没有绝对静止的空间。光速则是恒定的,且是速度最快的物质。
而要理解光速为何在所有的参照体系中都相同,就必须改变牛顿的时空观。
牛顿认为时间和空间是绝对的,毫无关联的存在。时间就像河流,延续不断,好比“逝者如斯夫”,它不依赖于我们的感慨而减缓流逝。但是,爱因斯坦抛弃了以太论,也就抛弃了绝对静止的概念。对时间的测量取决于观测者的运动。由于“空-时”体系的稳定性,时间变成相对的了,空间自然也就变成相对了。
虽然时间和空间各自不再绝对,但是它们的测量关系的稳定性导致了光速的不变。举一个例子:把一把尺子放在飞驰的火车上。如果我们在看台上,这列火车飞驰而过,那么尺子的长度会缩短,我们感受到的时间流逝得也会很快。但是,时空之间的测量关系保持不变。正如爱因斯坦的老师闵可夫斯基在提出四维理论时所说,“空间本身和时间本身都注定要蜕变为纯粹的幻影,只有两者的某种联合才能保持独立的实在性。”
狭义相对论的另一个重要定律是,质量和能量是一回事,两者可以进行转换。空间和时间随物质运动而变化,质量随运动而变化,质量和能量的相互转化。
爱因斯坦虽然不愿承认自己是在革牛顿的命,但事实上,正是他对牛顿体系中时空的重新定义,以及质量与能量的转换,推动了量子力学体系的建立。量子力学是开尔文爵士说的第二朵乌云。
1926年,量子力学的奠基人海森博格在柏林和偶像爱因斯坦进行了一次谈话,第二年,他便提出了量子力学的基础性概念“测不准原理”。海森博格认为:“在位置被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量发生一个不连续的变化,因此,在确知电子位置的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是,位置测定得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。”
这是一个彻底摧毁牛顿体系的原理,即概率取代了确定性。如果说牛顿构建的世界是齿轮之间高度咬合的精密机器的话,海森博格带来的则是一个混沌的,对结果无法预知的生命体。因果论彻底失效,反而是带有中国传统文化味道的阴阳论占据了主导地位。定量与位置的关系,就像阴阳,彼此矛盾,此消彼长。
在量子力学确立的过程中,最为知名的假说便是“薛定锷的猫”。即在打开盒子的一刹那,我们无法预知猫是死还是活,只能认为它是既死又活。量子力学推翻了牛顿体系中的“实在性”常识,也超越了唯物主义和唯心主义的争辩局面。
如果我们想知道未来,唯有通过行动,因为未来不可预知。
同时,量子力学对空间概念进一步颠覆。牛顿认为,重力来自于重力场,由地球统一发出。量子力学认为,磁场本身就是一种力。而在空间中,分布着各种各样的场。比如,在时间和空间形成的曲面中,地球就像脸盆中的乒乓球,始终围绕着太阳运行,而不是引力在起作用。
场的理论颠覆了牛顿体系中单调的力学原理,物质在场里不是靠外力相互作用,而是本身具有的能量场在相互联系。而场的能量,则来自于活跃的量子自身。其在管理学中的延伸,便是野中郁次郎的场理论。
空间-时间、概率性以及场,这三大理论支撑起了自20世纪初发展起来的新科学,同时也掀起了托马斯·库恩所说的新范式革命。就像牛顿体系对人类世界的影响一样,新科学范式带来了全新的关于组织,关于个人的世界观。

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本文系IT经理世界/经理+原创,作者:胡泳 郝亚洲,转载请注明出处和作者名

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