What is Physics For? Why Classical Physics is not the Limit of Quantum Mechanics

一个多世纪以来，科学史上最成功的理论一直是量子力学。它是统治宇宙中微小事物行为的一套规则，从原子到它们发出的光。它对实验结果的预测如此精确，以至于它常被称为有史以来最准确的理论。然而，尽管取得了这一胜利，科学家们仍然无法就该理论究竟意味着什么达成共识。数学运作得完美无缺，但它所讲述的关于现实的故事仍然是一个激烈争论的主题。这种混乱的核心在于一个简单的问题：微观世界那奇特、模糊的世界，是如何与我们周围看到的坚实、可预测的世界相连接的？长久以来的标准答案是，我们的日常世界仅仅是量子世界的一个特例，是一个当事物变得足够大时呈现出的版本。这个观点认为，经典物理学——即关于日常事物的科学——仅仅是量子力学的一个极限，就像一张平坦的地图是曲面地球球体的简化版本一样。

一篇新论文挑战了这一舒适的假设。一群物理学家和哲学家认为，我们在量子力学中所面临的深刻谜题并非由理论本身创造。相反，他们认为这些谜题一直隐藏在经典物理学之中。作者提出，理解量子力学的困难不在于它打破了旧世界的规则，而在于它迫使我们去面对那些我们在制定关于旧世界的假设时从未察觉到的假设。他们认为，认为存在一个完全独立于观察者而存在的、客观现实的想法，是一种哲学选择，而非科学事实。通过考察物理学史和测量的本质，研究人员表明，观察者与被观察者之间的界限一直是一个盲点，而量子力学只是让这个盲点变得无法忽视。

论文首先探讨了科学家通常如何思考不同理论之间的关系。在许多物理领域，一个更新、更复杂的理论包含着一个较旧的理论作为其特例。例如，处理极高速度的相对论包含了关于低速运动的旧定律。人们自然地假设量子力学也是如此：即坚固物体的经典世界只是量子效应变得微小到难以察觉时所发生的情况。作者承认这种观点在许多实际情况中非常有用。然而，他们指出，与其他例子不同，不存在一种单一、通用的方法将量子力学转化为经典物理学。更重要的是，他们认为问题不仅仅在于数学，还在于我们如何解释这些理论向我们展示的关于现实的信息。

在经典物理学中，想象世界本来的样子总是很容易的。我们假设一块石头无论我们是否在看它，都拥有特定的位置和速度。我们假设观察者与被观察的对象是分离的，就像一个人看着一辆汽车驶过。论文认为这种分离是一种错觉。作者将这一思想追溯到18世纪的哲学家伊曼努尔·康德，他指出我们永远无法了解世界本身，即独立于我们心灵之外的世界。我们只能通过我们的感官和探究方法来了解世界呈现给我们的样子。在经典物理学中，这个问题在很大程度上被忽略了，因为当时的科技水平允许科学家假装他们的测量并不会干扰他们正在研究的对象。他们可以表现得好像是在从一个“无处之境的视角”观察世界，那是一个完美的、不属于任何特定人的客观视角。

量子力学粉碎了这个幻象。在量子世界中，测量某物的行为会改变它。你无法在不影响速度的情况下测量粒子的位置，你也无法在不与之相互作用的情况下观察一个系统。论文强调，这并不是技术故障或仪器的局限；这是自然界的一个基本特征。研究人员认为，这并不意味着量子世界是神奇的，也不意味着经典物理学是错误的。相反，这意味着经典物理学中那种完全脱离我们的现实概念从未像我们想象的那样坚固。客观性的“盲点”一直都在；我们只是直到量子世界迫使我们直视它时才看到了它。

作者探讨了支持这一观点的两个主要想法。第一个是主体（观察者）与客体（被观察之物）之间的分裂。在经典物理学中，我们假设物体在测量之前就具有自身的属性。在量子物理学中，系统的属性通常在进行测量之前并不处于确定状态。论文指出，这并不是一项新发现，而是对一个古老真相的澄清。即使在经典物理学中，我们测量的属性也是物体与观察者之间相互作用的结果。我们过去只是认为我们可以减去观察者的贡献，从而得到“纯粹”的物体。量子力学告诉我们，我们不能这样做。观察者是系统的一部分，我们所描述的现实是由相互作用共同创造的。

第二个想法涉及我们如何表征世界。我们通常认为科学模型是反映现实的图像或地图。我们想象一个理论是现实的一个忠实副本，就像一张照片。论文认为这是一种误解。科学模型不是镜子；它们是工具。它们旨在帮助我们做出预测并应对世界，而不是提供一个关于孤立存在的现实的完美快照。作者指出，即使在经典物理学中，我们使用的数学工具也是抽象的，并不像它们所描述的事物那样。例如，我们使用复杂的数学空间来描述行星的运动，但这并不意味着行星真的在那些无形的空间中运动。模型是一种组织我们经验的方式，而不是通往隐藏现实的直接窗口。

为了说明这种思维转变是如何运作的，论文研究了两种接受这些想法的量子力学解释。一种是弗里茨·伦敦和埃德蒙·鲍尔在1939年的工作，他们利用现象学分支论证了观察者与被观察者是不可分割的。他们认为量子形式主义已经包含了一套关于我们如何与世界建立联系的理论，这一理论拒绝了脱离客观现实的想法。另一个例子是被称为QBism（量子贝叶斯主义）的现代解释。这种观点将量子力学视为一种代理人管理其对即将经历之事的预期的工具，而非对外部世界的描述。在这种观点下，量子态的“现实性”不是某种在外面等待被发现的东西；它是一个行动指南，对使用它的人而言是特定的。这两种方法都拒绝了经典物理学仅仅是量子力学之极限的传统看法。相反，它们表明量子力学邀请我们去重新审视经典物理学一直试图表达的内容。

论文还借鉴了计量学（测量科学）领域的平行关系。长期以来，计量学家认为每一次测量都是为了寻找一个独立于测量过程之外的、单一且隐藏的“真值”。他们认为，如果能将误差减少到足够小，就能找到这个完美的数值。然而，近几十年来，这种观点发生了变化。现代计量学现在将测量结果视为反映我们在现有信息下所掌握知识的概率分布。“真值”不再被视为需要挖掘出来的隐藏宝藏，而是一个帮助我们组织数据的概念。作者认为，这种转变是在没有量子力学帮助的情况下在计量学中发生的，这证明了客观性和表征的哲学问题在经典科学中早已存在。量子力学只是将这些问题带到了表面。

最终，论文得出结论：经典物理学与量子物理学之间的紧张关系并不是量子世界出了问题，或者经典物理学过时的迹象。它标志着我们关于科学如何运作的哲学假设需要更新了。作者认为，我们应该停止试图将量子力学强行塞进那个脱离客观现实的旧框架中。相反，我们应该接受我们的知识始终是观察者与被观察者之间的伙伴关系。这并不意味着科学是主观的，或者现实是虚构的。这意味着我们所能知的现实是由于我们与世界的相互作用而产生的。通过放弃“无处之境的视角”这一观念，我们可以看到量子力学并没有与经典物理学决裂；它揭示了经典世界中一直存在的、等待被理解的深层内涵。

这一观点的意义超越了实验室。论文指出，固守脱离客观现实的想法可能会导致科学世界与人类经验之间的脱节。当我们把科学模型视为脱离于我们的现实的完美镜像时，我们就有可能忘记这些模型是为人类目的而由人类构建的。我们可能会创造出一个感觉与真实生活格格不入的、由抽象方程组成的异化世界。通过认识到我们的知识始终是处于特定情境之中的，并且观察者是故事的一部分，我们可以弥合科学世界与人类经验世界之间的鸿沟。论文并未提供新的物理理论或一套新的方程。相反，它提供了一种看待已有理论的新方式。它表明，量子力学的神秘之处不在于需要通过寻找某种隐藏机制来解决的谜题，而在于它是在呼吁我们重新审视理解现实的基础。