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admin admin ⋅ 2019-07-11 23:08:15

物理学家以为,国际是由粒子和力场构成,但他们还不清楚量子范畴的粒子和力场终究是什么。在这篇文章中,德国比勒费尔德大学的哲学教授梅纳尔库尔曼将会把咱们的直觉和对国际的认知打得支离松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app破碎:国际的根源并不是咱们现已逐渐熟知的各种底子粒子和场,而是一些特点和联络,比方色彩、形状、质量、电荷和自旋。可是,你能幻想漂浮在半空的一抹“赤色”,或许便是咱们这个国际最底子的组成单元吗?

物理学家总是这样描绘国际:国际是由各种细小的亚原子粒子构成,这些粒子之间经过力场互相招引或排挤。他们将这一学科称为“粒子物理学”,将所用的研讨仪器称为“粒子加快器”。他们坚持以为,国际是一个像乐高玩具那样由粒子建立起来的模型。但这种观念却掩盖了一个不为人知的实际:量子物理对“粒子”和“场”的表述,完全推翻了咱们对“粒子”和“场”的传统认知,以至于一些人以为,这个国际或许完全是由其他什么内容构成。

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问题并不在于物理学家短少一个描绘亚原子国际的有用理论,他们倒真有一个,名为量子场论(quantum field theory)。理论物理学家在上世纪20年代至50年代间开展出了这套理论,它是由前期量子理论和爱因斯坦的狭义相对论交融而成。粒子物理中有一个概念为“规范模型”(Standard Model),量子场论是这一概念的根底。就试验精度而言,规范模型是科学史上最成功的理论。物理学家每天都用它来猜测粒子磕碰的成果、大爆炸中的物质组成及原子核中的极点条件,凡此种种,不胜枚举。

看到这儿,假如得知物理学家并不清楚“量子场论终究说了些什么”,即它的实质或者说底子物理图画,你肯定会大吃一惊。物理学家的这种困惑与咱们热心评论的量子力学中的那些奥秘问题(比方薛定谔的猫)有实质区别。量子场论中那些并不明晰的表述,羁绊着咱们对规范模型之外的物理学谭元生落马范畴的探究,比方说弦论,由于在不了解现有理论的状况下企图去开展一套新的理论,是十分风险的。

规范模型的内容初看起来十分明晰明晰,首要它包含了一群底子粒子,像夸克、电子等等,其次包含了四种力场,底子粒子经过力场来传递互相作用。这些内容现已被画成挂图挂在教室里,也一再呈现在本刊的文章中。但这些内容不管看上去多么完美,其实都无法令人满意。

首要,底子粒子和场的分界含混不清。量子场论为每种底子粒子都配上一个相应的场,因此假如有电子就一定有电场。而从另一视点来说,力场并不是接连的,而呈量子化,因此发生了像声子(phonon)这样的粒子。如此一来,粒子和场的区别看起来便是人为界说的,物理学家常常会议论这两个概念哪个更根底。直到今日,咱们在描绘中依然运用粒子和场这两个概念,虽然大多数物理学家都供认,这些经典概念并不契合量子场论描绘的内容。假如咱们对“粒子”和“场”的传统认知观念并不契合理论描绘,物理学家和哲学家就有必要弄清楚用什么来取而代之。

面临这两种规范的经典概念带来的窘境,物理学界中的一些哲学家现已开端设想一些更 “玄幻”的基元来代替它们。他们提出,物质国际最底子的构成应该是一些无法具象的内容,比方说“联络”和“特点”。一个推翻性的主意是,国际万物都能够被还原成无形的内容,而不必凭借任何实体概念。这真实是一个违反常理的革新性主意,但有些支撑者以为,物理学会迫使松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app咱们承受这种革新。

“粒子”的窘境

包含科学家在内的大多数人,一想到亚原子规范之下的物质,眼前就会显现起各种粒子,像一个个小球般来回磕碰不休。但这种粒子概念是经典物理理论的产品,经典物理由古希腊原子论者提出,到艾萨克牛顿(Isaac Newton)时期开展到了高峰。但咱们顺着互相交叠的几种思路琢磨一下,就会马上了解,量子场论的中心组成——粒子,其性质与弹性小球相差甚远。

首要,经典概念中的粒子意味着局域在某个方位邻近的某种存在,但量子场论中的“粒子”并没有明晰界说的方位:你身体中的某个粒子并不严厉限制于你的身体之内,假如有人想要丈量它的方位,他会发现,这个粒子有很小但不为零的概率呈现在悠远的国际边沿。虽然这个问题在前期量子理论中就现已呈现,但随着理论物理学家将量子力学和狭义相对论揉合在一同,问题就变得更严峻了。相对论性量子粒子(relativistic quantum particle) 极点奸刁,它们居无定所,众多国际处处为家。

其次,假定你看到你家厨房里有一个粒子,你的朋友开着车从你家奔驰而过,他或许会看到这个粒子充溢在整个国际之中。对你而言局域化的东西在你朋友看来却对错局域的。不只粒子的详细方位依赖于你们的视角,粒子是否有一个确认方位也会因视角改换而改动。在这种状况下,将局域化的粒子看作国际的底子构成毫无含义。

即使扔掉查找粒子的准确方位而只考虑粒子的数目,你也会堕入费事。假定现在你想知道家里的粒子数目,所以动身遛了一圈,在客厅找到3美福安康个,在卧室床下逮到5个,在厨房柜子里又发现8个,如此挨个屋子寻觅,把各个屋子数目都加起来,不就得到家里粒子的总数了么?成果却会再一次让你绝望,由于这并不是粒子总数。依照量子场论,家里的粒子总数才是房子的特点之一,要想得到正确成果,你有必要一次就丈量出悉数房间内的粒子,而不能逐间搜政泉系寻,这显着是一个不或许完结的使命。

粒子无法准确认位导致了一个极点状况呈现——在量子场论中,真空会有互相对立的性质。假定你现在有一个完好的真空,依照界说便是包含0个粒子的状况,但限制到其间某个有限区域,你看到的状况会与真空截然不同杨卓娜老公。换句话说,虽然你家里全体空空如也,但处处都挠脚心作文能找到粒子。要是消防员问你屋里还有没有人,你答复说全体上没有,但等他冲进火海却发现每间屋里都挤满了人,他肯定会质疑你的精力是否正常。

量子场论中的真空还存在一微开封个令人惊奇的效应,名为盎鲁效应(Unruh eff松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网appect)。一个处于停止状况的飞行员或许以为自己身处真空,但在另一个身处加快飞船中的飞行员看来,则会觉得身处许多粒子的海洋之中。这种不同视角带来的差异相同存在于黑洞边际,这导致咱们在评论“落入黑洞的物质终究会有怎样的成果”这一问题时,会有两种完全对立的定论。

最终,依据量子场论理论,粒子并不具有共同的特点。在令人利诱的量子羁绊(quantum entanglement)现象中,粒子会同化成一个更大的系统,那些能够区别互相的特点会消失。这些粒子不只会同享像质量、电荷这样的固有特点,还会同享方位和时间特点,例如在某个特定时间所在的或许方位。这样当粒子羁绊在一同时,观测者就无法区别它们,如此一来,你怎么能确认羁绊态中有两个粒子呢?

理论物理学家或许能够简略地规则,羁绊态的确由两个不同粒子构成。哲学家把这种规则称为“底子假定”。依据其界说,该假定是无法经过观测得到证明的。大多数物理学家和哲学家都对这种特别的处理方法持怀疑态度,由于实际上,处于羁绊态的两个粒子就不再是两个实体了,它们的行为就像一个不可分割的全体,“部分”这个概念在此已失去含义,单个粒子就更无从谈起了。

这些与粒子相关的理论问题完全推翻了咱们的传统认知观念。假如没有粒子,那咱们的“粒子探测器”探测到的终究是什么?答案是咱们从没有直接探测到粒子,粒子仅仅估测出的成果。探测器记载的仅仅传感器资料独立激起时的许多数据,咱们自作主张地将这些闪光点连接起来,并估测它们是粒子在不同时间留下的轨道。

现在让咱们理一下思路。咱们将粒子当作很小的小球,但当今物理学家称为“粒子”的那些东西与之完全直播之万能宠物王无关。依照量子场论,不管巨细,任何物体都不或许限制在某个有限空间。不只如此,这些设想粒子的详细数目也会由于观测者运动状况的不同而不同。悉数这些成果总结到一同,简直为“国际是由相似小球的粒子构成的”这一主意判了死刑。

根据上述原因和其他有关量子场论的见地,咱们有必要作出一个这样的定论:“粒子物理学”其实名不虚传,虽然物理学家一向在议论粒子,但其实并没有这种东西存在。或许有人转而选用“量子粒子”来缓解对立,但假如有关粒子的悉数经典概念都已分崩离析,“粒子”一词又有什么含义呢?有些人以为,粒子概念遇到的这些问题,暗示着量子场论应该朴实用场来表述。这种观念以为,场是一种看不见、可活动的物质,弥散于整个空间,粒子是场的涟漪。熊承家可是,接下来咱们就会看到,量子场论相同也无法用场来表述。

“场”亦难当重担

“量子场论”这个称号很天然地标明,这是一个经典场论的量子版别。经典场咱们都很了解,比方电场和磁场,但什么是“量子版别”?提起“场”,总是与松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app这些图画联络在一同:磁铁周围的磁场让小磁针互相平行摆放;静电场让毛发竖起。但量子场与经典场十分不同,就连理论物理学家也供认很难形象地描绘它们。

在经典理论中,一种场代表了一个物理量在不同时空点上的值,比方温度或电场强度。但关于量子场,每个时空点代表的则是笼统的数学实体,代表的是你能够进行丈量的类型,而不是你想丈量的成果。在量子场论中,的确有一些数学结构代表物理量数值,但这些数值不是某个详细时空点上的值,而是一些不确认区域的值。

历史上,物理学家是经过将经典场论“量子化”建立起量子场论的。一般的程序是,物理学家找到一个方程,然后将其间的物理量用“算符”(operator)代替。所谓算符是形如微分或开方这样的数学运算,而有些算符则对应像光的辐射与吸收这样特别的物理进程。算符在理论和实际之间设置了一层笼统的屏障,想要从经典场得到量子场,你有必要再多走一步,将这个算符应用于另一个叫做态矢量(state vector)的数学实体上。

从某个层面上来看,量子场的独特性质并不会十分令人惊奇。由于作为量双头牛鲨子场论根底的量子力学,就无法得出确认的数值成果而只能给出概率。但就本体而言,量子场论中的状况好像更为乖僻一些,最底子的“量子场”连概率都无法得出,有必要要绑定一个态矢量。

量子场需求松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app用态矢量来描绘,使得该理论了解起来十分困难,由于你很难将其转化成田纪香宫洁丸曝光你能幻想并在脑海中推导的物理图画。态矢量具有全体性,它描绘的是一个别系的全体性质,详细到某个特定方位就不适用了。依照界说,场具有可在时空中有序传达的特性,但态矢量却削弱了这一特性。咱们能够将经典场幻想为“以动摇方法在空间中传达的光波”的形象,但在量子场中,场的性质完全不同,咱们无法描绘它是怎样的一种物质。

很显着,底子粒子和力场的规范图画不是物理国际抱负的实质描绘。实际上物理学家连粒子和场终究是什么都完全不清楚。对此,一般会有这样一种回应,粒子和场应该被看作两个对真实状况的弥补条件,但在那些咱们应该观测到纯粒子或纯场的状况下,这两种物质仍是不存在。走运的是,粒子和场并没有被扫除量子场论悉数或许的本体描绘。

结构实际主义?

越来越多人以为真实重要的不是事物自身,而是这些事物间的联络。这种观念完全突破了传统的原子论或点粒子论,其推翻程度之大,就连咱们对粒子和场进行的最为急进的改造,也望尘莫及。

这种名为结构实际主义(structural realism)的观念,是由一种相对平缓的版别逐渐开展而来,那时它还叫认知结构实际主义(epistemic structural realism),宗旨如下:咱们或许永久无法了解事物的真实实质,而只能了解它们互相间的联络。以质量为例,你见过质量本体吗?咱们从未曾见过。你见到的仅仅质量对另一个实体的含义,详细地说,是一个具有质量的物体怎么经过周围的引力场与另一个具有质量的物体互相作用。国际的结构,便是经过事物之间的联络表现出来的,它才是物理理论中最耐久的部分。新的理论或许会推翻咱们对国际基元的知道,但不会推翻国际的结构,这是科学家能够取得一点又一点前进的底子原因。

新的问题又来了:为什么咱们只能了解事物之间的联络,而不是事物自身?最直接的答复是,联络即悉数。结构实际主义由此一步腾跃成一个更为斗胆的假定:本体结构实际主义(ontic structural realism)。

现代物理学中,无处不在的对称性有力地支撑了本体结构实际主义理论。在量子力学和爱因斯坦的引力理论中,国际结构的某些改变并不能经过观测得以证明,这些改变被称为对称改换(symmetry transformation)。在这些改换中,构成这个国际的独立个别互相交换,但它们之间的联络保持不变。作为类比,你能够幻想一张镜像对称的脸:一面镜子将左眼变成右眼,将左耳变成成右耳,以此类推,在此进程中脸部器官的相对方位始终保持不变。这些器官之间的联络才真实界说weixinwangyeban了这张脸,而“左”和“右”则取决于你面朝哪边罢了。咱们一向称为“粒子”和“场”的东西,它们具有的对称性更为笼统,但道理都是相同的。

根据奥卡姆剃刀原理(principle of Occam's razor),物理学家和哲学家倾向于能用最少假定解说现象的理论。就咱们评论的问题而言,经过假定存在特定的联络就能够结构一个完美适用的理论,而无须额定假定任何独立实体,所以,本体结构tempte实际主义论的支撑者以为,咱们无妨扔掉实体,假定国际是由结构或者说各种联络所构成。

使用这种相似的推理来研讨量子羁绊,就会得出一个定论:结构是真实架构的柱石。两个量子粒子的羁绊是一个全体效应,这两个粒子比如电荷这样的悉数内涵特点,加上比如方位这样的外部参量,都无法决议这个羁绊系统的状况。全体松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app并非是部分之和。万物皆由最底子组成单元的特点和它们在时空中的联络决议,这种原子观念不再有用。关于量子羁绊态,或许咱们不能再以粒子为主,羁绊为辅,而要反其道而行之。

你或许会以为没有实体的联络很古怪,那终究是什么在发生联络呢?不只你疑问,许多物理学家和哲学家相同觉得它十分奇怪。一些本体结构实际主义者企图就此作一些退让,他们不否定实体的存在,仅仅宣称联络或结构在本体论上更为底子。换言之,实体并无内涵特点,只在与其他实体的联络中才取得特点。但这种提法很空泛,由于没有人否定实体之间具有联络,而真实风趣和新颖之处就在于,单纯的联络为何能够结构出万物。不过归根到底,结构实际主义是一个充溢争议的主意,咱们尚须对之加以雕刻,才干知道它是否能够化解咱们的阐释之困。

特点交错

量子场论的第二种代替解说来自一个简略的主意:虽然传统观念以为,粒子和场是底子不同的,但其实它们有共同之处。这两种表述都假定,物质国际的底子单元是独立存在的实体,这些实体或为粒子,或为场论中的时空点,咱们能够赋予它们各种特点。许多哲学家都以为这种实体和虞宗华特点的二元区分或许正是粒子论和场论都堕入窘境的深层原因。咱们以为最好将特点看作悉数且仅有的底子分类。

传统观念中,人们假定特点是“普适”(universal)的,换言之,它们同属一个笼统的广义分类。特点总是被特定事物所具有,它们不能独立自存。例如,当你想到赤色,一般想起的都是一些特定的赤色物体,而不是一个漂浮在半空的名为“赤色”的东西。可是你能够反过来以为特点是独立自存的,是特点占有了物体。特点或许是哲学家称之为 “特质”(part草客icular)的东西,即详细的、独立的实体,而咱们一般所说的事物或许仅仅一堆特点的调集:色彩、形状、稠性,等等。

由于这种视特点为特质而非普适性质的观念与传统观念相悖,哲学家引入了一个新的名词来称号它们:“特普”(trope)。这个词听上去有些诙谐,并且令人遗憾地附带着一些不恰当的内松原气候,韩庚-ope体育手机app_ope体育电竞app_opebet体育官网app涵,但这种观念的确现已建立起来。将事物解构为一团特点,并不契合咱们一般对这个国际的界说,但假如咱们试着遗忘成见,回归本初,这种解说就显得没那么奥秘。

当咱们仍是婴儿,第一次看到并接触到一个球时,严厉来说,咱们感知到的仅仅一个球形的形状,少许赤色的影子,摸上去还有点弹性。只要当咱们长大之后,才将这些特点和某种明晰的物体联络在一同,比方说球。所以,等咱们再看到球的时分就会说:“看,一个球,”而忘了这种看上去一挥而就的知道背面动用了多少感知器官。在“特普”的本体论中,咱们回归到婴儿般的直接感知,在外部国际中,除了如丝如缕的特点之外别贠婺无撸管撸多了他物。咱们不是先有球再赋之各种特点,而是先感知到各种特点然后才称其为球,除了各种特点之外,别无他物。

用这种思想来考虑量子场论,那么咱们称为电子的东西实际上便是一团各种特点或“特普”的调集,包含三种实质特点(质量、电荷和自旋),其他则是不断改变的非实质特点(方位和速度)。这种“特普观”有助于量子场论的无懈可击,比方说,量子场论预言底子粒子能敏捷发生和消失。量子场论中真空的特性令人难以置信:真空中的均匀粒子数为零,但真空中却又处处充溢了粒子,特普观能够将此解说为,每时每刻都有许多进程在同时发生,包含各种粒子的生灭。

若从粒子本体论来看,这幅图景真实十分对立:假如粒子是基元,那么它们是怎么发生的?有何物能制造出这些基元?而从“特普”本体论观,这种景象就十分正常了。真空中虽无粒子,却具特点,当所需特点互相作用到一同就会发生粒子,而特点改变粒子则会消失。

物理学和形而上学

为何像量子场论这样大获成功的理论,在理论底子结构中会有如此严峻的抵触?原因很显着,虽然理论能够告知咱们要丈量什么,但关于构成咱们所见现象的实体,其实质终究怎么,则语焉不详。量子场论将咱们见到的现象归因于夸克、苦战卡西诺介子、光子和五花八门的量子场,但它没有告知咱们一个光子或一个量子场终究是什么姿态。并且实际上它也无须阐明,由于物理理论很大程度上不必追查这类形而上学的问题也能够极为有用。

对许多物理学家来说,这就足够了。在他们看来,理论仅仅是生成试验预言的东西。当然,大多数科学家都有激烈的直觉,在进行任何丈量之前,他们的理论就现已描绘了天然的至少部分旁边面,究竟,假如不是为了了解周围的国际,科学又有什么用途呢?

要取得一幅完好的物理国际的图画,需求集物理学和哲学之力。这两个学科相得益彰,形而上学(metaphysics)供给各种可比对的、解说物质国际的本体论结构,可是除了确保这些结构内涵自洽,形而上学无法在其间作出挑选。而物理学这边,对物体界说、特性的人物、特点的位置、事物和特点谭卫国宜昌间的联络以及空间和时间的村庄迷情实质这类底子问题,正好短少一个共同的描绘。

这两个学科的结合十分重要,尤其是当物理学家发现自己正在对这个学科的根底进行从头审视的时分。形而上学的思想方法指引过牛顿和爱因斯坦,也正在影响着许多企图一致量子场论和爱因斯坦引力理论的考虑者。哲学家有关量子场论和引力理论的专著和文章不计其数,但对量子场论中物理基元的探究才刚刚开端。咱们正在构建新的视角以代替规范的粒子论和场论,这或许能激起物理学家的创意,在寻找大一致的苦旅中助其一臂之力。

博科园|文:Meinard Kuhlmann

转自:举世科学/huanqiukexue

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