量子反常现象是否应该让我们重新思考现实?

无法解释的实验室结果可能在告诉我们,我们正处于新科学范式的边缘

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


每一代人都倾向于认为他们对现实本质的看法要么是正确的,要么非常接近真理。我们也不例外:尽管我们知道,前几代人的观点每次都被后来的观点所取代,但我们仍然相信这一次我们是对的。我们的祖先是天真和迷信的,但我们是客观的——或者我们是这样告诉自己的。我们知道物质/能量,在思想之外并独立于思想,是自然的根本组成部分,其他一切都来源于它——是这样吗?

事实上,研究表明,我们感知到的世界与我们所说语言中编码的概念类别之间存在着密切的关系。我们不是在感知一个纯粹客观的世界,而是在感知一个根据文化界定的类别被潜意识地预先划分和预先解释过的世界。例如,“给定语言中的颜色词会影响人类对颜色的感知”。一项脑成像研究表明,即使在对基本颜色进行最简单的辨别时,语言处理区域也会直接参与。此外,这种“类别感知现象不仅在颜色方面有报道,而且在其他感知连续体方面也有,例如音素、音乐音调和面部表情”。在某种重要意义上,我们看到的是我们未经审视的文化类别教我们看到的,这可能有助于解释为什么每一代人都对自己的世界观如此自信。请允许我详细说明。

感知的概念负载并不是一个新见解。早在1957年,哲学家欧文·巴菲尔德就写道:


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“我并非仅凭我的感觉器官感知任何事物……因此,我可以粗略地说,我‘听到一只画眉在唱歌’。但严格来说,我仅仅‘听到’的一切——我仅仅通过拥有耳朵而听到的一切——是声音。当我‘听到一只画眉在唱歌’时,我是在听……伴随着各种其他东西,如精神习惯、记忆、想象、感觉和……意志。”(《拯救外观》)

正如哲学家托马斯·库恩在他的著作《科学革命的结构》中所论证的那样,科学本身也沦为这种固有的感知主观性的牺牲品他将“范式”定义为“相互交织的理论和方法论信仰的隐含体系”,他写道:

“某种类似范式的东西是感知本身的前提条件。一个人看到什么,既取决于他看到的东西,也取决于他之前的视觉概念经验教他看到的东西。在缺乏这种训练的情况下,威廉·詹姆斯用一句话说,只能是‘一片混乱的嗡嗡声’。”

因此,因为我们感知和实验的事物和事件部分由隐含的范式定义,所以这些事物和事件倾向于通过建构来证实该范式。难怪我们今天如此自信地认为,自然是由思想之外并独立于思想的物质/能量的排列组成的。

然而,正如库恩指出的那样,当足够多的“反常现象”——无法被现行信仰体系容纳的经验上不可否认的观察结果——随着时间的推移而积累并达到临界质量时,范式就会改变。我们可能正接近这样一个决定性的时刻,因为来自量子力学 (QM) 的越来越多的证据使得当前的范式站不住脚。

事实上,根据当前的范式,一个物体的属性应该存在并且具有确定的值,即使该物体没有被观察到:月球应该存在并且具有无论其重量、形状、大小和颜色,即使没有人看着它。此外,仅仅是观察行为不应该改变这些属性的值。在操作上,所有这些都体现在“非语境性”的概念中:观察的结果不应取决于执行其他单独但同时进行的观察的方式。毕竟,当我看着夜空时所感知到的东西不应该取决于其他人与我一起看夜空的方式,因为我的观察所揭示的夜空属性不应该取决于他们的观察。

问题是,根据量子力学,观察的结果可以取决于执行另一个单独但同时进行的观察的方式。这发生在所谓的“量子纠缠”中,并且如上所述,它在重要意义上与当前的范式相矛盾。尽管爱因斯坦在1935年认为这种矛盾仅仅是因为量子力学是不完整的,但约翰·贝尔在1964年数学证明,量子力学关于纠缠的预测不能用爱因斯坦所称的不完整性来解释。

因此,为了挽救当前的范式,在某种重要意义上,人们必须拒绝量子力学关于纠缠的预测。然而,自从1981-82年阿兰·阿斯佩的开创性实验以来,这些预测已被反复证实,潜在的实验漏洞被一一堵上。1998年是成果颇丰的一年,在瑞士奥地利进行了两项卓越的实验。在2011年2015年,新的实验再次挑战了非语境性。在对此进行评论时,物理学家安东·塞林格曾被引述说,“假设我们没有测量[即观察]的关于系统的事物具有[独立的]现实是没有意义的。”最后,荷兰研究人员成功地进行了一项测试,关闭了所有剩余的潜在漏洞,该测试被《自然》杂志认为是“迄今为止最严峻的测试”。

那些坚持当前范式的人剩下的唯一选择是假设某种形式的非定域性:自然必须拥有——或者他们推测——观察独立的隐藏属性,量子力学完全遗漏了这些属性,这些属性在时空中“涂抹开来”。正是这种据称无处不在、看不见但客观的背景,在“幕后”协调纠缠。

然而,事实证明,即使对于一大类重要的非定域理论,量子力学的一些预测也与非语境性不相容2007年2010年报告的实验结果证实了这些预测。要使这些结果与当前范式相协调,就需要对我们所谓的“客观性”进行深刻的反直觉的重新定义。由于当代文化已经将客观性与现实本身联系起来,科学媒体感到有必要对此进行报道,并宣称“量子物理学告别了现实”。

只有忽略反常现象才能容忍反常现象与当前范式之间的紧张关系。到目前为止,这是可能的,因为反常现象只在实验室中观察到。然而,我们知道它们是存在的,因为它们的存在已被无可置疑地证实。因此,当我们相信我们看到思想之外并独立于思想的物体和事件时,至少在某些基本意义上我们是错误的。需要一种新的范式来容纳和理解反常现象;在这种范式中,思想本身被理解为当我们观察周围世界时所感知的本质——在认知上和物理上都是如此。

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