世界觀：現代年輕人必懂的科學哲學和科學史(下)

世界觀：現代年輕人必懂的科學哲學和科學史Worldviews：An Introduction to the History and Philosophy of Science

第三部份： 科學與世界觀的近代發展

Richard DeWitt  2015 夏日出版

分類：論說--理論 

★★★★★★★★★★

摘要：

狹義相對論

愛因斯坦(1879~1955)於1905年發表了在某些特定情況適用的狹義相對論。

被相對論證明是錯誤的哲學性/概念性事實(長久以來我們當作是經驗事實，但其實很難直接測量)：

• 絕對空間：空間本身不會因為物體在其中運動而放大縮小，也是說距離不會因運動而改變。
• 絕對時間：時間不論在任何地方對任何人來說，所經過的量都一樣。

狹義相對論的基本假設：

光速不變原理：光在真空中所有慣性坐標系(坐標系本身不能旋轉或加速)所測出的速度都一致。不論運動中的物體或光源運動的速度多快，測得的光速一樣。

相對性原理：所有慣性坐標系中，物理定律都是相同的表現形式。所以沒有一個特定的參考點可以決定誰在移動、誰是靜止。

狹義相對論是靠著修正時空概念的物理學將上述兩項已被證明的原理推導出以下結論：

• 時間膨脹：運動中的人或物體，時間會過得比較慢。
• 長度收縮：運動中的人或物體，觀察到的距離會收縮。
• 同時性的相對性：在運動觀點下同時發生的事件，在一個靜止觀點下所見到的事件，不會同時發生。例如在地表上兩地同時發生車禍，對一個坐在飛機上的觀測者而言，發生的時間會有些微不同。

在慣性坐標系中，任何事件之間的時空間隔都會一致，儘管事件之間的空間和時間間隔在不同的坐標系裡觀測會不一樣，但時空間隔不會，可以使用勞倫茲轉換。(因為光速不變，所以時間和距離會改變) 

上述的違反我們經驗的效應為何會發生，最好的答案是：因為我們所在的宇宙就是這樣。就像我們的前人發現宇宙並不是他們認為的有目的論及本質主義一樣。

廣義相對論

1916年提出，指出了空間、時間和物質間的相互影響。成功預測了水星近日點的移動，光的重力紅移，以及星光經過太陽的彎曲。

廣義協變原理(也稱廣義相對性原理或等效原理)：物理定律在所有參考坐標(不論是慣性或非慣性)都是一樣的。例如處於一個加速上升火箭裡的人，觀測到的現象和在地球上有重利的狀態一樣，他無法說明他和周圍的物體正在加速上升。

宇宙間沒有重「力」，物體之所以會互相吸引，是因為質量把時空扭曲了，打破了牛頓的絕對時空觀。重力並不是一種遠距力量(因為傳遞速度不應該超過光速)，而是一種時空彎曲。

在牛頓觀點中，行星是因為和太陽間彼此的吸引力而運動。在愛因斯坦觀點中，行星只是直線運動，但因為時空被大質量彎曲而成為繞型太陽的橢圓線。在現有的已知資料中，相對論的表現比較正確。牛頓的重力理論雖然依舊好用，但我們現在不能用實在主義，而是需要改以工具主義看待之。

量子理論的經驗事實和數學概觀

量子理論關鍵的數學是在1920年代晚期發現的，若以預測和解釋力來看，量子理論可說是我們曾經有過最成功的理論。

量子事實：我們無法在電子和測量儀器交互作用之前觀測到電子，只能「詮釋」，而非一個經驗事實。

實驗：當光通過雙狹縫時，結果為波效應，但當我們把偵測器放在狹縫後面，一次卻只有一個偵測器反應，表示一次只有一個電子通過狹縫，呈現粒子效應，並且切換偵測器的開關就可以讓電子在波和粒子之間切換。偵測或測量看起來很不合理地會影響量子實體為何。

波數學的特色：波以一整群出現，以及任何一個特定的波，都可以透過組合任一波群中的適當成員而產生。

量子理論的數學：類似「波」的數學，可以預測在一個系統中可以測量到什麼(例如波的能量值)，以及一個系統會如何隨時間發展(例如未來時間的波峰位置)。但不同於一般的波數學，量子理論數學通常提供的是機率預測。量子理論的數學並不奇怪，而是透過量子理論數學「詮釋」(就像我們「詮釋」了數學方程式來呈現和預測球掉落的路徑)而成的現實面貌會相當古怪。

• 一個量子系統的狀態可由波數學的某一特定片段來表示，稱為該系統的波函數。
• 每個用來對一個量子系統進行的測量法(位置、動量、自旋等等)，都與一個特定波群有關。
• 尋找相加起來能產生波函數的波群成員(與該測量相關的波群)，可以得到測量量子系統的預測結果。

量子理論詮釋的概觀

量子理論最具爭議的就在「詮釋interpretation」這個部份，也就是「潛藏在量子事實和數學底下的是什麼樣的實體」。

薛丁格的貓(思想實驗)：指出了量子力學詮釋於宏觀物體會出現的問題。以量子力學來說，數學可以表達一種疊加狀態(箱子內的貓會存在活貓狀態和死貓狀態的疊加之中)

哥本哈根詮釋：當有意識的觀察發生時，波函數就塌縮成其中一種狀態或一個新的函數(打開盒子就看到活貓或死貓其中一種)。根據此種詮釋，我們無法說明量子在測量發生前是什麼屬性，因為這些明確的屬性在測量之前並不存在。但如此產生了何為量子實體，以及什麼算是(引起波函數崩陷)的測量這兩個問題。

• 溫和依賴於測量的實體：量子實體只有電子、中子等次原子粒子和光子，只有這種初級微觀層次才會在測量進行之前缺乏明確的屬性。的確有個包含電子、光子等等的現實，但這個現實在測量前是個未定的現實。
• 中等依賴於測量的實體：所有由基本粒子組成的物體都是量子實體，但測量的定義很廣泛，所以在我們能夠體驗疊加狀態之前，波函數就已經塌縮了。
• 激進依賴於測量的實體：只有人類意識才是真正的測量，因為測量的物理過程和其他物理過程沒有什麼不同，沒有理由造成波函數塌縮，唯一不同的事件就是人類意識的觀察。這個世界未被人類觀測時，並不存在著明確的狀態。

隱藏變數之詮釋：目前的理論並不完整，需要隱藏變數的補充以合乎我們的現實。

愛因斯坦實在論：(已不符合某些最新的量子事實)量子實體在被測量之前，一定有明確的屬性。

大衛波姆的實在論：把量子實體看作粒子，在任何時刻有明確(但觀測不到)的位置和軌跡，其運動受到導引波的影響。爭議：和量子理論數學的預測一致而沒有更好、導引波需要比光速更快的影響違反相對論。

多重世界詮釋：和隱藏變數一樣沒有波函數塌縮，每有一個疊加狀態就會產生一個新的分支(副本)，類似多重宇宙的概念。以數學來說是真正極簡的詮釋，但也最違反經驗直覺。

結論：量子理論的詮釋必須符合量子事實和量子理論數學，結果詮釋起來都違反常識，描繪出的宇宙和我們一直以為的截然不同。若以工具主義來看而忽略理論之下的實體，量子理論是相當成功且好用的理論，這也是目前科學家普遍的態度，因為對於哪一種詮釋比較好，目前並沒有共識。

「沒有人知道宇宙怎麼會這樣，只知道宇宙就是這樣。」

量子理論與局部性

局部性假設：兩個地方之間有某種連結或聯絡，一個地方的事才可能影響另一個地方所發生的事。又因為光速不變，理論上兩個事件發生經過的時間至少要和光在其間行進發生的時間一樣長，才有可能是有連結的。

EPR思想實驗：兩個粒子交互作用後分離到相距很遠的地方，根據動量守恆，如果測量到A粒子的動量，則B粒子的動量也瞬間從疊加狀態塌縮，等於是有超越光速的連結讓B去知道要變成與A相符的狀態，不符合局部性假設。因此愛因斯坦認為量子力學的世界觀並不完備，光子被偵測前要有確定的屬性，只是量子力學需要加個「隱藏變數」去呈現。

貝爾定理：貝爾不等式表明了量子理論和局部性假設不相容，不可能兩個都是對的。

阿斯佩(於2022年獲得諾貝爾獎)的實驗：他做了極為困難的實驗，證明EPR思想實驗思想實驗是錯的，為量子力學現象提供了證據：量子糾纏中子系統間可以有著不受距離(超越光速)影響的關聯性，但這種影響只發生在偵測器之間，不能確定這種影響是否有因果性或是否有發送資訊。

演化論概要

演化並不專指有機生命體(例如車和手機的型號和功能也能演化)，其基本特色為：可以傳給未來世代的變異以及生存競爭(影響哪一種變化能持續存在)。

討論演化論的誤解：

• 演化是有目標的：演化並沒有目的，演化不會導致比較「好」、「先進或高等」的功能，只是讓物種因為它的某些特性而生存下來，所以其他有機體沒有演化出人類的特性是很合理的。
• 演化是關乎機率而隨機的，不可能產生複雜的有機體：雖然生殖和傳遞特性和機率相關，但重要的是演化還包含了一個選擇的過程，加起來財產生了複雜的形式。
• 根據演化論，人類的祖先是猿：當我們的祖先(四到六百萬年前)取得和現在人類相關的特性時，這些現代猿種都還不存在。

演化的哲學與概念含意

宗教：質疑了有一位對宇宙負責的上帝、人類是特別的、以及宇宙有某種整體目的等概念。現存於地球的物種都是上億年經過無數次偶發事件(環境、影響物種生存的事件、隨機突變等等)結果的一部分。如果關於這個問題，重視的是「經驗證據」，也就是用嚴肅的觀點來看待演化論，那麼就沒有上帝或偉大宇宙創造人類的藍圖可以存在的餘地。但也有一派人，核心信念對經驗證據的重視度不一樣，以「歷程神學」解釋認為上帝創造萬物是一個持續的過程，就可以同時接受演化論和上帝。

道德觀和倫理學：我們認為道德上值得稱許的行為，例如合作、利他、信任，或是一些指導人類行為的普世倫理通則，研究證明可能都是演化形塑了我們了倫理傾向。道德之所以成為人類的主觀特色，就像我們能看到顏色一樣，是因為這在演化上有優勢，不代表這個世界的客觀特質，如果人類不存在，道德和顏色就都不會存在。也就是說，演化思想顯示道德行為背後沒有終極目的，沒有可以推導出的真正道德正確行為的基礎規範道德原則。

短評：

演化論以及近代量子力學的發展，迫使我們重新思考長久以來抱持的基本觀點，許多對我們來說是明顯且經驗的事實，也因為科學的不斷發現，變成錯誤的哲學性/概念性事實。我們原本認為看起來如此明顯的問題也能錯得如此誇張(例如人竟然因為移動時間就過得比較慢)，也許這就是科學的本質，我們不應該小看或低估科學上新的發現和想法，我們的後代將擁有和我們截然不同的世界觀。