「形而上学实验」探究我们对现实的隐藏假设 https://www.quantamagazine.org/metaphysical-experiments-test-hidden-assumptions-about-reality-20240730/ Amanda Gefter 将物理学和哲学作为一个整体来进行测试，可能是我们获得宇宙确凿知识的唯一途径。 形而上学是哲学的一个分支，处理世界的深层结构：空间、时间、因果关系和存在的本质 ，以及现实本身的基础。这通常被认为是不可测试的，因为形而上学的假设是我们进行测 试和解释结果的基础。这些假设通常是不言而喻的。 大多数时候，这样是没问题的。我们对世界运作方式的直觉很少与日常经验相冲突。在远 低於光速或远大於量子尺度的情况下，我们可以假设物体具有独立於我们测量的确定特徵 ，我们共享一个普遍的空间和时间，一个人的事实对所有人都是事实。只要我们的哲学有 效，它就会隐藏在背景中，导致我们错误地认为科学是可以与形而上学分开的东西。 但是，在经验的未知边界——高速和微小尺度——这些直觉不再能够为我们服务，使得我 们无法在不面对我们的哲学假设的情况下进行科学研究。突然之间，我们发现自己处於一 个科学和哲学无法再被清晰区分的地方。根据物理学家埃里克·卡瓦坎蒂的说法，这个地 方被称为「实验形而上学」。 卡瓦坎蒂继承了一个传统，这个传统可以追溯到一长串抵制物理学与哲学之间常规界线的 叛逆思想家。在实验形而上学中，科学的工具可以用来测试我们的哲学世界观，反过来， 这也可以帮助我们更好地理解科学。卡瓦坎蒂是巴西人，今年46岁，现任澳大利亚布里斯 本格里菲斯大学的教授。他和他的同事们已经发表了迄今为止在实验形而上学中取得的最 强有力的成果，这是一个对现实本质施加严格而令人惊讶的限制的定理。他们现在正在设 计巧妙但具有争议性的实验，不仅用来测试我们对物理学的假设，还包括对心灵的假设。 尽管我们可能会认为将哲学引入科学会导致科学性减弱，但事实上，卡瓦坎蒂表示，情况 恰恰相反。他说：“在某种意义上，我们通过实验形而上学获得的知识更加可靠和科学， ”因为它不仅验证了我们的科学假设，还检验了那些通常隐藏在其下的前提。 **科学与哲学之间的分界线从来都不清晰。通常，这条线是以可测试性来划分的。任何称 得上科学的学科都应该能够接受可能使其被证伪的测试，而哲学则追求那些超越实验范畴 的纯粹真理。只要这一区分有效，物理学家们就相信他们可以专注於“真正的科学”，把 哲学家们留在他们的扶手椅上抚摸着下巴思索。 然而，这种区分并不成立。哲学家们早就知道证明一个假设是不可能的。（无论你看到多 少白天鹅，下一只可能是黑的。）这就是为什麽卡尔·波普尔着名地说，只有当一个命题 是可证伪的时候，它才是科学的——如果我们不能证明它，至少我们可以尝试证伪它。然 而，1906年，法国物理学家皮埃尔·杜亨姆表明，证伪一个单一假设是不可能的。每一块 科学都缠绕在一个错综复杂的假设网络中，他辩称。这些假设涉及从基本物理定律到具体 测量设备运作的各个方面。如果实验结果似乎证伪了你的假设，你总是可以通过调整其中 一个假设来解释数据，而保持你的假设不变。 例如，时空的几何学。18世纪哲学家伊曼纽尔·康德宣称，空间和时间的性质不是经验性 的问题。他认为，空间的几何学必然是欧几里德的，这意味着三角形的内角和为180度， 并且这一事实必须成为“任何未来形而上学的基础”。根据康德的说法，这并不是经验上 可测试的，因为它提供了我们理解测试如何工作的框架。 然而，1919年，天文学家测量了远方星光掠过太阳引力影响的路径，发现空间的几何学并 不是欧几里德的——它被引力扭曲了，正如阿尔伯特·爱因斯坦最近预测的那样。 还是说，他们确实证明了呢？法国博学者亨利·庞加莱提出了一个有趣的思想实验。想像 一下，宇宙是一个符合欧几里德几何学的巨大圆盘，但其物理定律包括以下规定：圆盘的 中心最热，边缘最冷，温度随距离的平方下降。此外，这个宇宙具有一个折射率——光线 弯曲的测量——与温度成反比。在这样的宇宙中，尺子和码尺永远不会是直的（固体物体 会随温度梯度膨胀和收缩），而折射率会使光线看起来像是在曲线而不是直线中传播。因 此，任何测量空间几何的尝试——比如通过计算三角形的内角和——都会让人相信空间是 非欧几里德的。 任何几何学的测试都需要你假设某些物理定律，而任何这些物理定律的测试都需要你假设 几何学。当然，圆盘世界的物理定律看起来是临时的，但欧几里德的公理也是如此。“庞 加莱，在我看来，是对的，”爱因斯坦在1921年的一次讲座中说。他补充道：“只有几何 学和物理定律的总和是可以通过实验验证的。”正如美国逻辑学家威拉德·范·奎因所说 ，“经验意义的单位”——实际上可测试的东西——“是整个科学。”最简单的观察（比 如天空是蓝色的，或者粒子在那里）迫使我们质疑我们对宇宙运作的所有认知。 但实际上，情况比这更糟。经验意义的单位是科学和哲学的结合。最清楚地看到这一点的 是20世纪瑞士数学家费迪南德·冈塞特。对冈塞特来说，科学和形而上学总是在相互对话 中，形而上学提供科学运作的基础，科学提供证据迫使形而上学修订这些基础，两者共同 适应和改变，就像一个有生命的、有呼吸的有机体。他在参加爱因斯坦荣誉研讨会时说： “科学和哲学构成一个整体。” 科学与哲学交织在一起，就像一个戈耳狄之结，我们可能会感到无从下手，因为我们无法 在不牵涉形而上学假设的情况下检验科学陈述。但事情的另一面是：这意味着形而上学是 可以测试的。这也是为什麽卡瓦坎蒂这位量子知识前沿的学者，不称自己为物理学家或哲 学家，而是自称“实验形而上学家”。 我与卡瓦坎蒂进行了一次视频通话。他将深色的头发束成一个髻，显得有些忧郁，仅有一 只15周大的小狗在他腿上扭动着，打破了他谨慎而严肃的态度。他告诉我，1990年代末他 在巴西大学本科时，从事的是实验生物物理学——他形容为“非常湿的工作”，比如从兔 子身上取出心脏，放在超导磁力计下进行测量。尽管他很快转向“乾燥的领域”（在粒子 加速器中工作，研究原子碰撞），但这些工作仍然远离他心中早已存在的形而上学问题。 他说：“有人告诉我，量子力学基础的有趣问题在（尼尔斯）波耳与爱因斯坦的辩论中都 已经解决了。”所以他继续测量截面，发表论文，日复一日。 他最终在巴西国家核能委员会工作，在那里他读到了物理学家罗杰·彭罗斯和大卫·多伊 奇的书，每本书都提出了不同的形而上学故事来解释量子力学的事实。我们应该像多伊奇 建议的那样放弃只有一个宇宙的哲学假设吗？还是如彭罗斯所偏好的那样，或许量子理论 在大尺度上不再适用，当引力进入时情况会改变？“这些杰出的物理学家不仅直接讨论基 础问题，还彼此之间存在深刻的分歧，”卡瓦坎蒂说。他补充道，彭罗斯“甚至超越了物 理学，进入了传统的形而上学领域，提出关於意识的问题。” 受到启发的卡瓦坎蒂决定攻读量子基础的博士学位，并在澳大利亚昆士兰大学找到了一个 合适的位置。他的论文开头写道：“要理解量子基础冲突的来源，必须知道我们的经典模 型和直觉在何处以及如何开始无法描述量子世界。这是实验形而上学的主题。”一位教授 看完论文後说：“这不是物理学。” 但卡瓦坎蒂准备好论证物理学和哲学之间的界线早已模糊不清。1960年代，北爱尔兰物理 学家约翰·斯图尔特·贝尔也遇到过一个对哲学没有耐心的物理学文化。爱因斯坦和波耳 争论现实本质的日子——并在这过程中深入探讨哲学——早已过去。战後实用主义盛行， 物理学家们急於进行物理学工作，彷佛戈耳狄之结已被切断，彷佛可以忽视形而上学并依 然进行科学研究。但贝尔在业余时间进行异端工作，发现了一个新可能性：虽然你不能孤 立地测试单个假设，但你可以采取多个形而上学假设，看看它们是否一起站得住脚或一起 倒塌。 对贝尔而言，这些假设通常被理解为局域性（相信事物不能即时地跨空间相互影响）和实 在论（相信事物有一种独立於测量的方式存在）。他在1964年发表的定理证明了所谓的贝 尔不等式：对於任何在局域性和实在论假设下运行的理论，某些事件之间的相关性有一个 上限。然而，量子力学预测的相关性突破了这个上限。 按照原本的写法，贝尔定理是不可测试的，但1969年物理学家和哲学家阿布纳·希莫尼看 到它可以被重新写成实验室适用的形式。与约翰·克劳泽、迈克尔·霍恩和理查德·霍尔 特一起，希莫尼将贝尔不等式转化为CHSH不等式（以作者的首字母命名），1972年在加利 福尼亚伯克利的一个地下室，克劳泽和他的合作者斯图尔特·弗里德曼通过测量光子对之 间的相关性进行了测试。 结果显示，世界符合量子力学的预测，显示出远强於贝尔不等式所允许的相关性。这意味 着局域性和实在论不能同时是现实的特徵——但实验无法说明我们应该放弃哪一个。“在 我看来，贝尔型定理最迷人的地方在於它们提供了一个罕见的机会，能够真正称为‘实验 形而上学’的事业，”希莫尼在1980年写道，这段话被广泛认为是首次提出这个术语。 然而，这个术语实际上可以追溯到更早的一个不太可能的人物。米歇尔·贝索，爱因斯坦 最好的朋友和智囊团，是唯一一个爱因斯坦承认帮助他提出相对论的人。但贝索的帮助更 多是来自於哲学而非物理学。爱因斯坦一直是实在论者，相信有一个独立於我们观察的幕 後现实，但贝索介绍给他恩斯特·马赫的哲学着作，马赫认为理论应该只涉及可测量的量 。通过贝索，马赫鼓励爱因斯坦放弃他对绝对空间、时间和运动的形而上学概念。结果是 狭义相对论。 当它在1905年出版时，物理学家们不确定这是物理学还是哲学。所有的方程式都已经由其 他人写下；新的是其背後的形而上学。但这形而上学足以引导新的科学，因为狭义相对论 让位於广义相对论，一个包含新的、可测试预测的引力理论。贝索後来与冈塞特成为朋友 ；在瑞士，两人一起长途散步，冈塞特认为物理学永远无法建立在坚实的基础上，因为实 验总是可能推翻其建构的最基本假设。在1948年《Dialectica》杂志的一期中，冈塞特发 表了贝索的一封信，信中建议冈塞特称他的工作为“实验形而上学”。 实验形而上学在1970年代获得了某种正式的总部，当时瑞士比尔成立了费迪南德·冈塞特 协会。“科学和哲学是一体的，”协会的创始价值观中声明，“科学中发生的所有事情， 无论是在其方法还是结果中，都可能对哲学产生影响，甚至在其最基本的原则上。”这是 一个激进的声明，对科学和哲学都同样震惊。协会出版了一份名为《认识论信》的地下通 讯，一种物理学“zine”，用打字和油印的页面，点缀着手绘的方程，邮寄给约100名物 理学家和哲学家，这些人构成了一个新兴的反文化群体——那些勇敢地希望讨论实验形而 上学的少数人。希莫尼担任编辑。 贝尔定理始终是这些讨论的核心，因为先前的物理学工作让其形而上学不被承认，而在贝 尔的工作中，这两者是确实不可分的。该定理不是关於任何特定的物理理论。它是物理学 家所谓的“无法实现”定理，一个通用证明，显示在局域性和实在论的形而上学假设下运 行的任何理论都无法描述我们生活的世界。你想要一个即使不被测量也以某种特定方式存 在的世界吗？你还想要局域性吗？不可能。或者，如希莫尼在《认识论信》中引用贝尔的 名字，想要持有这样的世界观的人“应该记住唐恩的布道：‘因此，永远不要问丧钟为谁 而鸣；它为你而鸣。’” “贝尔既是物理哲学家，又是物理学家，”加拿大西部大学的物理哲学家韦恩·麦弗罗德 说。“在他的一些最佳论文中，他基本上是将这两者结合在一起。”这使传统物理学期刊 的编辑和科学的守门人感到不安。“这种工作绝对不被视为可尊敬的，”卡瓦坎蒂说。 这就是为什麽当法国物理学家阿兰·阿斯佩特向贝尔提出一个新实验来测试贝尔不等式， 同时排除任何残留影响在用於检测光子偏振的测量设备之间传播时，贝尔问他是否有一个 永久的教职。“担心的是，做那个实验对一个年轻的物理学家来说将是职业生涯的终结， ”麦弗罗德说。 快进到2022年，阿斯佩特与克劳泽和安东·塞林格一起前往斯德哥尔摩接受诺贝尔奖。事 实证明，那些违反贝尔不等式的相关性导致了革命性的技术，包括量子加密、量子计算和 量子传输。但“尽管有技术上的回报，”麦弗罗德说，“这项工作是由哲学问题驱动的。 ”根据诺贝尔奖的引述，这三位物理学家因“开创量子信息科学”而获奖。根据卡瓦坎蒂 的说法，他们因实验形而上学而获奖。 贝尔定理只是个开始。 在违反贝尔型不等式的实验之後，几种现实观点仍然在讨论中。你可以保留实在论并放弃 局域性，接受宇宙的一个角落发生的事情即时影响另一个角落，因此必须修改相对论。或 者你可以保留局域性并放弃实在论，接受宇宙中的事物在被测量之前没有确定的特徵—— 自然在某种深刻意义上是在即时生成事物。 但是，即使你放弃了测量前的现实，你仍然可以坚持测量後的现实。也就是说，你可以想 像将所有这些测量结果拼凑成一个单一的、共享的现实。这通常是我们所说的“现实”。 它是客观世界的概念。 科学和哲学是一体的。 费迪南德·冈塞特 1961年提出的一个思想实验对这一可能性提出了质疑。诺贝尔奖得主尤金·维格纳提出了 一个情景，其中一位观察者，称为“维格纳的朋友”，进入了一个实验室，里面有一个量 子系统——比如一个处於“自旋向上”和“自旋向下”两个状态的量子组合或叠加中的电 子。朋友测量了电子的自旋，发现它是向上的。但站在外面的维格纳可以使用量子力学来 描述整个实验室的状态，从他的角度来看，没有进行任何测量。朋友的状态和电子的状态 只是相关的——纠缠的——而电子仍然处於叠加状态。原则上，维格纳甚至可以进行测量 ，显示叠加的物理效应。从朋友的角度来看，电子有一些测量後的状态，但这似乎不属於 维格纳的现实。 2018年，对共享现实的疑问变成了一个完全的困境。维也纳大学的物理学家卡斯拉夫·布 鲁克纳意识到，他可以将维格纳的朋友与贝尔型实验结合起来，证明一个新的无法实现定 理。其想法是有两位朋友和两位维格纳；朋友各自测量纠缠系统的一半，然後各自的维格 纳对朋友的实验室进行两种可能测量之一。维格纳的测量结果将像原始贝尔型实验中光子 的偏振一样相关，某些形而上学假设对这些相关性的强度施加上限。 结果表明，布鲁克纳的证明依赖於一个额外的假设，削弱了结果定理的强度，但它激发了 卡瓦坎蒂和同事们制作自己的版本。2020年，他们在《自然物理学》期刊上发表了《关於 维格纳朋友悖论的强无法实现定理》，证明了两件事。首先，实验形而上学从以前的地下 通讯升级到了受尊敬的科学期刊。其次，现实比贝尔定理所暗示的更奇怪。 卡瓦坎蒂的无法实现定理显示，如果量子力学的预测是正确的，以下三个假设不能同时为 真：局域性（没有远距作用），选择自由（没有宇宙阴谋欺骗你设置检测器，使结果似乎 违反贝尔不等式，尽管它们并未违反），以及观察事件的绝对性（对於维格纳的朋友来说 ，自旋向上的电子对所有人来说都是自旋向上的电子）。如果你想要局域性和没有阴谋的 宇宙，那麽你必须放弃一个观察者的测量结果对所有人都是测量结果的观念。 显着的是，他们的无法实现定理“比贝尔定理更紧密地限制了可能的形而上学理论的空间 ，”卡瓦坎蒂说。 “这是一个重要的改进，”布鲁克纳说。“这是最精确、最强的无法实现定理。”换句话 说，这是迄今为止最强有力的实验形而上学成果。“这些无法实现定理的强大之处在於它 们不测试任何特定理论，而是测试一种世界观。通过测试它们并显示违反某些不等式，我 们不会拒绝一个理论，而是一整类理论。这是一个非常强大的事情。它让我们了解什麽是 可能的。” 布鲁克纳感叹实验形而上学的含义还没有完全融入到物理学的其他领域，尤其是在他看来 ，这对於研究量子引力的本质是有害的。“这真是可惜，因为我们最终会得到错误的图景 ，比如，真空是什麽样子，或者黑洞里发生了什麽情况，而这些描述都没有考虑观察方式 ，”他说。“我认为在我们真正对测量理论进行大量研究之前，这些领域不会有显着进展 。” 实验形而上学是否能够最终引导我们找到正确的量子引力理论还不清楚，但它至少可以缩 小研究范围。“有一个故事，我不知道它是否真实，但它很有趣，”卡瓦坎蒂在2021年的 一篇论文中写道，“据说米开朗基罗在被问到他如何雕刻大卫像时说：‘我只是去除了不 是大卫的部分。’我喜欢将形而上学的景观比作一块原始的大理石——其中不同点对应不 同的物理理论——而实验形而上学就像是雕刻的凿子，去除那些不能描述我们经验世界的 角落。最终，我们可能无法将这块大理石缩减到一个对应於唯一‘万物理论’的点。但我 们可以希望，经过实验允许的雕刻後，剩下的部分形成一个美丽的整体。” 当我与卡瓦坎蒂交谈时，我试图通过他希望保留的形而上学假设以及他准备放弃的来了解 他支持哪种量子力学解释。他是否同意波姆解释，牺牲局域性以换取实在论？他是“ QBist”，不需要观察事件的绝对性吗？他相信超决定论者的宇宙阴谋论，认为所有当代 宇宙中的相关测量都源自时间开始时制定的总体计划吗？还是他认为测量会产生平行现实 ，如多世界假说？卡瓦坎蒂保持了一个真正的哲学家的面无表情；他不说。（与此同时， 小狗正在对地毯进行全力的拔河比赛。）然而，我抓住了一个暗示。无论他最终选择哪种 解释，他都希望它触及心灵之谜——意识是什麽，或者什麽算作一个有意识的观察者。“ 我仍然认为那是最深奥的谜题，”他说。“我认为现有的任何解释都没有真正讲到正确的 故事。” 在2020年的《自然物理学》论文中，卡瓦坎蒂和同事们报告了他们所称的“概念证明版本 ”的贝尔-维格纳朋友实验的结果，该实验显示了从局域性、选择自由和观察事件的绝对 性联合假设推导出的不等式的明显违反。但这个实验本质上难以进行，因为需要某些东西 ——或者某个人——来扮演观察者的角色。在概念证明版本中，维格纳的“朋友”由光子 路径扮演，而光子检测器扮演维格纳的角色。光子路径是否算作观察者是很难说清的。 “如果你认为任何物理系统都可以被视为观察者，那麽这个实验已经完成了，”卡瓦坎蒂 说。“但大多数物理学家会认为，不，我不买这个说法。那麽接下来的步骤是什麽？我们 能走多远？”一个分子是一个观察者吗？一个变形虫呢？维格纳能与无花果做朋友吗？或 者与一棵橡树？ 如果朋友必须是人类，那麽要测量一个处於叠加状态中的人类有多难无法被低估，而这正 是实验中的维格纳应该做的事情。保持单个原子处於叠加状态已经够难了。保持原子的叠 加状态意味着将其与几乎所有的相互作用隔离，包括与空气的相互作用，这意味着将其存 储在接近绝对零度的状态下。普通成年人类除了需要空气，还由约30万亿个细胞组成，每 个细胞包含约100万亿个原子。维格纳需要的技术、精细的操作技能和伦理问题超出了任 何物理学家或伦理审查委员会的想像。“这一[提出的]实验是一个暴力行为，这一点并不 总是被强调，”麦弗罗德说。“这基本上涉及摧毁这个人，然後复活他。”要想为此获得 资助，祝你好运。 布鲁克纳认为，这种测量不仅仅是困难的，而是根本不可能的。“我怀疑如果我们把所有 细节写下来，我们会发现维格纳进行这种测量所需的资源远远超出宇宙的可用资源，”他 说。“也许在某些更基本的理论中，这些限制将成为理论的一部分，结果是这个问题没有 意义。”这将是实验形而上学的一个重大转折。也许我们对现实本质的最深刻见解将来自 於我们意识到什麽是不可测试的。 然而，卡瓦坎蒂仍然抱有希望。他说，我们可能永远无法对人类进行这个实验，但为什麽 不对人工智能算法进行呢？在他的新作中，他与物理学家霍华德·怀斯曼和数学家埃莉诺 ·瑞弗尔一起，主张朋友可以是一个在大型量子计算机上运行的人工智能算法，进行模拟 实验。“某种程度上，”卡瓦坎蒂认为，“我们将拥有在认知能力方面本质上与人类无法 区分的人工智能，”我们将能够最终测试他的不等式。 但这并不是一个无争议的假设。一些心灵哲学家相信强人工智能的可能性，但肯定不是所 有人都这麽认为。例如，体现认知的思想家反对非具体化心灵的观念，而行动认知方法则 只承认有生命的生物具有心灵。 这使物理学处於一个尴尬的境地。我们无法知道自然是否违反了卡瓦坎蒂的不等式——也 就是说，我们无法知道客观性本身是否在形而上学的砧板上——直到我们能够定义什麽算 作观察者，而这涉及物理学、认知科学和哲学。实验形而上学的激进空间扩展到将这三者 交织在一起。正如冈塞特所言，也许它们形成了一个整体。 --

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