「形而上學實驗」探究我們對現實的隱藏假設 https://www.quantamagazine.org/metaphysical-experiments-test-hidden-assumptions-about-reality-20240730/ Amanda Gefter 將物理學和哲學作為一個整體來進行測試，可能是我們獲得宇宙確鑿知識的唯一途徑。 形而上學是哲學的一個分支，處理世界的深層結構：空間、時間、因果關係和存在的本質 ，以及現實本身的基礎。這通常被認為是不可測試的，因為形而上學的假設是我們進行測 試和解釋結果的基礎。這些假設通常是不言而喻的。 大多數時候，這樣是沒問題的。我們對世界運作方式的直覺很少與日常經驗相衝突。在遠 低於光速或遠大於量子尺度的情況下，我們可以假設物體具有獨立於我們測量的確定特徵 ，我們共享一個普遍的空間和時間，一個人的事實對所有人都是事實。只要我們的哲學有 效，它就會隱藏在背景中，導致我們錯誤地認為科學是可以與形而上學分開的東西。 但是，在經驗的未知邊界——高速和微小尺度——這些直覺不再能夠為我們服務，使得我 們無法在不面對我們的哲學假設的情況下進行科學研究。突然之間，我們發現自己處於一 個科學和哲學無法再被清晰區分的地方。根據物理學家埃里克·卡瓦坎蒂的說法，這個地 方被稱為「實驗形而上學」。 卡瓦坎蒂繼承了一個傳統，這個傳統可以追溯到一長串抵制物理學與哲學之間常規界線的 叛逆思想家。在實驗形而上學中，科學的工具可以用來測試我們的哲學世界觀，反過來， 這也可以幫助我們更好地理解科學。卡瓦坎蒂是巴西人，今年46歲，現任澳大利亞布里斯 本格里菲斯大學的教授。他和他的同事們已經發表了迄今為止在實驗形而上學中取得的最 強有力的成果，這是一個對現實本質施加嚴格而令人驚訝的限制的定理。他們現在正在設 計巧妙但具有爭議性的實驗，不僅用來測試我們對物理學的假設，還包括對心靈的假設。 儘管我們可能會認為將哲學引入科學會導致科學性減弱，但事實上，卡瓦坎蒂表示，情況 恰恰相反。他說：“在某種意義上，我們通過實驗形而上學獲得的知識更加可靠和科學， ”因為它不僅驗證了我們的科學假設，還檢驗了那些通常隱藏在其下的前提。 **科學與哲學之間的分界線從來都不清晰。通常，這條線是以可測試性來劃分的。任何稱 得上科學的學科都應該能夠接受可能使其被證偽的測試，而哲學則追求那些超越實驗範疇 的純粹真理。只要這一區分有效，物理學家們就相信他們可以專注於“真正的科學”，把 哲學家們留在他們的扶手椅上撫摸著下巴思索。 然而，這種區分並不成立。哲學家們早就知道證明一個假設是不可能的。（無論你看到多 少白天鵝，下一隻可能是黑的。）這就是為什麼卡爾·波普爾著名地說，只有當一個命題 是可證偽的時候，它才是科學的——如果我們不能證明它，至少我們可以嘗試證偽它。然 而，1906年，法國物理學家皮埃爾·杜亨姆表明，證偽一個單一假設是不可能的。每一塊 科學都纏繞在一個錯綜複雜的假設網絡中，他辯稱。這些假設涉及從基本物理定律到具體 測量設備運作的各個方面。如果實驗結果似乎證偽了你的假設，你總是可以通過調整其中 一個假設來解釋數據，而保持你的假設不變。 例如，時空的幾何學。18世紀哲學家伊曼紐爾·康德宣稱，空間和時間的性質不是經驗性 的問題。他認為，空間的幾何學必然是歐幾里德的，這意味著三角形的內角和為180度， 並且這一事實必須成為“任何未來形而上學的基礎”。根據康德的說法，這並不是經驗上 可測試的，因為它提供了我們理解測試如何工作的框架。 然而，1919年，天文學家測量了遠方星光掠過太陽引力影響的路徑，發現空間的幾何學並 不是歐幾里德的——它被引力扭曲了，正如阿爾伯特·愛因斯坦最近預測的那樣。 還是說，他們確實證明了呢？法國博學者亨利·龐加萊提出了一個有趣的思想實驗。想像 一下，宇宙是一個符合歐幾里德幾何學的巨大圓盤，但其物理定律包括以下規定：圓盤的 中心最熱，邊緣最冷，溫度隨距離的平方下降。此外，這個宇宙具有一個折射率——光線 彎曲的測量——與溫度成反比。在這樣的宇宙中，尺子和碼尺永遠不會是直的（固體物體 會隨溫度梯度膨脹和收縮），而折射率會使光線看起來像是在曲線而不是直線中傳播。因 此，任何測量空間幾何的嘗試——比如通過計算三角形的內角和——都會讓人相信空間是 非歐幾里德的。 任何幾何學的測試都需要你假設某些物理定律，而任何這些物理定律的測試都需要你假設 幾何學。當然，圓盤世界的物理定律看起來是臨時的，但歐幾里德的公理也是如此。“龐 加萊，在我看來，是對的，”愛因斯坦在1921年的一次講座中說。他補充道：“只有幾何 學和物理定律的總和是可以通過實驗驗證的。”正如美國邏輯學家威拉德·范·奎因所說 ，“經驗意義的單位”——實際上可測試的東西——“是整個科學。”最簡單的觀察（比 如天空是藍色的，或者粒子在那裡）迫使我們質疑我們對宇宙運作的所有認知。 但實際上，情況比這更糟。經驗意義的單位是科學和哲學的結合。最清楚地看到這一點的 是20世紀瑞士數學家費迪南德·岡塞特。對岡塞特來說，科學和形而上學總是在相互對話 中，形而上學提供科學運作的基礎，科學提供證據迫使形而上學修訂這些基礎，兩者共同 適應和改變，就像一個有生命的、有呼吸的有機體。他在參加愛因斯坦榮譽研討會時說： “科學和哲學構成一個整體。” 科學與哲學交織在一起，就像一個戈耳狄之結，我們可能會感到無從下手，因為我們無法 在不牽涉形而上學假設的情況下檢驗科學陳述。但事情的另一面是：這意味著形而上學是 可以測試的。這也是為什麼卡瓦坎蒂這位量子知識前沿的學者，不稱自己為物理學家或哲 學家，而是自稱“實驗形而上學家”。 我與卡瓦坎蒂進行了一次視頻通話。他將深色的頭髮束成一個髻，顯得有些憂鬱，僅有一 隻15週大的小狗在他腿上扭動著，打破了他謹慎而嚴肅的態度。他告訴我，1990年代末他 在巴西大學本科時，從事的是實驗生物物理學——他形容為“非常濕的工作”，比如從兔 子身上取出心臟，放在超導磁力計下進行測量。儘管他很快轉向“乾燥的領域”（在粒子 加速器中工作，研究原子碰撞），但這些工作仍然遠離他心中早已存在的形而上學問題。 他說：“有人告訴我，量子力學基礎的有趣問題在（尼爾斯）波耳與愛因斯坦的辯論中都 已經解決了。”所以他繼續測量截面，發表論文，日復一日。 他最終在巴西國家核能委員會工作，在那裡他讀到了物理學家羅傑·彭羅斯和大衛·多伊 奇的書，每本書都提出了不同的形而上學故事來解釋量子力學的事實。我們應該像多伊奇 建議的那樣放棄只有一個宇宙的哲學假設嗎？還是如彭羅斯所偏好的那樣，或許量子理論 在大尺度上不再適用，當引力進入時情況會改變？“這些傑出的物理學家不僅直接討論基 礎問題，還彼此之間存在深刻的分歧，”卡瓦坎蒂說。他補充道，彭羅斯“甚至超越了物 理學，進入了傳統的形而上學領域，提出關於意識的問題。” 受到啟發的卡瓦坎蒂決定攻讀量子基礎的博士學位，並在澳大利亞昆士蘭大學找到了一個 合適的位置。他的論文開頭寫道：“要理解量子基礎衝突的來源，必須知道我們的經典模 型和直覺在何處以及如何開始無法描述量子世界。這是實驗形而上學的主題。”一位教授 看完論文後說：“這不是物理學。” 但卡瓦坎蒂準備好論證物理學和哲學之間的界線早已模糊不清。1960年代，北愛爾蘭物理 學家約翰·斯圖爾特·貝爾也遇到過一個對哲學沒有耐心的物理學文化。愛因斯坦和波耳 爭論現實本質的日子——並在這過程中深入探討哲學——早已過去。戰後實用主義盛行， 物理學家們急於進行物理學工作，彷彿戈耳狄之結已被切斷，彷彿可以忽視形而上學並依 然進行科學研究。但貝爾在業餘時間進行異端工作，發現了一個新可能性：雖然你不能孤 立地測試單個假設，但你可以採取多個形而上學假設，看看它們是否一起站得住腳或一起 倒塌。 對貝爾而言，這些假設通常被理解為局域性（相信事物不能即時地跨空間相互影響）和實 在論（相信事物有一種獨立於測量的方式存在）。他在1964年發表的定理證明了所謂的貝 爾不等式：對於任何在局域性和實在論假設下運行的理論，某些事件之間的相關性有一個 上限。然而，量子力學預測的相關性突破了這個上限。 按照原本的寫法，貝爾定理是不可測試的，但1969年物理學家和哲學家阿布納·希莫尼看 到它可以被重新寫成實驗室適用的形式。與約翰·克勞澤、邁克爾·霍恩和理查德·霍爾 特一起，希莫尼將貝爾不等式轉化為CHSH不等式（以作者的首字母命名），1972年在加利 福尼亞伯克利的一個地下室，克勞澤和他的合作者斯圖爾特·弗里德曼通過測量光子對之 間的相關性進行了測試。 結果顯示，世界符合量子力學的預測，顯示出遠強於貝爾不等式所允許的相關性。這意味 著局域性和實在論不能同時是現實的特徵——但實驗無法說明我們應該放棄哪一個。“在 我看來，貝爾型定理最迷人的地方在於它們提供了一個罕見的機會，能夠真正稱為‘實驗 形而上學’的事業，”希莫尼在1980年寫道，這段話被廣泛認為是首次提出這個術語。 然而，這個術語實際上可以追溯到更早的一個不太可能的人物。米歇爾·貝索，愛因斯坦 最好的朋友和智囊團，是唯一一個愛因斯坦承認幫助他提出相對論的人。但貝索的幫助更 多是來自於哲學而非物理學。愛因斯坦一直是實在論者，相信有一個獨立於我們觀察的幕 後現實，但貝索介紹給他恩斯特·馬赫的哲學著作，馬赫認為理論應該只涉及可測量的量 。通過貝索，馬赫鼓勵愛因斯坦放棄他對絕對空間、時間和運動的形而上學概念。結果是 狹義相對論。 當它在1905年出版時，物理學家們不確定這是物理學還是哲學。所有的方程式都已經由其 他人寫下；新的是其背後的形而上學。但這形而上學足以引導新的科學，因為狹義相對論 讓位於廣義相對論，一個包含新的、可測試預測的引力理論。貝索後來與岡塞特成為朋友 ；在瑞士，兩人一起長途散步，岡塞特認為物理學永遠無法建立在堅實的基礎上，因為實 驗總是可能推翻其建構的最基本假設。在1948年《Dialectica》雜誌的一期中，岡塞特發 表了貝索的一封信，信中建議岡塞特稱他的工作為“實驗形而上學”。 實驗形而上學在1970年代獲得了某種正式的總部，當時瑞士比爾成立了費迪南德·岡塞特 協會。“科學和哲學是一體的，”協會的創始價值觀中聲明，“科學中發生的所有事情， 無論是在其方法還是結果中，都可能對哲學產生影響，甚至在其最基本的原則上。”這是 一個激進的聲明，對科學和哲學都同樣震驚。協會出版了一份名為《認識論信》的地下通 訊，一種物理學“zine”，用打字和油印的頁面，點綴著手繪的方程，郵寄給約100名物 理學家和哲學家，這些人構成了一個新興的反文化群體——那些勇敢地希望討論實驗形而 上學的少數人。希莫尼擔任編輯。 貝爾定理始終是這些討論的核心，因為先前的物理學工作讓其形而上學不被承認，而在貝 爾的工作中，這兩者是確實不可分的。該定理不是關於任何特定的物理理論。它是物理學 家所謂的“無法實現”定理，一個通用證明，顯示在局域性和實在論的形而上學假設下運 行的任何理論都無法描述我們生活的世界。你想要一個即使不被測量也以某種特定方式存 在的世界嗎？你還想要局域性嗎？不可能。或者，如希莫尼在《認識論信》中引用貝爾的 名字，想要持有這樣的世界觀的人“應該記住唐恩的布道：‘因此，永遠不要問喪鐘為誰 而鳴；它為你而鳴。’” “貝爾既是物理哲學家，又是物理學家，”加拿大西部大學的物理哲學家韋恩·麥弗羅德 說。“在他的一些最佳論文中，他基本上是將這兩者結合在一起。”這使傳統物理學期刊 的編輯和科學的守門人感到不安。“這種工作絕對不被視為可尊敬的，”卡瓦坎蒂說。 這就是為什麼當法國物理學家阿蘭·阿斯佩特向貝爾提出一個新實驗來測試貝爾不等式， 同時排除任何殘留影響在用於檢測光子偏振的測量設備之間傳播時，貝爾問他是否有一個 永久的教職。“擔心的是，做那個實驗對一個年輕的物理學家來說將是職業生涯的終結， ”麥弗羅德說。 快進到2022年，阿斯佩特與克勞澤和安東·塞林格一起前往斯德哥爾摩接受諾貝爾獎。事 實證明，那些違反貝爾不等式的相關性導致了革命性的技術，包括量子加密、量子計算和 量子傳輸。但“儘管有技術上的回報，”麥弗羅德說，“這項工作是由哲學問題驅動的。 ”根據諾貝爾獎的引述，這三位物理學家因“開創量子信息科學”而獲獎。根據卡瓦坎蒂 的說法，他們因實驗形而上學而獲獎。 貝爾定理只是個開始。 在違反貝爾型不等式的實驗之後，幾種現實觀點仍然在討論中。你可以保留實在論並放棄 局域性，接受宇宙的一個角落發生的事情即時影響另一個角落，因此必須修改相對論。或 者你可以保留局域性並放棄實在論，接受宇宙中的事物在被測量之前沒有確定的特徵—— 自然在某種深刻意義上是在即時生成事物。 但是，即使你放棄了測量前的現實，你仍然可以堅持測量後的現實。也就是說，你可以想 像將所有這些測量結果拼湊成一個單一的、共享的現實。這通常是我們所說的“現實”。 它是客觀世界的概念。 科學和哲學是一體的。 費迪南德·岡塞特 1961年提出的一個思想實驗對這一可能性提出了質疑。諾貝爾獎得主尤金·維格納提出了 一個情景，其中一位觀察者，稱為“維格納的朋友”，進入了一個實驗室，裡面有一個量 子系統——比如一個處於“自旋向上”和“自旋向下”兩個狀態的量子組合或疊加中的電 子。朋友測量了電子的自旋，發現它是向上的。但站在外面的維格納可以使用量子力學來 描述整個實驗室的狀態，從他的角度來看，沒有進行任何測量。朋友的狀態和電子的狀態 只是相關的——糾纏的——而電子仍然處於疊加狀態。原則上，維格納甚至可以進行測量 ，顯示疊加的物理效應。從朋友的角度來看，電子有一些測量後的狀態，但這似乎不屬於 維格納的現實。 2018年，對共享現實的疑問變成了一個完全的困境。維也納大學的物理學家卡斯拉夫·布 魯克納意識到，他可以將維格納的朋友與貝爾型實驗結合起來，證明一個新的無法實現定 理。其想法是有兩位朋友和兩位維格納；朋友各自測量糾纏系統的一半，然後各自的維格 納對朋友的實驗室進行兩種可能測量之一。維格納的測量結果將像原始貝爾型實驗中光子 的偏振一樣相關，某些形而上學假設對這些相關性的強度施加上限。 結果表明，布魯克納的證明依賴於一個額外的假設，削弱了結果定理的強度，但它激發了 卡瓦坎蒂和同事們製作自己的版本。2020年，他們在《自然物理學》期刊上發表了《關於 維格納朋友悖論的強無法實現定理》，證明了兩件事。首先，實驗形而上學從以前的地下 通訊升級到了受尊敬的科學期刊。其次，現實比貝爾定理所暗示的更奇怪。 卡瓦坎蒂的無法實現定理顯示，如果量子力學的預測是正確的，以下三個假設不能同時為 真：局域性（沒有遠距作用），選擇自由（沒有宇宙陰謀欺騙你設置檢測器，使結果似乎 違反貝爾不等式，儘管它們並未違反），以及觀察事件的絕對性（對於維格納的朋友來說 ，自旋向上的電子對所有人來說都是自旋向上的電子）。如果你想要局域性和沒有陰謀的 宇宙，那麼你必須放棄一個觀察者的測量結果對所有人都是測量結果的觀念。 顯著的是，他們的無法實現定理“比貝爾定理更緊密地限制了可能的形而上學理論的空間 ，”卡瓦坎蒂說。 “這是一個重要的改進，”布魯克納說。“這是最精確、最強的無法實現定理。”換句話 說，這是迄今為止最強有力的實驗形而上學成果。“這些無法實現定理的強大之處在於它 們不測試任何特定理論，而是測試一種世界觀。通過測試它們並顯示違反某些不等式，我 們不會拒絕一個理論，而是一整類理論。這是一個非常強大的事情。它讓我們了解什麼是 可能的。” 布魯克納感嘆實驗形而上學的含義還沒有完全融入到物理學的其他領域，尤其是在他看來 ，這對於研究量子引力的本質是有害的。“這真是可惜，因為我們最終會得到錯誤的圖景 ，比如，真空是什麼樣子，或者黑洞裡發生了什麼情況，而這些描述都沒有考慮觀察方式 ，”他說。“我認為在我們真正對測量理論進行大量研究之前，這些領域不會有顯著進展 。” 實驗形而上學是否能夠最終引導我們找到正確的量子引力理論還不清楚，但它至少可以縮 小研究範圍。“有一個故事，我不知道它是否真實，但它很有趣，”卡瓦坎蒂在2021年的 一篇論文中寫道，“據說米開朗基羅在被問到他如何雕刻大衛像時說：‘我只是去除了不 是大衛的部分。’我喜歡將形而上學的景觀比作一塊原始的大理石——其中不同點對應不 同的物理理論——而實驗形而上學就像是雕刻的鑿子，去除那些不能描述我們經驗世界的 角落。最終，我們可能無法將這塊大理石縮減到一個對應於唯一‘萬物理論’的點。但我 們可以希望，經過實驗允許的雕刻後，剩下的部分形成一個美麗的整體。” 當我與卡瓦坎蒂交談時，我試圖通過他希望保留的形而上學假設以及他準備放棄的來了解 他支持哪種量子力學解釋。他是否同意波姆解釋，犧牲局域性以換取實在論？他是“ QBist”，不需要觀察事件的絕對性嗎？他相信超決定論者的宇宙陰謀論，認為所有當代 宇宙中的相關測量都源自時間開始時制定的總體計劃嗎？還是他認為測量會產生平行現實 ，如多世界假說？卡瓦坎蒂保持了一個真正的哲學家的面無表情；他不說。（與此同時， 小狗正在對地毯進行全力的拔河比賽。）然而，我抓住了一個暗示。無論他最終選擇哪種 解釋，他都希望它觸及心靈之謎——意識是什麼，或者什麼算作一個有意識的觀察者。“ 我仍然認為那是最深奧的謎題，”他說。“我認為現有的任何解釋都沒有真正講到正確的 故事。” 在2020年的《自然物理學》論文中，卡瓦坎蒂和同事們報告了他們所稱的“概念證明版本 ”的貝爾-維格納朋友實驗的結果，該實驗顯示了從局域性、選擇自由和觀察事件的絕對 性聯合假設推導出的不等式的明顯違反。但這個實驗本質上難以進行，因為需要某些東西 ——或者某個人——來扮演觀察者的角色。在概念證明版本中，維格納的“朋友”由光子 路徑扮演，而光子檢測器扮演維格納的角色。光子路徑是否算作觀察者是很難說清的。 “如果你認為任何物理系統都可以被視為觀察者，那麼這個實驗已經完成了，”卡瓦坎蒂 說。“但大多數物理學家會認為，不，我不買這個說法。那麼接下來的步驟是什麼？我們 能走多遠？”一個分子是一個觀察者嗎？一個變形蟲呢？維格納能與無花果做朋友嗎？或 者與一棵橡樹？ 如果朋友必須是人類，那麼要測量一個處於疊加狀態中的人類有多難無法被低估，而這正 是實驗中的維格納應該做的事情。保持單個原子處於疊加狀態已經夠難了。保持原子的疊 加狀態意味著將其與幾乎所有的相互作用隔離，包括與空氣的相互作用，這意味著將其存 儲在接近絕對零度的狀態下。普通成年人類除了需要空氣，還由約30萬億個細胞組成，每 個細胞包含約100萬億個原子。維格納需要的技術、精細的操作技能和倫理問題超出了任 何物理學家或倫理審查委員會的想像。“這一[提出的]實驗是一個暴力行為，這一點並不 總是被強調，”麥弗羅德說。“這基本上涉及摧毀這個人，然後復活他。”要想為此獲得 資助，祝你好運。 布魯克納認為，這種測量不僅僅是困難的，而是根本不可能的。“我懷疑如果我們把所有 細節寫下來，我們會發現維格納進行這種測量所需的資源遠遠超出宇宙的可用資源，”他 說。“也許在某些更基本的理論中，這些限制將成為理論的一部分，結果是這個問題沒有 意義。”這將是實驗形而上學的一個重大轉折。也許我們對現實本質的最深刻見解將來自 於我們意識到什麼是不可測試的。 然而，卡瓦坎蒂仍然抱有希望。他說，我們可能永遠無法對人類進行這個實驗，但為什麼 不對人工智能算法進行呢？在他的新作中，他與物理學家霍華德·懷斯曼和數學家埃莉諾 ·瑞弗爾一起，主張朋友可以是一個在大型量子計算機上運行的人工智能算法，進行模擬 實驗。“某種程度上，”卡瓦坎蒂認為，“我們將擁有在認知能力方面本質上與人類無法 區分的人工智能，”我們將能夠最終測試他的不等式。 但這並不是一個無爭議的假設。一些心靈哲學家相信強人工智能的可能性，但肯定不是所 有人都這麼認為。例如，體現認知的思想家反對非具體化心靈的觀念，而行動認知方法則 只承認有生命的生物具有心靈。 這使物理學處於一個尷尬的境地。我們無法知道自然是否違反了卡瓦坎蒂的不等式——也 就是說，我們無法知道客觀性本身是否在形而上學的砧板上——直到我們能夠定義什麼算 作觀察者，而這涉及物理學、認知科學和哲學。實驗形而上學的激進空間擴展到將這三者 交織在一起。正如岡塞特所言，也許它們形成了一個整體。 --

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