四 新科学颠覆马克思主义的基础

A.机械宇宙观崩溃与新科学诞生

马克思唯物主义哲学刚刚成型不久，科学开始大变革。机械宇宙观盛极而衰，最后崩溃。

a. 洛伦兹电磁力引发矛盾

十八世纪后期，法国科学家库伦Charles Coulomb（1736-1806）发现电磁力。1861年，麦克斯韦尔方程问世，电磁场理论趋于完整。1881年，英国科学家汤姆森J.J. Thomson (1856–1940)根据麦克斯韦尔方程首先推导出磁场中运动电荷的受力公式，但存在错误。1895年，荷兰科学家洛伦兹Hendrik Lorentz（1853–1928)提出关于电荷q在电磁场中受力的正确方程式：

此方程提出后不久，包括洛伦兹在内的很多科学家就意识到它存在严重问题。具体讲，静止的观察者与运动的观察者，根据洛伦兹电磁力方程Eq.1，在同一个实验中会得到不同结论，违反伽利略相对论。下面是一个例子。

图3：洛伦兹电磁力方程式违反机械宇宙观。

同一个物理过程，只因观测者所在参照系不同，洛伦兹电磁力方程式给出两个结论，Eq.2和Eq.3，互相矛盾。这个问题困扰物理学界很多年。科学家们曾怀疑新生电磁学的方方面面，试过各种办法，都不成功。直到1904年，洛伦兹又发表文章，提出“洛伦兹时空转换”，简单讲就是从观察者角度看，其他运动参照系里的长度变短、时间变慢，这个矛盾才解决。具体如下：

在图3下方，观察者与电荷+q同步运动。导线中的负电荷静止，正电荷以速度v向左运动。依据洛伦兹时空转换，正电荷之间距离变短，密度变高，高于静止的负电荷密度。导线从原来电中性变成带正电。电荷+q静止，不受磁场力，但受到电场力：

Eq.4的第一项电场力正好等于Eq.2的第二项磁场力，矛盾解决。

但是洛伦兹本人只把这种转换看作技术窍门，声称这个窍门可以解决问题，却不敢进一步思考背后的物理意义。洛伦兹是当时最权威的电磁专家，诺贝尔奖获得者，一生成就斐然，深受行业尊重，却无法接受时空真的会依观察者不同而变化。绝对时空观念深入每个人的思想，就连顶级物理学家也不敢怀疑。

一年后的1905年，一位专利局小职员爱因斯坦发表了划时代的论文，提出狭义相对论。其关键技术内容就是洛伦兹时空转换，但是爱因斯坦讲出了别人不敢深想的事。时空不是绝对的，依运动速度变化而变化。这个观点引发科学革命。

利用狭义相对论再看Eq.2与Eq.4，原来磁场力与电场力本质一样。二者是同一种力在不同参照系下的不同表现形式。很多人以为，相对论效应只在特别高速度下才会呈现，离日常生活遥远。这是个反例。

图4.1920年爱因斯坦受邀访问荷兰莱顿大学（Universiteit Leiden），与洛伦兹在一起。洛伦兹在此做物理学教授。他比爱因斯坦资历更深、也更年长。爱因斯坦非常尊重他，曾说过一生中受他的学术影响最大。

b. 原子行星模型造成困惑

图5，左侧是经典物理学中的氢原子行星模型，右侧是量子物理学中的氢原子模型。

近代科学家们早知道分子可以被分解成原子，但是发现原子内部结构要晚得多。1808年，英国化学家道尔顿John Dalton（1766－1844）基于牛顿的原子论提出了第一个近代原子模型，认为原子就像一个个坚硬的实心小球，不同元素的原子不同。1897年，汤姆森首次发现电子，但还不知道原子核的存在。他认为原子像布丁球，类似于中国的年糕球，实心、里面镶嵌着芝麻。其中“实心糯米”带正电，“芝麻”就是电子，静止、带负电。1909年，汤姆森的学生卢瑟福Ernest Rutherford（1871－1937）发现原子核，人类才知道原子内部基本上是空的，原子的质量与正电荷都集中在非常小的区域内，电子不是静止的，而是高速运转。卢瑟福提出“原子行星模型”，其中电子环绕原子核转动，就像行星环绕太阳转动那样。这个模型在很多其他实验中得到支持，被科学界广泛接受。

但是卢瑟福原子行星模型引发经典物理危机。如上图左侧，电子绕原子核运转，形成电场扰动，根据麦克斯韦尔方程，会不断产生电磁波，向外发射能量。电子不断失去能量，速度逐渐变慢、轨道变低，最终必将跌入原子核，就像人造卫星在失去能量后跌入地球。所以经典物理无法解释为什么原子可以在宇宙中稳定存在。为了解决这个问题，丹麦物理学家玻尔Niels Bohr (1883-1962)在1913年引用量子概念建立了玻尔原子模型。如上图右侧，其中的电子只能在一系列特定轨道上运转，其能量只可能采用特定的、离散的数值，不再是连续变量。电子还可能失去能量，但必须在不同轨道之间跳跃。当电子跳入最低能量轨道之后，没有更低能量轨道可跳，所以无法继续发射电磁波，原子结构于是稳定。

玻尔提出原子量子模型，是量子物理诞生中的一个标志性事件。早在1901年，德国物理学家普朗克Max Planck（1858－1947）在研究黑体辐射问题时就运用了量子概念，但是当时他只当作技术性窍门，没有深究其背后革命性的物理意义，类似洛伦兹处理时空转换的情况。1905年，爱因斯坦研究光电效应时也采用了量子概念，但也只当作技术性窍门。机械宇宙观深入人心，连伟大的爱因斯坦也不能免俗！玻尔的量子化原子模型代表思想革命。后人对玻尔模型有许多改进，但量子的概念从玻尔始被主流科学界接受。

c. 机械宇宙观崩溃

总之，经典科学体系中存在固有矛盾。为了解决这些矛盾，以相对论与量子物理为主要内容的 “新科学”在二十世纪初诞生。之后，科学进入新一轮爆炸式发展。下面一览表列出与本文有关的其他一些重大科学发现：

·         1915年， 爱因斯坦发表广义相对论，提出时间与空间都可以扭曲。广义相对论预测，静止的宇宙不稳定，宇宙必须或扩张或收缩。但是爱因斯坦自己都不敢相信，凭空添加了对模型的限制。他后来称之为自己最大的错误。

·         1926年，奥地利物理学家薛定谔Erwin Schrodinger（1887－1961）提出薛定谔方程，其对量子物理的意义如同牛顿的F = ma之于传统力学。薛定谔方程确立了量子的波函数表达形式。

·         同年，德国量子物理学家玻恩Max Born（1882－1970）提出波恩法则，确认量子波函数是概率波。

·         1927年，德国量子物理学家海森堡Werner Heisenberg（1901－1976）提出量子波函数坍缩概念。观测前，波函数包含所有可能的观测结果。被观测时，波函数突然坍缩。观测后，只剩下一个结果，其他可能性完全消失。

·         同年，海森堡还提出测不准原理。

·         1927-1929年， 比利时天主教神父，数学家，天体物理学家勒梅特Lemaître （1894－1966） 与美国天文学家哈勃Edwin Hubble（1889－1953）分别发现哈勃–勒梅特定律，认为宇宙正在扩张，并提供大量观测证据。但勒梅特的文章长期被埋没。根据哈勃–勒梅特定律，物理学家们推论，宇宙产生于大爆炸。另外，他们的观测结果包括光红移现象，证明在非静态时空中能量不守恒。

·         1932年，美籍犹太裔物理学家诺伊曼John von Neumann（1903－1957）首次提出，意识造成量子坍缩。后来多位科学家进一步阐述。

B.新科学违反常识与逻辑

同学说出“我相信科学、逻辑和常识，所以不信基督教”，是随口而出的实话，但不一定想透了这句话的意义。他们觉得科学、逻辑和常识是统一的，所以是强大和靠得住的，是自己可以信任和信仰的真理。但是，这个直觉不对。上节讲到经典科学自相矛盾，所以被新科学取代。但是以相对论和量子物理为主要内容的新科学却严重违反人的常识与逻辑。当科学、常识与逻辑之间互相矛盾时，这些同学有必要重新审视自己内心的信仰体系。

a. 相对论破坏时间逻辑

图6，两列火车相向而行，男人和女人分别站在所在列车的中央。两人交错时，在他们之间点亮一盏灯。对于不同观察者，灯光照亮两车头和尾的顺序不同。

相对论破坏事件的时间顺序与“同时性”。相对论认为，在任何参照系里，光总以恒定速度c传播，所以上图中无论男人还是女人，都觉得向前的光和向后的光速度一样。于是：

·         绿车上的男人看到灯光抵达顺序：首先红车尾，然后同时绿车头与绿车尾，最后红车头

·         红车上的女人看到灯光抵达顺序：首先绿车尾，然后同时红车头与红车尾，最后绿车头

比如在男人看来，光先照亮红车尾，然后照亮绿车尾。但是在女人眼里，顺序相反。可见，相对论破坏了时间先后顺序的客观性。常识认为，两件事发生的先后顺序是绝对的，对于每个人都一样。人的日常逻辑多基于此。比如“人死不能复活”，本质就是认为“活”在先、“死”在后，顺序不可能颠倒。

再比如在男人看来，光同时照亮绿车头和绿车尾。但是在女人眼里，绿车尾在先、绿车头在后。人的日常逻辑也经常基于同时性是客观的，但相对论破坏了这个逻辑。

b. 量子物理违反有关物质、时间、因果关系等常识与逻辑

图7，量子双缝实验。双缝实验是量子物理中最基本的实验形式，它的历史远早于量子物理本身。1801年就有人用这种实验研究光波干涉现象。上图实验中有三个主要硬件，最前面是粒子发射源，最后面是对粒子敏感的显示屏，中间隔板有两条细缝可以让粒子通过，左边是“缝1”，右边是“缝2”。实验中发射源每次只发射一个粒子，前后粒子相隔的时间足够长，保证在任一时刻，在发射源与显示屏之间最多只有一个粒子。粒子可以是电子、质子、光子、原子等。实验中有一位观察者，可以选择不观察，或在“观察点A”粒子进入缝隙前观察其状态，或在“观察点B”粒子通过缝隙后、到达显示屏前观察其状态。

双缝实验产生了多个非常重要、但违反逻辑与常识的量子物理结论：

1. 经典“物质”概念被突破

在早期实验中，发射源采用传统意义上的纯粒子，比如电子。实验预想是显示屏上将出现如上图左侧下方的2个感光区域，分别对应隔板上的2条细缝。但是在实验者不观察粒子中间状态的情况下，一次次实验结果都违反预想，显示屏上出现了如上图右侧下方的波纹状多个感光区域，仿佛粒子变成波，同一个粒子的波同时穿过两条缝，然后在屏幕上产生波干涉现象。经过物理界广泛深入的讨论，奥地利物理学家薛定谔在1926年提出薛定谔方程，认为在无人观测的情况下，粒子是以波函数的形式存在。德国物理学家玻恩在同年指出，波函数的本质是数学概率波。他们对上述实验结果的解释是，没有观测的情况下，在放射源与屏幕之间，基本粒子不是以机械宇宙观中的质点或质点组合的形式存在，而只是概率波。换句话说，在经典物理学意义上，如果无人观测其状态，粒子在发射源与显示屏之间是不存在的。

2.观测使得波函数变成经典粒子

如果实验者在粒子进入双缝前（观察点A）观测粒子路径，那么粒子就呈现经典颗粒状态，每个粒子只通过一条缝隙。发射源发射大量粒子后，显示屏上呈现2个感光区，如上图左侧下方。观测造成这样的差别，出乎预料。科学家们的主流意见是，观测让波函数“坍缩”，让粒子从概率波状态变成经典粒子状态。从机械宇宙观的角度看，人的观测使得粒子从“不存在”状态变成“存在”状态，也就是观测缔造了物质。

主流物理学家们明确表示，他们不愿深究“观测”代表什么，因为这个问题可能超越传统物理学范畴，进入哲学与信仰领域。但还是有人试探。著名物理学家诺伊曼在1932年提出，观测的关键是意识、意识造成了波函数坍缩。用平常人的话来说就是“意识创造物质”。这个“意识”的主体可能是个人，也可能超越个人，比如是神。从1960年代初开始，现代量子物理学家维格纳Eugene Wigner（1902－1995）进一步论述和推广诺伊曼的观点。在过去一个多世纪里，量子物理学界积累了大量实验，都没找到证据否定这一观点。

总之，在实验中观测造成了波函数坍缩。观测必须有观测者。这些实验至少表明，物质不独立于人。如果进一步，意识造成波函数坍缩，就表明意识可以缔造物质。不管怎样，这些实验结果否定了物质的客观性，当然也就否定了机械宇宙论、以及马克思主义唯物论。

3.未来改变过去

如果在粒子通过双缝后（观察点B）观察粒子路径，科学家本来预测显示屏上会出现波干涉图样，因为粒子在通过缝隙时还“不知道”自己将被观测，但实验结果【4】似乎与之相反。粒子也呈现经典颗粒状态，每个粒子也只通过一条缝隙。发射源发射大量粒子后，显示屏上呈现2个感光区，如上图左侧下方。

在观察点A和B观测，后果完全一样。这个结论令人惊讶。按一般逻辑，粒子先经过隔板，然后才会在B点被观测。按时间算，观测发生在“未来”，粒子通过隔板是“历史”或“过去”。在这个实验中，未来改变了过去，违反了常规因果关系，违反人的常识与逻辑，当然也违反了机械宇宙观。

c.关于实验设计的一点说明

利用双缝实验的研究非常多。为了不让读者感觉沉重，这里不深入介绍。不过有一个关键细节值得说明。观测手段在双缝实验中无疑非常关键，在图7中以摄像头代表。如果真用摄像头观测，很容易扰乱实验结果的解读，比如人们会猜测摄像头的具体工作方式影响了实验结果。现代双缝实验采取了一些巧妙的办法绕过观测机制带来的潜在影响。感兴趣的读者可以参考世界著名物理学期刊《物理评论快报》Phys. Rev. Lett.在2000年的文章 “延迟选择量子擦除实验”Delayed Choice Quantum Eraser【4】，其实验设计巧妙，体现行业前沿，结论涵盖量子物理中的各大关键问题。这篇文章已成为经典，但依然有争议。一些科学家认为它的实验设计还存在缺陷、“未来改变历史”的结论不完全可靠。文章的第一作者Y. Kim是韩国在美国的博士留学生，另一位作者史砚华(Yanhua Shih)本是1980年代来自中国的留学生，毕业后留在美国做教授。