烧脑级物理难题——现实是客观存在的吗？

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大众普遍认为物理现实是客观存在的，并且独立于任何观察者。但相对论和量子物理学却告诉我们事情远没有我们想象的这么简单。

两个量子可以瞬间相互纠缠，甚至跨越很远的距离，这一想法经常被认为是量子物理学中最恐怖的部分。如果现实从根本上是确定性的并且由隐藏的变量控制，那么这种幽灵感就可以消除。不幸的是，消除这种量子怪异现象的尝试都失败了，诸如 AdS/CFT 对应之类的猜想可能涉及潜在的客观现实，所有这些都需要一些奇异且未经证实的东西，例如调用额外维度。

关键要点:

• 古老的哲学问题，“如果一棵树倒在森林里，但周围没有人听到，它会发出声音吗？” 当你看到这似乎显然已经有了答案：是的。

• 每当一棵树倒下时，它的树干就会折断，它的树枝与其他树枝相撞，它与地面相撞。这些动作中的每一个都应该发出声音。

• 但相对论告诉我们，每个观察者体验到的声音与他们的位置和运动有关，而量子物理学告诉我们，观察的行为改变了这个系统的量子态。

如果有一件事我们大多数人都可以确定，那就是：我们观察到的物理现实确实存在。虽然这个结论背后总是有一些哲学假设，但这个假设与我们在任何条件下测量过的任何东西都不矛盾：不与人类感官、不与实验室设备、不与望远镜或天文台、不在影响下仅靠自然，也没有特定的人为干预。现实存在，而我们对现实的科学描述正是因为这些随时随地进行的测量与对现实本身的描述是一致的。

但之前有一组假设伴随着我们的现实概念而来，但不再得到普遍认同，其中最主要的是现实本身以一种独立于观察者或测量者的方式存在。事实上，20 世纪科学的两个最伟大进步相对论和量子力学挑战了我们对客观现实的看法，指向了一个无法从观察行为中解脱出来的现实。这是我们今天所知道的关于客观现实概念的奇异科学。

在航海者一号 1979 年飞越木星期间，在木星表面看到了一个短暂的“光点”，这是在木星大气层中首次观测到的火流星事件。木星经历的此类事件至少是地球的数千倍，因为它的引力吸引了大量不会撞击它的物体，尽管它的体积很大，我们认为这些物体撞击木星是客观存在的，无论我们观察与否。

客观现实

简而言之，重要的想法是现实存在，并且它以一种独立于任何人或任何监视或观察现实的事物的方式存在。

而粒子具有质量、电荷和其他不会改变的固有属性，无论：

• 谁测量它

• 他们在哪里

• 他们移动的速度有多快

• 测量哪个属性

• 或者测量是通过什么方式获得的

这是科学的一个重要基础思想：即某物的“真实性”完全独立于它是否或如何被检验。但这个想法只是一个假设。当然，我们可以看到物理定律和自然界的基本常数似乎不会随时间或空间而改变：现在的氢原子与数十亿光的氢原子具有相同的发射线和吸收线组。质子在南极洲的静止质量与它在国际空间站上的静止质量相同，也与它在宇宙中任何地方的星系中的静止质量相同。正如这些例子所示，我们只能说这个假设在我们能够将其用于实验和观察测试的程度上是好的。

如果一个理论不是相对论不变的，则不同的参照系，包括不同的位置和运动，会看到不同的物理定律（并且在现实上会不一致）。我们在“提升”或速度变换下具有对称性这一事实告诉我们我们有一个守恒量：线性动量。当动量不仅仅是与粒子相关的量，而是量子力学算符时，这就更难理解了。

从伽利略到牛顿到法拉第再到麦克斯韦，物理学的大部分历史都很好地证明了这一点。从地球上的物体到绕地球运行的物体，再到绕地球以外的物体运行的行星、卫星和彗星，万有引力定律似乎在我们所见之处都是相同的普遍法则。引力常数确实是一个常数；运动定律似乎对每个人都是一样的，如果两个不同的人测量一个物体的位置、运动或加速度，以及在不同点之间移动所需的时间，他们都会得到相同的答案.

最初，这似乎既适用于电磁学，也适用于经典力学。电磁定律在我们观察的任何地方都是相同的，并且同样适用于静止和运动的电荷同样适用。不管这些粒子是像 α 粒子（氦核）还是 β 粒子（电子）这样的放射性粒子，或者它们是否像人们在充电的范德格拉夫发电机上发现的那样是巨大的电荷集合都没有关系。电荷在导体或绝缘体中的行为可能不同，这些材料的性质可能会影响电荷在其中的移动方式，但无论设置如何，定律、常数和测量对象都是一致的。

被称为登月“彩排”的阿波罗 10 号实际上配备了所有可以让他们自己登陆月球表面的设备。他们比以往任何载人任务都更接近月球，并为 1969 年 7 月阿波罗 11 号的实际登月铺平了道路。整个努力只需要牛顿物理学。

相对论

然而，随着长度收缩和时空膨胀的发现，事情开始发生变化，最终导致爱因斯坦相对论的革命。如果你从地球上的静止状态发下射一枚炮弹，站在周围的每个人都能够测量它的速度，并且会测量到相同的速度；唯一的区别在于他们看到弹丸移动的方向，因为弹丸“后面”的人会看到它远离他们，而弹丸“前面”的人会看到它朝他们移动。

如果射弹在移动平台上，或者说如果观察者在移动平台上，他们现在可能会测量彼此不同的速度以及不同的方向。但是，如果您知道各种平台移动的速度，每个观察者都可以轻松地重建其他观察者会看到的东西。

但是，如果这不是像炮弹这样的普通射弹，而是接近光速的粒子呢？如果它真的是光呢？突然之间，这些方法都失效了。因为每个观察光的人总是看到它以完全相同的速度移动：c或 299,792,458 m/s。

（图片来源：John D. Norton/匹兹堡大学）

由光子在两个镜子之间弹跳形成的光钟将为任何观察者定义时间。尽管这两个观察者可能不会就时间流逝达成一致，但他们会同意物理定律和宇宙常数，例如光速。最重要的是，时间似乎总是向前运行，从不向后运行，并且通过应用适当的相对论物理学，任何观察者都可以计算出其他观察者将经历什么。

突然之间，像空间和时间这样的概念不再是现实的客观部分，而只是相对于观察者而存在。在上面的思想实验中，两名观察者测量光从地板向上传播到顶部的镜子，然后再返回到地板所需的时间。这种对任何观察者产生相同的结果类型的设施就被称为光时钟，无论是静止的还是运动的。

但对于静止的观察者来说，运动中的光钟似乎走得更慢，事实上，相对于他们而言，运动中的人的时间似乎过得更慢。类似地，对于运动中的观察者来说，他们的光钟似乎以正常速度运行，但静止的光看起来相对于他们在运动而似乎走得更慢，时间会对于没有与观察者和他们的时钟一起运动的每个人来说，似乎通过得更慢。

同样，两个物体相距多远，即距离的度量，只能相对于观察者来定义。而像“同时”这样的概念只能再次定义为在同一位置静止的两个观察者。事实上，如果我们能够足够精确地测量“时间”，那么对于“这颗光子何时撞击地面？”这个简单的例子，处于不同位置或以不同速度或方向运动的观察者甚至会测量出不同的结果。

在牛顿（或爱因斯坦）力学中，系统将根据完全确定的方程式随时间演化，这意味着如果你能知道系统中所有事物的初始条件（如位置和动量），你就应该能够演化它。实际上，由于无法知道真正任意精度的初始条件，包括当我们考虑量子不确定性的存在时，这是不正确的。

事实证明，不仅仅是位置或运动的变化会影响诸如“这个物体有多远？”之类的问题。“这种现象持续了多长时间？” 或“哪个事件先发生？” 和时空曲率本身的变化——即引力的影响也会影响答案。不仅当你接近光速时时间会膨胀，当你处于更强的引力场时它也会膨胀。物质和能量的存在和分布会影响我们体验空间和时间的方式，这就是为什么光在距离质量太近时会弯曲，以及为什么当你接近黑洞的事件视界时时间会变慢。

事实上，由于不存在对“空间”或“时间”的客观测量，因此可能会出现一些非常奇怪和违反直觉的观察结果。如果有一颗超新星在遥远的星系中爆炸，你可能会期望光会在一个特定的、预先确定的时间到达你的眼睛。但是如果你和那颗超新星之间有一个很大质量的天体，大到会扭曲中间的空间，那么它导致同一个星系和超新星的多个图像：来自超新星的光在每个图像中到达不同的、非同时的时间出现，这就是引力透镜现象。空间和时间可能是真实的，但它们不是客观真实的；仅相对于每个单独的观察者或测量者而言是真实的。

（图片来源：SA Rodney 等人，《自然天文学》，2021 年）

这一系列图像由哈勃太空望远镜拍摄，展示了同一个星系的四张图像，它们通过引力透镜伸展成弧形。2016 年，我们在其中一张图像（标记为 SN1）中捕捉到一颗超新星，然后看到第二颗和第三颗相隔总共约 6 个月。根据透镜前景星团的重建几何形状，我们可以预期在 2037 年在标有 SN4 的位置看到第四次重放。

量子物理学

在量子领域，事情变得更加违反直觉，因为实验或观察的结果取决于你进行观察或测量的方法，以及你是否进行了观察或测量

例如著名的双缝实验。如果你试图将大量小物体扔过刻有两条狭缝的屏障，你会看到这些物体分成两堆靠在屏障后面的墙上：一堆对应左边的狭缝，另一堆对应左边的狭缝。右边的缝隙。这正是宏观世界中发生的事情，无论你使用的是球、鹅卵石还是生物体。

但是如果你使用量子粒子，比如电子或光子，你就不会得到两堆。相反，你会得到一个看起来像波浪状的干涉图案：交替的位置，等距分布，粒子优先着陆并被禁止着陆。收集到的粒子的最大“峰”位于两个狭缝之间的中点，随着您远离中心峰，峰（幅度减小）和谷（始终下降到零）交替出现。

理论物理学家Tonomura 博士进行的双缝实验结果显示了单电子干涉图案的形成。如果测量每个电子穿过哪个狭缝的路径，干涉图案就会被破坏，反而导致两个“堆”。每个面板中的电子数为 11 (a)、200 (b)、6000 (c)、40000 (d) 和 140000 (e)。

看到这可能会想到一次一个地发送粒子，而不是一次发送所有粒子。但是诡异的是当你这样做时，会出现相同的结果：即宏观物体形成两堆，但量子粒子只落在干涉图案的“峰”上。当计算出足够多的粒子时，就会出现完整的图案。

在那之后，您可能会想到尝试测量每个粒子在到达后壁的过程中穿过的狭缝。但现在这两个实验，即宏观实验和量子实验都只产生了两堆。不知什么原因，观察“每个粒子穿过哪个狭缝？”的行为会破坏量子行为。这意味着在您正在试验的量子粒子与另一个量子之间引发足够高能的相互作用，会改变量子系统的行为。

我们看到这种现象在量子力学中以许多不同的方式出现。将旋转的量子粒子通过垂直方向的磁铁，粒子将向上或向下偏转，从而显示其自旋。再往下游再放一个垂直方向的磁铁，向上偏转的粒子仍会向上偏转，而向下偏转的粒子仍会向下偏转。但是，如果将水平方向的磁铁放在两个垂直方向的磁铁之间，您认为会发生什么情况？

（图片来源：MJasK/Wikimedia Commons）

当具有量子自旋的粒子通过定向磁体时，它将至少分裂成两个方向，具体取决于自旋方向。如果在同一方向设置另一个磁铁，则不会发生进一步的分裂。但是，如果在两者之间垂直插入第三块磁铁，不仅粒子会沿新的方向分裂，而且您获得的有关原始方向的信息也会被破坏，从而使粒子在通过时再次分裂最后的磁铁。

答案是双重的：

• 水平磁铁将粒子束一分为二，一组向左偏转，一组向右偏转，

• 但是，无论你选择哪一组粒子穿过下一个垂直磁铁，它们都会再次分裂成向上和向下的轨迹。

• 换句话说，进行“水平”测量（或观察）会破坏有关这些粒子自旋方向的“垂直”信息。

这是否意味着没有客观现实这样的东西？无论我们是否测量它，都可能存在一个潜在的现实，而我们的测量和观察只是一种粗略的、不足以揭示我们的客观现实实际上是什么的完整、真实特征的方式。许多人认为总有一天会证明是这样，但到目前为止这项进步刚刚获得了2022 年的诺贝尔物理学奖，即我们可以对独立于我们的观察和测量。据我们所知，宇宙中出现的真实结果与测量它们的人以及测量方式密不可分

（图片来源：Johan Jamestad/瑞典皇家科学院）

量子力学的纠缠对可以比作一台机器，它会朝相反的方向抛出颜色相反的球。当 Bob 接住一个球并且看到它是黑色的时，他立即知道 Alice 接住了一个白色的球。在一个使用隐藏变量的理论中，球总是包含关于显示什么颜色的隐藏信息。然而，根据量子力学，这些球在有人观察之前一直是灰色的，此时一个随机地变成白色，另一个随机地变成黑色。贝尔不等式表明存在可以区分这些情况的实验。这些实验证明了量子力学的描述是正确的。

与普遍的看法相反，科学的工作不是解释我们居住的宇宙。相反，科学的目标是准确描述我们所居住的宇宙，并且在这方面取得了显着的成功。但是，我们大多数人都热衷于提出的问题，因为我们默认这样做，没有任何提示会涉及弄清楚为什么某些现象会发生。我们喜欢因果关系的概念：例如某事发生，然后由于第一件事发生，其他事情也因此发生。在许多情况下都是如此，但量子宇宙也可以通过多种方式违反因果关系

我们无法回答的一个问题是，是否存在客观的、独立于观察者的现实。我们中的许多人都假设它确实如此，并且我们以这样的方式构建我们对量子物理学的解释，即它们承认潜在的客观现实。其他人没有做出这样的假设，并建立了对不一定有的量子物理学的同样有效的解释。无论是好是坏，我们所要指导的就是我们可以观察和衡量的东西。无论是否有客观的、独立于观察者的现实，我们都可以在物理上成功地描述它。

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