《物理学和哲学》读书笔记
一、书籍基础信息
作者是维尔纳・海森伯, 他乃是量子力学的奠基人, 是测不准原理的提出者, 还是哥本哈根学派的核心人物。
译者：范岱年
这本书由海森伯 1955 - 1956 年的吉福特讲座整理而成, 它结合了量子论的发展史, 还结合了相对论的发展史, 自把自古以来的各类哲学思想, 经由古希腊串联到近现代, 其核心在于回答, 在现代物理颠覆了传统实在观之后, 人类应当怎样去理解世界, 应当怎样去理解语言, 应当怎样去理解真理；书本行文并在末尾附上了四篇晚年补充论文, 论文对基本粒子方面的讨论进行了拓展, 也对科学与宗教方面的讨论进行了拓展。
身为创立量子力学的亲身经历者, 海森伯并非只是空谈哲学的理论学家, 他的所有哲学思考都深深扎根于真实的实验、理论方面的争论之中（就像他与爱因斯坦持续多年的那场论战）, 读起来并不会有空洞的说教之感, 这样既能看懂物理史, 又能够理解看透物理背后世界观的撕裂和重建。
二、全书核心主线
给我们塑造出一套朴素认知的是经典物理: 世界处于超脱于观测者的存在状态, 物体具备确定的位置、动量, 一切均依照严格的决定论, 我们能够运用客观的语言对自然予以完整描述。
可量子论, 也就是黑体辐射、光电效应、原子光谱、双缝干涉等实验, 直接将这套认知给击碎了。本书从开头到结尾都在讲述两件事情。
梳理量子一步步诞生的完整历史, 再梳理相对论一步步诞生的完整历史, 讲清楚经典物理的矛盾是怎样暴露的, 新理论是如何建立的, 推导哥本哈根解释的整套哲学推论, 重新定义“实在”, 重新定义“观测”, 重新定义“因果”, 重新定义“语言”, 对比笛卡尔哲学, 对比康德哲学, 对比古希腊各派哲学, 解释现代物理是怎样颠覆三百年主流思维的, 额外延伸, 相对论重塑时空观, 基本粒子打破“物质最小单元”的传统想象, 最后讨论科学、宗教、不同文明思想的碰撞。
三、将物理分章节重点去感触跟摘录笔记, 其中讲到第一章, 老传统以及新传统的内容了, 物理不只是武器, 它更是思维领域的一场革命。
多数人提及原子物理时, 首先想到的是核武器, 然而海森伯在开篇之处就明确指出, 核武器仅仅是表层所产生的影响, 而真正致使深层受到冲击的是, 量子论对人类理解实在的底层逻辑进行了重塑。
关于经典科学诞生于欧洲这件事, 人们渐渐适应量化、客观的思维方式；然而在东方, 在各类古老文明当中, 量子的新观念会与本土宗教、传统宇宙观产生激烈冲突。
最让我内心受到触动的一个要点是, 量子论所引发的变革并非仅仅是对数学公式进行的微小修补, 而是科学深层次底层逻辑出现了彻底的破裂。牛顿体系呈现为一套能自我融洽的封闭环路, 然而量子论却全然跳出了这一整套框架体系, 这同样包含着这本书耗费整本书的篇幅去阐释其哲学内涵的缘由所在。
第二章 从普朗克提出量子假说起步, 历经多样发展, 最终走向矩阵, 同时走向波动力学, 这便是量子论的历史进程。
这条发展史读起来像一场持续三十年的 “思想拉锯战”：
起点是, 十九世纪末黑体辐射存在如同乌云般的问题, 瑞利 - 琼斯公式此时无法对高温辐射作出解释, 对此普朗克在1900年无奈提出“能量只能一份份传递（能量子）”, 并且他本人极为保守，根本不喜欢这个颠覆经典的结论, 不过却意外地推开了新世界的大门。爱因斯坦有突破, 他把量子应用到光电效应上提出光量子, 同时指出光既是波又是粒子, 第一次直接面对波粒二象性的矛盾, 然而爱因斯坦当时也没能将这个冲突调和。玻尔原子模型, 它引入了分立定态, 用于解释原子稳定性, 然而却留下了致命漏洞, 是什么漏洞呢? 就是电子轨道频率和光谱频率完全对不上, 这使得经典轨道概念岌岌可危。
产生关键的转变之处在于, 德布罗意提出物质波, 认为世间万物都存在波, 并将二象性拓展到电子等实物；有两条数学途径相汇合, 一条是海森伯的矩阵力学, 其摒弃了看不见的电子轨道, 仅保留能够被观测到的光谱数据 ;另一条是薛定谔的波动力学, 运用波动方程来描述原子；后来证实这两套数学体系是完全等同的, 然而薛定谔一直对“电子的量子跃迁”、几率解释持拒绝态度, 还与玻尔展开了激烈的争论。接着核心困境出现了, 双缝干涉实验以及康普顿散射实验同时表明, 物质同时具备波和粒子这两种属性, 而两套对应的景象无法同时存在, 致使经典语言完全失去了效力。
读完这段历史, 最大的感受是, 量子论并非是某一个才华横溢的天才一下子就完成的发明, 而是一代物理学家持续不断地做出妥协, 推翻自身原本固有的认知的漫长历程, 所有人都背负着经典物理的思维枷锁, 然后一点点地努力摆脱。
第三章 量子论的哥本哈根解释（全书核心）
具有至高重要性的这一章节, 乃是整本书里的关键内容所在, 同时还是最能打破普遍认知的部分, 针对其中几个核心要点, 我进行了再三的仔细梳理。
我们仅能够运用经典语言去描述实验涉及的所有仪器, 对于观测结果以及实验现象, 全都必须借助“位置、速度、时间、能量”这类日常或经典的词汇予以描述, 然而这套词汇存在着严格的使用上限, 测不准原理便是其边界所在, 我们不存在其他用以交流实验的语言, 这是无法摆脱掉的先天局限, 几率函数并不等同于单纯的知识缺陷, 它是亚里士多德所讲的“潜能”, 经典概率仅仅是“我们的信息并不齐全”, 但量子波函数代表着客观的可能性, 是处于“实在”与“纯粹想象”两者之间的一种存在。在没有观测时高中物理发展史，电子没有确定位置，只有各种出现的倾向。
对双缝实验而言, 观测会带来“从可能到现实”的量子跳变, 这是最为直观的: 当不观测粒子路径的时候, 会出现干涉条纹；而一旦进行观测, 干涉就会直接消失。在两次观测之间, 我们没办法说电子“真实存在于某条轨道”, 因为这种说法本身是没有意义的。微观实在并非独立于观测之外, 完全客观地存在着。互补原理表明: 波和粒子这两套图像是相互排斥的, 但是缺一不可, 若想观测干涉, 那就得采用波动视角；若想观测碰撞以及粒子轨迹, 那就得采用粒子视角, 这二者是不能同时运用的, 不过只有将它们结合起来, 才能够完整地描述微观世界。动量与位置、因果描述跟时空的描述同样归属于互补关系。针对“主观唯心”质疑作出回应: 观测并不需要人的意识, 只要微观系统跟宏观测量仪器产生不可逆相互作用, 潜能就会转变为现实。仅仅是人类对世界的描述离不开经典概念, 故而微观世界无法如同宏观的石头、树木那般, 脱离观测而得到完整的定义。
第四章 量子论与古希腊原子哲学对比
这段对比特别有意思高中物理发展史，能看清古今物质观的巨大鸿沟：
关于德谟克利特古典原子论, 原子乃永恒且固定的实体, 其具备形状以及空间广延, 万物是因原子和虚空构成, 此为朴素唯物主义；而柏拉图认为, 物质的本质是几何形式, 并非实体；现代量子观点彻底推翻了德谟克利特这种理论, 基本粒子并无固定形态, 在高能碰撞的情况下粒子能够互相转化, 能量才是唯一的“实体”, 粒子仅仅是能量临时形成的形态；微观粒子连确立空间以及运动属性都均不具备, 且远比那个亚里士多德的“潜能”更为抽象。海森伯提出了一个令人震惊的类比, 现代物理更加接近赫拉克利特所说的“万物皆火”, 将“火”替换成“能量”便能够对应, 而我们现在的粒子谱系, 更类似于柏拉图的数学形式, 并非古典实体原子。
要点分辨: 古希腊从事哲学活动凭借的是直觉思辨方式, 现代物理学科把精密实验当作唯一的衡量标准, 在相似结论的背后, 二者所采用的方法论存在极大差异。
第五章 笛卡尔、康德哲学碰到量子论, 笛卡尔二元论（广延实体 / 思维实体）属于近代科学底层思维, 笛卡尔将物质与精神彻底分开, 后世经典物理统统仅研究 “广延客观世界”, 默认能够抛开观测者、全然客观地描述宇宙, 这也是爱因斯坦秉持 “上帝不掷骰子” 的缘由, 量子论直接冲破二分法, 即研究微观时, 观测者（仪器）没法与研究对象分离。康德所提出的先天直观之中的时空以及因果关系这般内容, 被物理实验证实是不正确的。康德却觉得时空、因果为人类思维自身所携带的、绝对不会发生改变的框架。然而相对论把时空再次进行塑造, 量子论表明因果仅仅在宏观存在限定的范畴内才能够成立。海森伯在此基础上重新阐释康德所述观点: 时空、因果并非是绝对意义上的真理, 仅仅是人类于描述宏观世界时必须要用到的工具, 倘若放置到微观领域便会失去效用, 这属于相对先天的范畴, 并非绝对先天那般。经典唯物论以及教条实在论的基石部分, 在量子这个视角之下全部是存在适用边界的。
第六章 四大物理概念体系，理清理论的边界
海森伯划分四类自洽、完整的物理框架，互相有极限包含关系：
牛顿经典力学, 其考虑的是低速宏观情况, 是一种体系, 热力学与统计物理, 又是一种体系, 狭义相对论, 针对高速情况, 是另类体系, 量子力学, 则是关于微观的体系, 每个这样的体系, 都有着自身完备的概念, 然而, 每个体系都存在适用范畴, 是不能够进行无限制外推的。举例来说, 化学, 本质上属于量子力学的分支, 要是仅仅运用经典力学, 那么永远都无法对化学键、元素稳定性作出解释。这给人带来一种启发, 即不存在一套能够适用于所有情况、普遍适用的终极语言, 每一种理论, 在此之中却是对应领域的有效模型, 一旦超出相应范围, 就会发生错误。
第七章 相对论：重塑时空，推翻以太
狭义相对论解决迈克耳孙 - 莫雷实验矛盾，核心两点：
不存在绝对时空, 不存在以太, 所有匀速参考系是等价的, “同时”是相对概念, 质能等价, 质量只是能量的一种形式, 广义相对论进一步把引力解释为时空曲率, 宇宙几何由物质分布决定, 提出有限无界宇宙模型, 相对论改变的是宏观时空观念, 量子改变微观实在观念, 两大理论分别从大、小两端瓦解经典物理。
第八章 对哥本哈根解释的各类批评与回应
这一章, 能明白爱因斯坦, 与薛定谔, 还有玻姆等人, 以及哥本哈根学派之间, 核心争论的内容:
对于隐变量理论（玻姆等）, 其内容为假设存在未曾被观测到的隐藏参数, 以此来维持经典客观条件下的粒子轨道 ；然而海森伯对此进行反驳表示 , 这套理论仅仅是换为另一套文字去表述物理结果 , 它破坏了量子内在所具有的对称 （波粒、位置动量对称） , 并且隐变量永远不能够被实验探测到 , 属于多余的 “意识形态假设” , 是不存在物理意义的。爱因斯坦那一方, 坚定相信一种脱离观测的、无比完全客观的微观实在了, 觉得量子论仅仅只是有着欠缺不完全的，在其背后存在着一种有决定力量支撑的底层规律的；海森伯所作的核心回应是这般的, 我们全部的用来描述的、那些实验工具都是与经典概念存在依存关系的, 于微观领域不顾一切套用经典的“客观实体”那是会产生出没办法缓和协调的矛盾状况的, 无数个理想状态中的实验、真实发生的实验悉数都证实其互补性、几率是自然本身含有的属性, 并非是理论方面那些不足之处的表现呀。苏联辩证唯物主义学者予以批判, 指责哥本哈根秉持唯心、不可知论, 海森伯进行客观分析, 指出他们强行将十九世纪朴素唯物论套用于微观, 忽略了微观世界自身并不满足宏观实体的预设, 强行诉求脱离观测的客观描述, 这违背了实验事实。
所有人争论的本质是什么呢, 是应不应该, 毫无条件地, 将那宏观世界里的“实在、决定论”, 推广到微观尺度。
第九章 量子论与物质结构：没有永恒的 “基本粒子”
以往的时候, 我们觉得质子、电子是那种难以再进行分割的基础砖块, 然而高能宇宙射线、加速器实验却把这个认知给完全推翻了:
处于高能碰撞的状况下, 能量能够转变为各种各样粒子, 那些粒子会出现湮灭现象, 还会互相进行转化, 并不存在绝对不会改变的物质单元。涵盖所有的粒子皆是具备特定动力学形态情况中的能量。
海森伯做出预判, 未来基础理论不会将焦点放在 “粒子” 上, 而是会着眼于支配物质的基础对称定律 , 如今对于夸克理论他亦持有保留态度, 觉得 “分割、组成” 这类词汇在极高能场景下会丧失意义。
第十章 现代物理学的语言困境
这一章是全书非常有哲理的一部分：
我们日常所用的经典词汇, 是为宏观世界而诞生的, 当描述微观世界时, 必然会显得模糊且矛盾；数学是唯一不存在歧义的微观语言, 然而数学无法直接翻译成为日常话语；量子甚至修改了基础逻辑, 经典的“排中律”第一考试网，也就是非此即彼, 不再完全适用, 微观世界存在叠加态；我们习惯运用实物、轨道这类图像去想象微观世界, 可是这些图像仅仅只能作为辅助类比, 不能信以为真。语言存在的局限性, 是理解量子论最大的阻碍之一。
第十一章 现代物理学之于人类整体思想, 在技术层面, 原子能以及核武器重塑了全球政治, 使得科学家背负起全新的伦理责任；于思想层面, 它瓦解了十九世纪僵硬的机械唯物主义, 打破了“物质、因果、时空绝对不变”这样的固有认知；在文明碰撞方面, 现代物理进入了东西方不同文化之中，量子的兼容以及有限性思维, 能够调和传统与现代思想的冲突；其核心启示为, 科学概念永远是存在适用边界的, 不能够用来垄断对生命、精神、伦理的解释, 科学真理与宗教, 人文真理分属于不同的领域, 是不能互相替代的。
四、先来看附录拓展文章读后小结《科学真理和宗教真理》, 科学真理与宗教真理二者所描述的是不同维度, 科学所处理的是那种可重复、可观测的自然规律, 宗教所处理的是价值、生命意义方面, 它们不该互相否定, 而伽利略冲突其本质是两种话语体系被强行混淆；再看《量子论历史中概念的发展》, 定态、量子态、基本粒子这三个核心概念有着演化, 这般演化清晰展示出物理概念是处于不断修正、淘汰的状态；还有《基本粒子是什么? 》。特别着重地去批判传统那种“分割物质”的思维, 粒子乃是物质的定态, 并不存在真正不能够被分割的底层实体；《宇宙辐射和物理学基本问题》, 宇宙当中的高能粒子是天然的加速器, 能够验证正反物质成对产生, 还可以当作证据说明粒子是可相互进行转化的。
五、从总体看完开展思索, 带着个人感悟, 去打破那种从幼小到长大一直以来默认的朴素实在论, 即在平常认知里觉得东西即便没去观看, 也必然具有确定不移的状态。而这本书将这种直觉彻彻底底地给击碎了。在微观领域之中, 所谓的“实在”并非是静止不动的实物模样, 而是一系列的观测潜能；所谓的客观并非那种脱离于人类之外的绝对独自存在, 而是仪器跟系统彼此相互作用之后所催生的最终结果。并非说世界是主观随意表现的, 而是我们常规用来描述世界的经典工具天然存在着局限性。各类理论本质上仅仅是模型, 并非绝对正确不容置疑的那般真理, 牛顿力学以及经典唯物观在宏观日常的状况下的确具有很好的适用性, 然而却不能够毫无边界地将其推广到微观、高速的范畴。不存在一套放之四海而皆准的万能世界观, 每一个理论都是针对相应场景的具备有效性的模型, 一旦超出了那个场景便会失效, 这对我起到了提醒作用, 即任何观念都得对“绝对化”保持警惕。
物理跟哲学向来没法分割, 物理实验一直促使哲学更新, 哲学预设却又会限定物理学家的思考。爱因斯坦那顽固的念头源于古典实在论, 玻尔、海森伯可接受量子, 是由于他们乐意摒弃三百年固定下来的思维。仅仅懂得物理却不懂哲学就会落入教条, 仅仅谈论哲学而脱离实验就会成为空谈。波粒二象性以及互补原理在生活中的延伸里, 互补不仅是物理概念, 放到人文方面同样成立: 看待人、事件时, 单一的视角一直是片面的, 两种相互矛盾的描述或许同时正确, 只是所适用的场景不一样；别用非黑即白的方式来看待事物。一点争议, 思考海森伯部分论述, 容易被误读为唯心, 但其本人反复区分, “人的意识观测”与“宏观仪器不可逆相互作用”。他否定的只是宏观实体无条件外推到微观, 并非否定客观世界存在, 仅仅是客观不能用经典词汇完整刻画。同时, 他晚年偏向柏拉图式唯理论, 认为底层是数学形式, 这点可以辩证看待, 不必全盘认同。
六、摘录金句, （个人进行标记重点）, “用来创造每个工具的那种精神携带在每个工具上。”, “量子论里展现出实在概念有变化, 这种变化并非是过去的简单延续, 而是类似现代科学结构真正的破碎。”, “几率波所意味的还有另外一些内容, 或者说它是亚里士多德哲学中‘潜能’这个旧概念的定量表达。”, “当我们开展新测量时, 会出现从‘可能’到‘现实’的转变。‘发生’这个词仅仅能够应用于观测这一行为, 而不可用于两次观测的中间阶段。”, “我们没办法把十九世纪的那种唯物主义本体论延伸到原子领域当中去。”。自然界在人类之前就已存在, 然而人类相比于自然科学却显得更正居于前。爱因斯坦所坚守的经典实在论执念, 隐藏在“上帝不掷骰子”之后。互补性表现为, 两种图像彼此排斥, 可又彼此补充, 唯有合在一起才能够完整地对微观实在予以描述。现代物理学将十九世纪僵硬的思想框架给摧毁了, 不过并没有否定日常语言所具备的价值。科学真理与宗教真理归属于不同的领域, 不可以相互吞并, 也不可以相互驳斥。
#今日读书笔记#