吳西風：物理是對真實世界的描述嗎？(圖)

物理只是用數學模型來理解真實世界，但卻不是真實世界本身。（圖片來源：Adobe Stock）

【看中國2021年2月25日訊】物理是用數學模型來理解、預言實驗測量結果。這個數學模型是抽象的，和真實世界有一定的聯繫，卻不是對真實世界的直接描述，不能將物理體系與真實世界混為一談。

即使經典物理，比如牛頓的力學體系，也是抽象的數學模型，雖然在這個模型裡幾乎所有的物理量都是可以測量的。牛頓力學體系建立在一系列假定和抽象概念之上，比如絕對時空和慣性系，是對真實世界的理想化、模型化和一種猜測。這和文學作品建立的體系（比如《紅樓夢》中的賈氏家族和大觀園）與真實世界的對應關係有著類似的地方。

在真實世界裡，沒有一個參照系是真正的慣性系，因為牛頓第一定律定義了慣性系：一個不受任何外力（並非外力之和等於零）的參照系。慣性系是真實世界某種程度的近似，只存在於頭腦想像的數學空間裡；而牛頓力學描述的是慣性系裡物體運動的規律，不是對真實世界裡物體運動的直接描述。牛頓力學可以推廣到非慣性系，但仍需參照一個在真實世界裡並不存在的慣性系；不首先確立慣性系，就無法使用非慣性系來作計算。

而牛頓假設的絕對時空並不正確，不符合現在對時間精確的測量結果。在牛頓當時的觀測條件下，這個假設以及牛頓力學的計算結果，符合幾乎所有的觀測數據（僅有一個例外：水星近日點的進動誤差）。因而牛頓力學曾被認為是對真實世界的描述，直到科學家發現某些涉及高速粒子運動的現象，基於絕對時空的牛頓力學無法解釋；而現今高精度的時間測量，否定了絕對時空的假設。

牛頓力學另外一個假設是物理量的連續性，這也和當時的實驗數據吻合，直到19世紀末，對於微觀粒子的測量表明，牛頓的這個基本假設也不正確，導致牛頓力學無法解釋微觀粒子的運動。牛頓力學不是對於一兩個微觀現象失效，而是對於幾乎所有的微觀現象，牛頓力學的計算預言和測量結果都截然不同。

現在大概沒有一個科學家認為牛頓力學是對真實世界的描述，它只是對真實世界在一定範圍內的有效近似。超過宏觀、低速這個範圍，牛頓力學就失效了，因為牛頓的兩個基本假設，物理量的連續性和時空的絕對性，分別在微觀和高速（和光速相比）情況下顯著失效，導致牛頓力學的計算結果和實驗觀測數據大相逕庭。即使在宏觀、低速條件下，只要測量的精度足夠高，也會發現牛頓力學的預言和實驗結果有微小的差別。這種極其細微的差別，可以通過量子力學和相對論的計算來修正。

量子力學和相對論，分別以量子性原理和相對性原理取代了牛頓力學的這兩個基本假設，並以此作為出發點，分別建立了自己的數學模型和物理體系。任何數學模型不符合量子性原理或相對性原理，就不能正確預言微觀粒子或高速粒子的運動，也就不是一個對於微觀世界或高速粒子有效的物理理論。試圖繞過量子性或相對性建立一個對微觀、高速有效的物理體系是徒勞。量子力學和相對論不僅對於微觀、高速有效，也同樣能夠精確地預言宏觀、低速世界，只是遠遠不如經典物理的計算簡捷方便。

那麼當代物理的兩大基本理論，量子力學和相對論，是對真實世界的描述嗎？儘管到目前為止，沒有任何一個實驗現象違反了量子力學或者相對論，我們依然不能確信量子力學和相對論是對真實世界的描述。

理由如下：

（1）和經典物理不一樣，量子力學描述的是抽象的波函數隨時間的演變。波函數不是可以測量的物理量，而是純粹的數學概念，其值在通常條件下是複數，不存在於真實世界。物理學家通過求解量子力學方程得到波函數，通過波函數進而計算出能被測量的物理量的分布，這個理論分布可以和實驗測量到的分布相比較。

（2）量子力學和廣義相對論並不相容，二者最多只能有一個在更普遍的範圍內，也就是說必須同時使用量子力學和廣義相對論的情形下（目前還沒有直接觀測到的數據），是正確的。

（3）今後在技術上可以不斷提高測量精度，重新對已知的實驗現象進行觀測，量子力學和相對論的預言，無法保證依然符合測量的結果。

（4）今後可以測量的範圍越來越廣，無法保證在今天未知的觀測範圍內的結果，會符合量子力學和相對論的預言。

（5）量子力學和相對論並非是唯一（或者說唯二）的符合測量結果的理論（數學模型）。現今有很多種其他理論，也能作出和現有觀測結果一致的預言。那麼哪種理論才是對真實世界的描述呢？比如在宏觀、低速的條件下，牛頓力學和量子力學+相對論的預言都和實驗結果幾乎完全一致（二者細微的差別在今天使用最精密的儀器最也極難測量到，只在特定的一些情況下測到了——這是近年來比較熱門的宏觀量子物理學），那麼是牛頓力學還是量子力學+相對論，是對真實（宏觀、低速）世界的描述？

（6）物理學家只能判斷一個數學模型的計算結果符合還是不符合測量的數據。而測量結果和真實世界並非總是一致的。測量會改變被測量的體系，尤其是微觀體系，測量導致的微觀體系的改變不可忽略。並且一次測量僅能反映真實世界的某一方面，真實世界的某些方面，不一定能夠被測量。

（7）真實世界的存在與否是個懸而未決的問題，無法排除我們所感知的和測量的，其實是個精心設計的模擬程序的運行結果。「真實的世界」可能並不存在，只是我們的感知所造成的幻覺。

（8）我們的感知影響著實驗觀測，也就是說，實驗觀測既是客觀的，也是主觀的，我們難以分清客觀和主觀對於測量結果的影響程度。

即使將來產生一種新的、更成功的理論，取代量子力學和相對論，也無法確信這個新理論是對真實世界的描述。我認為這個新理論，更有可能是對頭腦中根據想像建立的數學世界的更為抽象的描述。物理是不是對真實世界的描述？大概永遠也沒有辦法知道。物理只是對真實世界的猜測，如果真實世界真的存在。

物理學家其實不怎麼關心這個哲學問題。他們關心的是，現有的理論能否有效地、實際地解釋、預言測量結果，能否發現或建立更為簡單和諧、更為統一基本、更具美學價值的理論，可以有效地解釋所有的測量結果。

(文章僅代表作者個人立場和觀點)