我們的物理現實是否客觀存在？

圖片來源 ：Alan Stonebraker/美國物理學會

兩個量子即使相隔遙遠也能瞬間糾纏在一起，這種現象常被認為是量子物理學中最令人費解的部分。如果現實本質上是決定論的，并且由隱變量支配，那么這種詭異感就可以消除。然而，所有試圖消除這種量子怪異現象的嘗試都失敗了，因為哥本哈根詮釋和隱變量理論之間的任何實驗差異都只支持了量子力學的標準圖景。

要點總結

• 古老的哲學問題：“如果森林里有一棵樹倒了，但周圍沒有人聽到，它會發出聲音嗎？”這個問題似乎顯然有答案：是的。
• 每當一棵樹倒下，它的樹干就會折斷，樹枝會相互碰撞，最終樹干會撞擊地面。這些動作都應該發出聲音。
• 但相對論告訴我們，每個觀察者所聽到的聲音都與其位置和運動有關；量子物理學告訴我們，觀察行為會改變系統的量子態。這一切對“客觀現實”的存在意味著什么呢？

如果說我們大多數人能確定一件事，那就是：我們所觀察到的物理現實確實存在。盡管這一結論背后總有一些哲學假設，但無論在任何條件下，我們迄今為止的測量結果都與這一假設相符：無論是用人類感官，還是用實驗室設備，亦或是使用望遠鏡或天文臺，無論是僅受自然因素影響，還是人為干預，都無法推翻這一假設。現實存在，而我們對現實的科學描述正是基于這樣的事實：無論在何處、何時進行的測量，都與對現實本身的描述相一致。

但此前我們對現實的認知中包含一系列假設，而這些假設如今已不再被普遍接受，其中最主要的一點是，現實本身的存在方式獨立于觀察者或測量者。事實上，20世紀科學的兩大偉大進步——相對論和量子力學——恰恰挑戰了我們對客觀現實的認知，并指出現實本身無法與觀察行為割裂開來。以下是關于我們今天對客觀現實概念的認知中一些奇特的科學發現。

圖片來源：NASA/JPL/旅行者1號

1979年，旅行者1號飛掠木星時，在木星表面觀測到一個短暫的光點，這是人類首次在木星大氣層中觀測到流星體撞擊事件。木星經歷的此類事件至少是地球的數千倍，因為木星的引力會吸引大量原本不會撞擊它的天體，即便木星體積龐大。我們認為，無論我們是否觀測到，這些天體最終都會撞擊木星。

客觀現實

簡而言之，其核心思想是：現實存在，并且其存在方式獨立于任何監控或觀察現實的實體或事物。粒子具有質量、電荷和其他固有屬性，這些屬性不會改變，無論：

• 誰來測量它？
• 他們在哪里？
• 它們移動的速度有多快？
• 要測量的是哪個屬性？
• 或者通過何種方式獲取測量結果。

這是科學的一個重要基礎思想：事物的“真實性”與它是否被檢驗以及如何被檢驗完全無關。

但這僅僅是一種假設。誠然，我們可以看到物理定律和自然界的基本常數似乎不會隨時間和空間而改變：一個氫原子與數十億光年之外或數十億年前的氫原子具有相同的發射和吸收譜線。一個質子在南極洲的靜止質量與它在國際空間站上的靜止質量相同，也與它在宇宙中任何星系中的靜止質量相同。正如這些例子所示，我們只能說，這種假設的合理性取決于我們能否對其進行實驗和觀測檢驗。

圖片來源：Krea/Wikimedia Commons

如果一個理論不具有相對論不變性，那么不同的參考系，包括不同的位置和運動，將會展現出不同的物理定律（并且對現實的理解也會存在分歧）。我們在“波斯特變換”（或速度變換）下具有對稱性，這一事實表明我們擁有一個守恒量：線性動量。一個理論在任何類型的坐標或速度變換下都保持不變，這一事實被稱為洛倫茲不變性，任何洛倫茲不變的對稱性都守恒CPT對稱性。這種在恒定運動下保持不變的概念可以追溯到伽利略時代。

從伽利略到牛頓，從法拉第到麥克斯韋，物理學在其發展史的大部分時期都很好地證實了這一點。萬有引力定律似乎是普適的，適用于我們所能看到的任何地方，從地球上的物體到繞地球運行的天體，再到圍繞地球以外的天體運行的行星、衛星和彗星。萬有引力常數確實是一個常數；運動定律似乎對每個人都適用，如果兩個人分別測量一個物體的位置、運動或加速度，以及物體在不同點之間運動所需的時間，他們都會得到相同的結果。

最初，這似乎同樣適用于電磁學，就像適用于經典力學一樣。無論我們觀察什么，電學和磁學的定律都相同，并且對靜止和運動的電荷——無論速度如何——都同樣適用。這些電荷是放射性粒子，例如α粒子（氦核）或β粒子（電子），還是像充滿電的范德格拉夫起電機上那樣巨大的電荷集合，都無關緊要。電荷在導體或絕緣體中的行為可能不同，這些材料的性質也可能影響電荷在其中的運動方式，但無論裝置如何，定律、常數以及測量者是誰，一切都保持一致。

圖片來源：NASA/阿波羅10號

阿波羅10號被稱為登月“彩排”，實際上配備了所有能夠讓宇航員直接登陸月球表面的設備。他們比以往任何載人任務都更接近月球，并為1969年7月阿波羅11號的真正登月鋪平了道路。整個過程僅需牛頓物理學原理，繞月軌道上的宇航員體驗到了完全失重的狀態。

相對論

然而，隨著長度收縮和時間膨脹的發現，情況開始發生變化，這最終導致了愛因斯坦相對論的革命性突破。如果你在地球上從靜止狀態發射一個物體，周圍的每個人都能測量出它的速度，而且測量結果會相同；唯一的區別在于他們看到的物體運動方向，位于物體“后方”的人會看到物體遠離自己，而位于物體“前方”的人會看到物體朝自己飛來。

如果拋射體位于移動平臺上，或者觀察者位于移動平臺上，他們測量到的速度和方向可能各不相同。但是，如果您知道各個平臺的移動速度，則每個觀察者都可以輕松地重建其他觀察者所看到的情況。

然而，如果不是像炮彈這樣的普通拋射體，而是一個以接近光速運動的粒子呢？事實上，如果它本身就是光呢？突然之間，這些舊的定律就失效了。因為所有觀察光的人看到的都是光以完全相同的速度運動：c，即 299,792,458 米/秒。

圖片來源：約翰·D·諾頓/匹茲堡大學

對于相對速度不同的觀察者來說，“光鐘”的運行速度似乎不同，但這源于光速的恒定性。愛因斯坦的狹義相對論解釋了不同觀察者之間時間和距離的轉換。然而，只要每個觀察者都處于各自的參考系中，他們看到的“時間流逝”速度都是相同的：每秒一秒。即使實驗結束后，當他們把各自的“時鐘”放在一起時，會發現時間不再一致。

突然間，空間和時間之類的概念不再是客觀存在的現實組成部分，而僅僅相對于觀察者而言。在上述思想實驗中，兩位觀察者分別測量光線從地面向上傳播到頂部鏡子，然后再向下傳播到地面所需的時間。這種被稱為“光鐘”的裝置，對于任何觀察者，無論靜止還是運動，都應該得出相同的結果。

但對于靜止的觀察者來說，運動中的光鐘似乎走得更慢；事實上，相對于觀察者而言，運動中的人感覺時間流逝得更慢。同樣地，對于運動中的觀察者來說，他們的光鐘似乎以正常速度運行，但靜止的光鐘——相對于他們而言看起來像是在運動——似乎走得更慢；對于所有不與觀察者及其光鐘一起運動的人來說，感覺時間流逝得更慢。

同樣，兩個物體之間的距離（即距離的度量）只能相對于觀察者來定義。而像“同時”這樣的概念也只能針對靜止在同一位置的兩個觀察者來定義。事實上，如果我們能夠足夠精確地測量“時間”，那么即使是像“這個拋射體何時落地？”這樣簡單的問題，處于不同位置或以不同速度或方向運動的觀察者也會得到不同的結果。

來源：ESO/M。帕薩/L.卡爾卡達

在牛頓（或愛因斯坦）力學中，系統會根據完全確定性的方程隨時間演化。這意味著，如果你能知道系統中所有粒子的初始條件（例如位置和動量），就應該能夠毫無誤差地任意向前演化系統。如果不包含時間坐標，就無法精確描述物體的位置。然而，在我們所處的現實世界中，由于無法真正精確地知道初始條件（即使考慮到量子不確定性），上述結論并非完全成立。

事實證明，影響“這個物體有多遠？”、“這種現象持續了多久？”或“哪個事件先發生？”等問題的，不僅僅是位置或運動的變化。此外，時空本身的曲率變化——即引力的影響——也會影響答案。時間不僅會在接近光速運動時膨脹，在更強的引力場中也會膨脹。物質和能量的存在與分布會影響我們對時空的感知，這就是為什么光線在靠近物體時會發生彎曲，以及為什么接近黑洞的事件視界時時間會變慢。

事實上，由于“空間”或“時間”不存在客觀的衡量標準，一些非常奇特且違反直覺的觀測結果便會隨之出現。如果遙遠星系中發生超新星爆發，你可能會預期超新星的光線會在某個特定的、預先設定的時間到達你的眼睛。但如果在你和超新星之間存在一個巨大的天體，它實際上會扭曲兩者之間的空間，導致同一星系和超新星出現多個影像：超新星的光線在每個影像中到達的時間都不同，并非同時發生。空間和時間或許真實存在，但它們并非客觀存在；它們只是相對于每個觀測者或測量者而言才具有真實性。

圖片來源：SA Rodney 等人，《自然·天文學》，2021 年

這組由哈勃太空望遠鏡拍攝的圖像展示了同一星系的四個弧形圖像，它們因引力透鏡效應而被拉伸成弧狀。2016年，我們在其中一張圖像中捕捉到了一顆超新星（標記為SN1），隨后又觀測到了第二顆和第三顆超新星，兩者間隔約6個月。根據重建的透鏡前景星系團的幾何結構，我們可以預期在2037年于標記為SN4的位置觀測到第四顆超新星。

量子物理學

在量子領域，事情變得更加違反直覺，因為實驗或觀察的結果取決于你進行觀察或測量的方法，以及你是否進行觀察或測量。

例如，著名的雙縫實驗（有時也稱為雙縫干涉實驗）。如果你嘗試將大量小物體扔過一個開有兩個縫隙的屏障，你會看到這些物體聚集在屏障后面的墻上，形成兩堆：一堆對應于左側的縫隙，另一堆對應于右側的縫隙。這與宏觀世界中的現象完全一致，無論你用的是球、鵝卵石還是生物體。

但如果你使用量子粒子，例如電子或光子，就不會得到兩堆粒子。相反，你會看到類似波的干涉圖樣：粒子優先落在等距排列的交替位置，而其他位置則不允許粒子落在那里。收集到的粒子數量最多的“峰值”位于兩個狹縫的中點，隨著遠離中心峰值，峰值（逐漸減小）和谷值（始終降至零）交替出現。

圖片來源：Tonomura 博士；Belsazar/Wikimedia Commons

這是電子依次通過雙縫的波形圖。如果你測量電子通過的是“哪條縫”，就會破壞圖中所示的量子干涉圖樣。無論如何解釋，量子實驗似乎都對我們是否進行某些觀察和測量（或強制某些相互作用）很在意。

那么，你或許會想到，與其一次性全部送入粒子，不如一次一個地送入。這樣做，結果也一樣：宏觀物體會堆積成兩堆，而量子粒子只會落在干涉圖樣的“峰值”上。當粒子數量足夠多時，完整的圖樣就會顯現出來。

之后，你可能會想到嘗試測量每個粒子在到達后壁的過程中穿過了哪個狹縫。或許令人驚訝的是，現在宏觀實驗和量子實驗都只得到了兩堆粒子。觀察“每個粒子穿過了哪個狹縫？”的行為破壞了量子行為。不知何故，進行測量——這意味著在你正在實驗的量子粒子與另一個量子粒子之間引入足夠能量的相互作用——會改變量子系統的行為。

我們在量子力學中以多種方式觀察到這種現象。讓一個自旋的量子粒子穿過一個垂直放置的磁鐵，粒子會向上或向下偏轉，從而揭示其自旋方向。在下游放置另一個垂直放置的磁鐵，向上偏轉的粒子仍然會向上偏轉，向下偏轉的粒子仍然會向下偏轉。但是，你認為如果在兩個垂直放置的磁鐵之間放置一個水平放置的磁鐵會發生什么呢？

圖片來源：MJasK/Wikimedia Commons

當具有量子自旋的粒子穿過一個定向磁體時，它會至少沿兩個方向分裂，分裂方向取決于自旋方向。如果再沿相同方向放置一個磁體，則不會發生進一步分裂。然而，如果在兩個磁體之間垂直放置第三個磁體，粒子不僅會沿新的方向分裂，而且之前獲得的關于原始方向的信息也會被破壞，導致粒子在穿過最后一個磁體時再次分裂。

答案包含兩方面：

• 水平磁鐵將粒子束分成兩束，一組粒子向左偏轉，另一組粒子向右偏轉。
• 但是現在，無論你選擇哪組粒子穿過下一個垂直磁鐵，它們都會再次分裂成向上和向下的軌跡。

換句話說，進行“水平”測量（或觀察）會破壞有關這些粒子自旋方向的“垂直”信息。

這是否意味著客觀現實并不存在？未必如此；或許存在一種潛在的現實，無論我們是否對其進行測量，它都存在，而我們的測量和觀察僅僅是一種粗略且不足的方式，無法揭示客觀現實的全部真相。許多人相信，終有一天會證明這一點，但就目前而言——這項進展剛剛榮獲2022年諾貝爾物理學獎——我們能夠對獨立于我們的觀察和測量而存在的“現實”類型做出非常有意義的限定。就我們目前所知，宇宙中出現的真實結果無法脫離測量者的身份和測量方式而存在。

圖片來源 ：Johan Jamestad/瑞典皇家科學院

量子力學中的糾纏對可以比作一臺向相反方向拋出顏色相反球的機器。當鮑勃接到一個球并看到它是黑色的時，他立刻就知道愛麗絲接到了一個白球。在一種使用隱變量的理論中，這些球一直包含著關于其顏色的隱藏信息。然而，量子力學認為，這些球在被觀察之前是灰色的，或者黑白相間的，直到有人觀察它們時，一個球隨機變成白色，另一個變成黑色。貝爾不等式表明，存在一些實驗可以區分這兩種情況。這些實驗已經證明量子力學的描述是正確的，球的顏色在測量之前是不確定的。

與大眾普遍認知相反，科學的職責并非解釋我們所處的宇宙。相反，科學的目標是精確描述我們所處的宇宙，而在這方面，科學已經取得了顯著的成功。但我們大多數人熱衷于提出的問題——而且我們常常不假思索地提出這些問題——往往是關于探究某些現象發生的原因。我們喜歡因果關系的概念：某件事發生，然后，由于這件事的發生，又發生了另一件事。這在很多情況下是正確的，但量子宇宙也會以各種方式違背因果關系。

我們無法回答的一個問題是，是否存在客觀的、獨立于觀察者的實在。許多人假定它存在，并以此構建我們對量子物理學的詮釋，從而承認存在一個潛在的、客觀的實在。而另一些人則不作此假設，他們構建的量子物理學詮釋同樣有效，但未必包含這樣的客觀實在。無論好壞，我們所能指導我們的，只有我們能夠觀察和測量的事物。無論是否存在客觀的、獨立于觀察者的實在，我們都能成功地對其進行物理描述。此時此刻，我們每個人都必須決定，是否要接受“客觀實在”這個在哲學上令人滿意但在物理上無關緊要的概念。

本文最初發表于 2022 年 11 月，并于 2025 年 12 月進行了更新。

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