21世纪时空哲学与量子力学解释研究动态

                       吴新忠

爱因斯坦无疑是20世纪最伟大的物理学家，他在100年多前创立的广义相对论是现代宇宙学的基础，理论的逻辑简单性与方程的精致优美性具有震撼人心的不朽魅力，对物理科学的发展影响深远。量子引力学家Carlo Rovelli把广义相对论视为是最美丽的物理理论，可以与莫扎特的交响乐，荷马史诗，以及莎士比亚的戏剧交相辉映。爱因斯坦利用弯曲时空描述惯性-引力场的研究思路，引发了在相对的时空坐标系中如何处理运动的相对性与绝对性问题；4维时空的描述方式有助于区分过去、现在与未来，同时引发了因果性与时序，时空的整体存在与非决定论的关系等重要的哲学问题。在量子力学的发展历史中，爱因斯坦也是波动力学的真正教父。爱因斯坦不仅因为光电效应等领域的贡献获得诺贝尔物理学奖，把普朗克的能量子假设与热力学第三定律联系起来，而且在与以玻尔、海森伯为代表的哥本哈根学派的争论与较量当中，提出了大量值得深入思考的量子力学观点，大大推动了量子力学解释研究的深入。特别是EPR论证，涉及爱因斯坦与玻尔对实在本性的不同理解，以及在量子力学中能否彻底排除超距影响之类的根本问题。1964年，贝尔受到EPR论证的影响，以及玻姆的量子势隐变量理论的鼓舞，提出了鉴别定域隐变量理论与量子力学的经验预测差别的贝尔不等式。从1980年代以来，大量实验支持量子力学而不是贝尔不等式，包括潘建伟等学者有关多光子的量子纠缠实验，表明量子层次上的超距影响是无法排除的，尽管传递信息的经典通道严格满足光速极限的约束，这里就涉及到爱因斯坦对量子力学的解释是否被证伪的问题。少数坚定支持爱因斯坦的量子力学解释的学者认为，贝尔不等式的检验涉及类空区域两个实验在各自时间段进行时的光信号对时，它不满足EPR论证的要求；贝尔不等式涉及的量子信息的空间维度与量子纠缠的黎曼空间维度不一致，断言目前关于量子纠缠的实验验证埋葬了量子力学解释中的爱因斯坦路线的流行观点是轻率的。

    在物理学史与物理学哲学领域，印度物理学史专家Jagdish Mehra在2001年出版了《理论物理的黄金时代》，对相对论的起源与发展，量子论、量子力学、量子电动力学与量子场论的起源与发展，以及玻尔与爱因斯坦关于量子力学解释的争论给出了史料详尽，论据充分的描述。比较流行的量子力学非主流解释——隐变量理论与多世界解释不仅得到了新的发展，而且引起国内外学者的高度关注。Peter Byrne在2010年出版的《The many worlds of Hugh Everett III 》，讨论了埃弗雷特提出多世界解释的思想历程，以及多世界解释与哥本哈根学派的较量。法国德布罗意学派的Gerard Gouesbet在2013年出版了《量子物理中的隐秘世界》，讨论了经典力学与量子力学的基本假设，对量子力学的各种异议，而量子力学的哲学方面涉及决定论、时空与因果问题，量子力学对康德哲学的影响与实证主义、证伪主义的兴起等；重点讨论了德布罗意的双重解理论与导波理论，并提及玻姆的量子势理论，从德布罗意学派的立场出发探讨了EPR佯谬与Bell不等式。从1994年开始，武汉钢铁公司的赵国求研究员提出了量子力学曲率解释与双4维时空的量子力学解释，发表了一系列论文、著作与译著。认为爱因斯坦在量子力学解释问题上尽管处于少数派，但是从推动量子力学与相对论相协调的长远趋势来看，在现代物理学研究中创造性地贯彻爱因斯坦的合理构想是必要的，同时要纠正爱因斯坦对量子力学的理解中一些过分经典化的哲学偏见，根据各种新发现的量子现象把握量子力学的奇特本质

当代物理学家与哲学家都关注牛顿的追随者克拉克与莱布尼兹有关时空实体论与时空关系论，绝对时空观与相对时空观的争论，对广义相对论的各种哲学理解产生的影响，并引起学者们重新关注爱因斯坦在构想广义相对论时提出的“空洞论证”。以英国物理学家霍金与彭罗斯在1990年代中期发表的《时空本性》为代表，作为玻尔与爱因斯坦在量子力学解释中实证主义与实在论的哲学争论的深化，霍金关心的是未来的量子引力理论能否消除广义相对论中的时空奇点问题，而彭罗斯关心的是引力是否通过量子测量发生作用的问题。在2000年前后，李·斯莫林在《通向量子引力的三条路径》与《物理学的困惑》等著作中，提及弦论与圈量子引力等模型在量子引力探索中的时空哲学分歧。圈量子引力的创始人之一罗威林认为时间、空间在量子引力的基本层次消失，需要某种物理事件的因果机制形成时间与空间的关系结构。进入新世纪以来，著名数学家丘成桐教授组织了多次广义相对论与弦论的重要学术会议，并在2012年出版了《大宇之形》，阐述了从毕达哥拉斯，柏拉图以来，到黎曼，爱因斯坦，卡拉比与丘成桐自己对物质结构与时空几何的探险历程，认为10维弦论有助于将自然界中的4种相互作用结合起来，并通过6维卡-丘空间的紧致化过渡到4维弯曲时空。2014年，国际广义相对论与引力学会主席Abhay Ashtekar，与加拿大的物理学家Vesselin Petkov一起编写并在Springer出版了《时空手册》，内容涉及从以太理论到狭义相对论与广义相对论的发展史，讨论了等效原理的物理解释与哲学意义，如何把物理理论处理为时空几何，时间不对称的时空结构的本质与起源，广义相对论中的时空奇点与正能定理等重要问题。

在国内，北京师范大学的赵峥教授在21世纪初出版了《黑洞与弯曲的时空》，《黑洞的热性质与时空奇异性》，《探求上帝的秘密》等著作，根据普利高津提出的时间箭头与热力学深刻关联的思路，认为霍金与彭罗斯从微分几何出发证明的奇点定理，不符合奇点与奇环附近的动力学与热力学条件，因为质点不可能被加速到光速，而温度也不可能上升到无穷大，因此从热力学第三定律的角度可以排除时空奇点。吴新忠在博士论文《彭罗斯物理学哲学研究》基础上，结合赵峥的黑洞物理学研究，利用John Crammer提出的量子力学交易解释，分析了霍金与彭罗斯围绕时空本性问题的争论，在2004年发表了《霍金与彭罗斯关于时间箭头的哲学争论》，推动了时间箭头问题研究的综合考虑，后来发表论文认为时间箭头问题在经典力学与量子力学中具有共同的统计力学根源，量子力学中的很多矛盾有待于经典物理学中各种矛盾的巧妙解决。2005年又发表了《时间机器：幻想还是礼物》，认为时间旅行涉及的因果悖论是广义相对论与量子场论不协调，对物质的负能态的理解存在分歧造成的。不久，上海交通大学的江晓原与穆蕴秋发表了关于科学幻想小说中时间旅行与因果关系问题的论文。山西大学的程瑞从2004年开始，在各类刊物上发表了大量时空实在论，时空语境分析方面的论文，讨论了广义相对论时空哲学领域实体论，关系论与结构论的各种争论，并结合量子引力方面时空哲学问题进行深入分析。南京信息工程大学的梁栋教授，最近几年发表了从统计力学，光信号对时，时间箭头与因果关系角度讨论时间哲学的论文，涉及到耗散结构论与相对论方面的哲学问题。

    对于上述研究动态感兴趣的学者，可以与我联系，经常讨论，设法共同参加一些学术会议，并一起构思各类论文，著作与译著，译文，探讨用实验检验各种相对论与量子力学哲学解释的可行性，考虑未来课题合作研究的事宜。邮箱：sju@sina.com.