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物理中的因果性

已有 4323 次阅读 2012-7-26 07:14 |系统分类:科研笔记| 物理

因果性的讨论在科学研究中占有重要地位,爱因斯坦和波尔关于“因果性是决定论的,还是随机论的?”的争执一直持续到现在(参见爱因斯坦与波尔之争),随着量子论的成功,“因果性是随机的”思想已渐渐为众多学者接受,但却难以和常识相容。

为了解释因果性,我借鉴《量子论的思考》中描述的蚁群战争的例子。有两窝蚂蚁,其间经常发生战争,现在要求我们预测某次战争的结果。我们的预测方法是这样的:定期随机的从蚁群中抽取若干蚂蚁;杀死蚂蚁并检测每个蚂蚁士兵的能力;根据历史的检测结果和战争结果建立预测模型;新战争时,根据预测模型和检测情况来预测战争结果。针对这个平常的例子,可以有下面的一些思考。

(1)例子中为什么如此特别的选择这样的预测方法呢?这是因为预测方法有很多,且每个都是可选的,但是在特定的环境条件下,“能选择的”只是“可选择的”一部分,这正如我们研究微观世界时,量子论所面对的问题一样。目前研究微观世界的所有方法几乎都是强扰动的测试方法,几乎没有“看战争”这样的弱扰动的观测方法。

(2)检测内容对于反映战争的结果是否足够呢?即“选择的”方法本身是否属于“可选择的”方法之内?这个问题的结论只能通过经验性的观测结果来确定,永远无法给出经验之外的结论,因为对于可观察的现实而言,其本质是一个开放系统,“足够”本身就是无法界定的,因此这个问题的答案只能是经验性的,“经验性的”另一个理解就是“随机的”。

(3)战争的结果是因为测量导致的,还是因为战争双方本身的内因导致的呢?我们的测量是对蚁群间战争的干扰,可能选取的样本中恰巧包含了蚂蚁A军团的一个优秀首领,并由此而影响战争结果,从这个意义上说,“我们通过测量方法预测战争结果”这一事实本身就导致了“战争结果”的出现。而仅由内因主导的战争结果因为无法测量,所以结果我们无法知道,也不能知道。

(4)是检测结果决定了战争结果吗?对于某次的预测我们会说“因为检测结果为X,所以战争结果应该为Y”。看起来是因为有了检测结果,才产生了战争的结果,即结果是由检测值产生的;但事实上,我们更愿意相信战争结果是由蚂蚁双方的内因决定,而不是我们的检测值决定的。

(5)战争结果是决定论的还是随机论的呢?一方面战争结果是决定论的,没有我们的测量,战争也会有结果,这种结果包括一方胜、进行中、和好、同时消失等各种情况,所以战争有结果本身与测量无关,这是世界存在并能够认识的世界观前提;另一方面,战争结果又是概率的,因为我们获取结果的测量对系统的扰动是必然的,进而“扰动后结果”与“无扰动结果”也必然存在偏差,因此观察到的战争结果本身是具有随机性。

通过上面例子的分析,可以看到因果性包含着“独立于观察”和“基于观察”这样两个重要的理解角度,为此,我将因果性划分为逻辑因果性和观察因果性两种。逻辑因果性是指在封闭的逻辑系统中,如欧氏几何学等,因为其过程不需要特定的观察性条件,因此其因果性仅依赖于自身的逻辑自洽性,所以是决定论的。

观察因果性是指在开放的物理现实系统中,“有扰动”的测量结果和“无扰动”的理想结果间必然存在偏差,所以观察因果性是随机论的。但因为偏差本身由“扰动”和被测系统共同产生,所以测量结果同理想结果间存在某种程度的一致性或相关性约束。就如同我们偶尔会杀死蚂蚁军团的首领,但是千百次的抽取实验后,最终的理想结果会在概率化的预测结果中体现一样。

在爱因斯坦和波尔的争论中,没有将这两种因果性区分开,爱因斯坦过分强调了逻辑因果性,将观察因果性仅仅归结为认识的不完备,但事实是认识作为物理世界的一部分,本身就不具有完整现实的完备性。而波尔在没有分辨逻辑因果性的情况下,虽然对微观世界的现象作出了很好的解释,但是无法论证量子理论本身的因果性及这种因果性的产生来源。

可以认为量子论描述了“有扰动的观测结果”同“无扰动的理想结果”间的相符程度,它展现了“扰动”产生的结果差异的分布情况。相对论则是现实的理想结果在认识空间内的逻辑设想,它是完全不同于现实的。一个描述物理世界的适当理论,当观察扰动越小时,测量结果和理想结果间的差异也应该越小,所以在宏观体系下,因测量扰动的减小,量子论退化为与逻辑因果性相一致;而在微观体系下,随着测量扰动的增大,相对论则体现为观察因果性内在约束。

确定性属于逻辑认识,

随机性源至现实观察,

如果认识和观察等价,

那么神本身就是世界。




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