第二次物理学革命

第二次物理学革命始于20世纪初，涵盖了两个关键领域：狭义相对论和广义相对论，以及量子力学理论。这两个领域被视为第二次物理学革命的两个重要支柱。它们的出现颠覆了牛顿力学的观念，揭示了宇宙的本质和运作方式，引发了科学界的深刻思考。

1、第一个支柱：相对论

相对论指1905年爱因斯坦提出的狭义相对论和1916年提出的广义相对论。

狭义相对论。1905年，26岁的爱因斯坦不仅获得了博士学位，而且发表了四篇重要的论文，分别概述了光电效应的理论、奠定了量子力学的基础，解释了布朗运动、证明了原子的存在，引入了狭义相对论、建立了空间与时间一体化的时空概念，并证明了质能等价性、揭示了质量与能量在本质上的一致性。这一年被称为“爱因斯坦奇迹年”。

在牛顿的物理学体系中，时间、空间和同时性被认为是绝对的。无论身处何地或是对于任何人来说，时间的流逝都是相等的，空间不会因为物体的运动而改变，同时发生的事件也不会因观察者的运动而有所差异。

然而，狭义相对论提出了不同的观点。它指出时间和空间并非绝对和独立的，而是相对和相互依存的。具体而言，随着物体的相对运动，时间会相对膨胀，长度会相对收缩。因此，时间和空间不再是绝对的概念，而是与观察者的状态有关的相对概念。

后来，数学家闵可夫斯基根据狭义相对论提出了四维时空的概念，将时间和空间统一起来。根据这个理论，时间和空间被视为构成时空的两个相互关联的维度。这个四维时空概念揭示了时间和空间的相对性，以及它们与物体和观察者的运动状态之间的关系。

关于“事实”，在哲学中有两个重要且不同的概念：经验事实和概念事实。[1]经验事实是基于直接观察和感知而获得的事实，是通过感官对世界的感知和实际经验所获得的知识。例如，人看到太阳升起和落下是一种经验事实。而概念事实是基于概念、推理和理性思考而获得的事实，是通过理性思考、逻辑推理和抽象概念化过程得出的结论。例如，通过推理，人可以得出所有的麻雀都是鸟这一概念事实。

狭义相对论对牛顿物理学体系提出了直接的挑战，彻底颠覆了人们一直以来认为是理所当然的观点和假设。牛顿的理论中所谓的绝对时间和绝对空间被揭示为是错误的概念事实，而非真实存在的经验事实。这个发现让人们感到谦卑和惊讶，意识到自己过去所认为的事实实际上是错误的。这样的认识使我们反思和重新评估我们对世界的理解，并强调了科学的不断进步和修正的重要性。

狭义相对论主要适用于惯性参考系（即没有受到外力影响的参考系）中的物理现象，涉及到匀速运动的物体和特殊情况下的引力。与之相比，广义相对论的适用范围更广。

广义相对论。狭义相对论的提出揭示了空间和时间的相对性，同时将它们统一为一个整体，形成了时空的概念。而广义相对论则更深入地探究了时空和引力的本质。

在经典物理学中，存在着绝对时间和绝对空间的观念。绝对时间意味着时间的流逝是独立于任何物体或观察者的参考系的，而绝对空间则是由笛卡尔坐标系所定义的欧几里得空间。例如，在这个框架中，太阳系被描述为地球和其他行星围绕着太阳运转的系统。太阳是太阳系的中心，它拥有比地球大109倍的直径和大约33万倍的质量。实际上，太阳的质量占据了整个太阳系总质量的99.8%。按照经典物理学的观点，行星绕太阳运动的轨道大致是椭圆形的。这样的描述几乎是大多数人对太阳系的认知图景。

然而，根据广义相对论，质量和能量会使时空发生弯曲，形成引力场，因此，引力被视为时空弯曲效应，而不是一种力。在引力场中，物体沿弯曲时空中的测地线（在弯曲时空中的最短路径）运动。在这个理论框架下，太阳的巨大质量会使周围的时空发生弯曲，行星在这个弯曲的时空中沿着测地线运动，形成了椭圆轨道。由此可见，在广义相对论的视角下，牛顿物理学中的空间、时间和引力的观念都需要被重新解释。

在相对论的新范式下，人们可以看到许多新的事物和概念，这些新的观点和概念改变了我们对时间、空间和引力的理解，并且为人们提供了一种全新的框架来解释物理现象。

信仰反思。在旧约时代，上帝子民的生活基于摩西律法。这些律法被犹太教总结为613条诫律，成为每个犹太人绝对必须遵守的规定。然而，耶稣将律法和先知的教导概括为一条黄金法则：无论何事，你们愿意别人怎样对待你们，你们也要怎样对待别人。（太7:12）

“黄金法则”这个名字体现了它的重要性和普适性，而其内容则暗示了它的相对性和特殊性。不同的时代、不同的文化、不同的年龄和性别，在遵循这个命令时可能会有不同的行为表现。因此，并没有一种绝对正确、适用于所有人的待人方式。

尽管黄金法则是一条普遍适用的准则，但我们也必须考虑到个体差异和特殊情况。每个人有自己独特的背景、信念和价值观，这些因素会影响他们对待他人的方式。因此，我们需要以尊重和理解的态度对待他人，并根据具体情况去体现黄金法则的精神。

2、第二个支柱：量子力学

相对论是爱因斯坦一人的杰作，而量子力学则是由许多物理学家前赴后继共同搭建起来的一座大厦。尽管量子力学的数学框架已经被广泛接受并成功应用于许多物理现象的描述，但其哲学和解释方面仍存在着不同的观点和争议。

起源与发展。以下是量子力学这座大厦建造过程中的几个重要里程碑。

在1900年，普朗克（Max Planck，1858-1947）提出了能量量子化的概念，将量子的观念引入物理学。这为量子力学的发展奠定了基础。受普朗克的启发，爱因斯坦于1905年 提出了光量子（光子）的概念，并为光电效应提供了解释。1913年，玻尔（Niels Bohr, 1885-1962）提出了原子结构的模型，描述了电子在原子中的能级跃迁现象，为量子力学奠定了基本框架。

1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger；1887—1961）提出薛定谔方程，用波函数完全描述微观粒子的量子状态，该方程在量子力学的地位和作用相当于牛顿定律在经典物理学中的地位和作用，为量子力学提供了一个统一的数学框架，使得可以对微观粒子的性质进行计算和预测。同年，玻恩（Max Born, 1882-1970）将薛定谔公式中的波函数诠释为概率波、描述粒子出现的可能性，而不是粒子的具体位置和运动轨迹。

1927年，25岁的海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976）提出了著名的不确定性原理，即粒子的位置与动量不能被同时确定，只有在实验室中能够观察到的物理量才有意义。这意味着经典物理学中关于固定轨道的运动概念不能用于描述原子模型，原子内部的电子也没有确定的轨道。1928年，25岁的狄拉克（Paul Dirac, 1902-1984）提出了狄拉克方程，将量子力学与狭义相对论相结合，为量子场论的发展奠定了基础，并引领了后来量子电动力学等重要理论的发展。

薛定谔的猫。在哲学上，有工具主义者和现实主义者两种观点。工具主义者认为，一个科学理论只要能够解释和预测相关数据，就可以被接受为合适的理论，而不必过多关注它是否真实反映了事物的本质。而现实主义者则更加追求一个好的科学理论能够准确地反映现实的真实情况，包括事物的本质和真实存在。

在量子力学中，薛定谔方程能够准确计算微观粒子的波函数，从而得到有关粒子位置、动量、能量等物理量的概率分布。从工具主义者的角度来看，这样的理论非常有用，因为它能提供准确的预测和解释。对于薛定谔方程所揭示的现实本质，玻尔等人提出的哥本哈根解释被广泛接受，认为量子系统在观察之前存在于一种叠加态中，即同时具有多个可能的状态。观察过程会引起波函数的坍缩，使系统选择其中一个确定的状态。但薛定谔本人对此却不接受。

为了反对这种解释，薛定谔提出了一个著名的思想实验，即将一只猫关在一个装有少量镭和毒物的盒子里。镭具有可能发生衰变的特性，如果发生衰变，就会触发释放毒气的装置，导致猫的死亡。由于镭的状态可以被描述为同时处于衰变和不衰变的叠加状态，猫因此处于既活又死的叠加状态，直到盒子被打开进行观察时，才会决定猫的生死。然而，这只被称为“薛定谔的猫”的情况在直观上存在逻辑上的悖论，因为我们在日常经验中不会遇到同时处于两种相互矛盾状态的物体。

除了哥本哈根解释之外，对薛定谔方程还存在一些其他解释和诠释方法，例如多重宇宙、退相干和隐变量理论等。这些解释方法仍然在学术界存在争议，尚未达成定论。多重宇宙观已经被一些富有想象力的人接受，并被用来构建各种有关穿越宇宙和时空的文学作品。然而，对于现实主义者来说，对量子力学理论的真实性和可靠性仍然存在疑问，因为他们期望科学理论能够满足更严格的实在性要求。这个问题仍然是科学界的一个重要研究领域。

坚定的信念。科学家们对现实的信念确实因个人观点和科学理念的不同而各有所偏好。他们渴望科学理论能够准确地反映现实，并努力寻求更全面、一致的解释。然而，现实的本质是一个复杂而深奥的问题，至今仍没有得到完全解答。

薛定谔对于哥本哈根解释中的波函数坍塌和观察者的角色持有保留态度，这与他对现实的现实主义倾向有关。他对量子力学的解释有自己独特的见解，试图寻求更加客观和确定性的描述方式。

爱因斯坦的名言“上帝不会掷骰子”被广泛认为是对哥本哈根解释的质疑和反驳，体现了他对量子力学中的概率性解释的不满。他坚信物理现实应该具有确定性和可预测性，而不是基于概率的随机性。

另外，狄拉克强调物理方程式的美和优雅，他认为自然的法则应该用优美的方程式来描述。[2]这反映了他对物理学的核心信念和对现实的追求。

综上所述，物理学家对于现实的观点和信念各有差异，他们努力寻求更深刻和完善的理论，以更好地理解和描述自然界。尽管存在不同的观点和解释，但这些信念都反映了他们对客观现实的尊重和追求。

信仰反思。根据量子力学的理论，存在观察者效应，即观察者的存在和观察会影响系统的状态和性质，而不存在独立于观察者的绝对性特性。类似地，这种效应也可以在人的道德和正义观念中找到共鸣。例如，在耶稣所讲的比喻中，那谦卑认罪的税吏反而比那严格遵守律法的法利赛人倒算为义了（路18:9-14）。

根据法利赛人的看法，一个人是否被认为是义，完全取决于他是否严格遵守摩西律法。他们以此标准衡量自己的行为，并自以为能够准确判断善恶。这种自满和骄傲导致他们对其他人，如税吏，产生了鄙视之情。

然而，耶稣所传达的信息是，上帝的眼光与人的眼光截然不同。上帝看重人的内心态度和悔改的诚意，而不仅仅是行为的表面规范。税吏虽然没有严格遵守律法，但他却谦卑地承认自己的罪过，并向上帝祈求赦免。正是因为他的悔改和对上帝的依赖，他在上帝眼中被看作是义。

3、根本性问题

第二次物理学革命对牛顿力学的观念进行了颠覆，为我们对世界的构成和时间的本质提供了更深刻的认识。

世界的构成。世界到底由什么构成？自古以来，哲学家和科学家们一直不断地寻求这个问题的答案。在这个探索的过程中，相对论和量子力学等科学理论都做出了重要贡献。作为当代的理论物理学家和循环量子引力理论的主要创始者之一，卡洛·罗威利（Carlo Rovelli，1956-）就这个问题为我们提供了一条时间线。[3]

古希腊哲学家德谟克利特（Democritus, 460 BC - 370 BC）认为，整个宇宙是由一个无边的空间组成的，其中存在着无数个除了形状之外别无其它属性的原子，这些原子在不断运动。[4]这个古老的原子理论在将近两千年后被爱因斯坦证实了。[5]

在牛顿力学中，宇宙被认为由一个巨大的无限空间组成。在这个空间中，随着时间的流逝，粒子在力的作用下相互运动和相互吸引。这些力可以用精确而有效的方程式来描述。[6]

然而，法拉第（Michael Faraday, 1791-1867）揭示了电磁力，并提出了一种全新的概念，即存在着一种弥漫在空间中的实体，被称为场。这个场可以被电荷和磁体所改变，并对它们产生推和拉的作用。[7]随后，麦克斯韦（James Maxwell, 1831-1879）通过推导一组方程来描述电磁场，这被称为麦克斯韦方程组。[8]

爱因斯坦提出的狭义相对论以时空取代了传统的空间和时间的概念。随后，在广义相对论中，他进一步提出空间和时间不是与自然界的其他部分不同的实体，时空是一个场。这意味着世界由场和粒子组成。[9]

狄拉克提出的狄拉克方程式同时遵循狭义相对论和量子力学的原理，这表明光子、电子和所有其他粒子都是场的量子，具有粒子性质并服从量子概率。简而言之，粒子是场的量子表现形式，而所有的场在相互作用中都展现出一种颗粒结构。[10]

很多理论物理学家致力于将量子力学和广义相对论结合起来，以实现对引力场的量子化描述。其中，回圈量子重力理论（Loop Quantum Gravity）是一个在上个世纪八十年代后发展起来并产生较大影响的理论。根据这个理论，所有的基本粒子都可以视为量子场的量子，而空间本身也是一种场，时间则是在这个场的演化过程中形成的。

回圈量子重力理论认为，宇宙的构成是由不同的量子场相互叠加而形成的。有些场甚至不需要时空作为基础和支撑就可以存在，并且能够自行产生时空。这些场被称为协变量子场（covariant quantum fields）。在这个理论中，世界、粒子、光、能量、空间和时间都只是协变量子场这一实体的不同表现形式而已。[11]

世界的构成[12]

经过不断的努力，科学家们在探索世界的构成方面取得了显著的进展。尽管量子引力理论仍在不断发展和探索中，但它为我们提供了一种更深入理解宇宙本质的视角，让我们能够追寻对世界构成的更深层次的认识。

时间的奥秘。如果时间是在场的演化过程中形成的，这就意味着关于时间的传统观念也被颠覆。[13]

时间没有统一性。根据相对论的理论，时间并不是绝对的，而是依赖于观察者的参考系和其所处的引力场，在不同的地点和速度下流逝得不同。此外，事件之间的时间间隔也是相对的，不同的观察者可能会感知到相同事件发生的不同时间间隔。[14]

基本物理定律在时间上是可逆的，这意味着物理过程可以在时间上以相反的方式进行，没有过去和未来。尽管人们在日常生活中感受到的时间似乎有一个明确的流逝方向，但那只是一个哲学和心理学上的问题。[15]

时间没有当下性。由于光速有限，人在观察远离地球的星体时，看到的是它们过去的状态。这意味着地球上的某一时刻与另一个星球上的时刻之间存在着时间延迟。时间的范围是局部的，而不是全局性的。因此，“宇宙的当下”这样的表述是没有意义的。[16]

时间没有独立性。它并不是一个单独存在的实体，而是与空间紧密相连的，与物体的运动和变化密切相关。牛顿力学中那种绝对的、真实的、数学意义上的“时间”并不存在。相反，时间是人类为了描述和测量事物的运动和变化而构建的抽象概念，用来描述物体的相对运动和变化，而不是一个独立存在的实体。[17]

时间没有连续性。在量子世界中，存在着一个最小的时间单位，称为普朗克时间。这意味着时间在微观尺度上是离散的，以一段一段的方式进行跳跃。当然，在宏观尺度上，这种离散性是微不足道的，人在日常生活中感受不到。[18]

时间没有确定性。在量子物理学的框架下，粒子可以同时处于多个不同状态的叠加态。类似地，根据一些理论和解释，时间也可以被视为处于叠加状态，使得事件可以同时存在于过去和未来。这种观点挑战了传统的经典物理学观念中关于时间的确定性和顺序性。[19]

需要指出的是，关于时间的方向性和确定性的理论和解释仍然是科学界的活跃研究领域，目前还没有定论。但这些概念提出了对时间本质的新的思考，并进一步深化了我们对时间的理解。

信仰反思。光从火星到达地球平均需要十二分半的时间。也就是说，我们在“当下”看到的火星，实际上是十多分钟之前火星的样子。如果人将来能移民火星，那么对于火星人来说的“当下”，对地球人来说却是“将来”。也就是说：我们所说的现在对别人来说可能是过去，也可能是未来。这样看来， “主看一日如千年，千年如一日”（彼后3:8）并非虚言。

小结

在过去的两千年中，哲学家和科学家们在探索宇宙真相的道路上取得了令人惊叹的进展。他们建立了许多理论，从亚里士多德到牛顿，再到爱因斯坦等科学家们，每一位学者都在前人的基础上发展和完善了他们的理论，推动了人类对世界的认知不断向前迈进。

在这个过程中，我们目睹了传统观念的被挑战和颠覆。新的科学理论不仅仅是对过去知识的扩展，更是对旧有观念的根本改变。科学家们的思维方式和研究方法也在不断演变和发展，以适应新的发现和问题的提出。这使我们对微观世界和宏观宇宙的运作机制有了更清晰的理解，同时也让我们意识到自己对宇宙真相的认知仍然有限，还存在许多未解之谜和问题等待我们去解答。

其中一个引人注目的领域是量子力学。量子力学中的测量过程可以导致波函数坍缩，从而确定粒子的特定状态。有一些学者认为，观察者的意识和觉察可能在这个过程中起到了作用，即意识的介入可能会影响量子系统的行为。然而，意识是一个复杂而深奥的概念，学者们对意识的研究仍在进行中，并没有达到最终的结论。他们从不同的角度，如神经科学、心理学和哲学等，探索着意识的本质和意义。

在下一章中，我们将深入探讨学者们对意识的研究和相关的理论。我们将探讨意识的定义、起源和作用，并了解不同学派的观点和理论。通过对意识的探索，我们可以更好地理解宇宙的本质和人类自身的存在意义。

[1] 理查德·德维特著，孙天译。《世界观：现代人必须要懂的科学哲学和科学史》（原书第2版）（北京：机械工业出版社，2018），第三章。

[2] John Polkinghorne, Belief in God in an Age of Science (Yale University Press; Revised ed., 2003), p.2.

[3] Carlo Rovelli, Reality Is Not What It Seems: The Journey to Quantum Gravity. (New York, NY: Riverhead Book, 2014). 本书已翻译成中文：《现实不似你所见：量子引力之旅》，由湖南科学技术出版社于2017年出版。

[4] Ibid., p.20.

[5] Ibid., p.29.

[6] Ibid., p. 53.

[7] Ibid., p.55-57.

[8] Ibid., p. 59-62.

[9] Ibid., p. 108.

[10] Ibid., p. 127-129.

[11] Ibid., p. 192-193.

[12] Ibid., p. 193.

[13] Carlo Rovelli, The Order of Time (New York, NY: Riverhead Book, 2017). 这本书也已经有中文版：《时间的秩序》，由湖南科学技术出版社于2019年出版。

[14] [14] Ibid., p.9-17.

[15] Ibid., p.27.

[16] Ibid., p. 45.

[17] Ibid., p. 67.

[18] Ibid., p. 83-85.

[19] Ibid., p.87-88.