不一样的科普：现代物理学的三个十字路口

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引子：奇怪的现状

两个相互矛盾的陈述不能同时为真，真理只有一个，真相只有一个；还有语用一致性（Pragmatic Consistency）即结论不能与真实世界矛盾。这就是逻辑一致性（Logical Consistency）。每一个理论都是一个完整的逻辑体系，一个理论是不是正确，最基本的要求是理论没有逻辑矛盾和漏洞，所有的理论的逻辑链条都必须完整自洽，都必须满足逻辑一致性（Logical Consistency）要求。物理理论为解释客观世界而存在，而不是为证明一个理论正确而创造一个宇宙来满足这个理论的要求。

一个小寓言

大山里的一个家庭最值钱的财产是家里养的一只动物。这只动物是什么呢？家庭成员们却有差异看法。


 公公说：这是一只神奇的鹿。


 婆婆说：这是一匹矫健的马。


 儿媳妇说：啥呀！就是一头蠢驴。


 儿子无奈地说：其实，就是一头猪而已。

我们生存在同一个宇宙，却存在着经典物理学、相对论、量子力学和弦理论4种互不相容的物理理论。可以说是公说公有理婆说婆有理。有意思的是，理论物理学也存在着一个鄙视链，经典物理学就处在这个鄙视链的最底端，相对论和量子力学认为经典物理学是一个落后的理论，弦理论又认为相对论和量子力学终将会被弦理论所取代。哪种理论正确呢？我们知道，能够自洽解释宇宙所有未解之谜的理论才能称之为终极理论。目前，哪个理论能够达到终极理论的标准呢？答案是：没有！没有一个理论可以逻辑一致性地解释宇宙所有的问题！这意味着目前所有的理论都不完备！换句话说，如果哪个理论完全正确，哪里还有这么多问题？物理学早就可以完整划上句号了。 

量子是什么？目前的标准答案是量子具有波粒二象性。但是，当弦理论于20世纪80年代横空出世之后，这个答案早已经过时了。弦理论认为量子既不是粒子也不是波，而是差异震动模式的弦。因此，目前的量子不是具有波粒二象性，而是具有了波、粒、弦三象性。现状是，一种事实，三种表述！即波动说表述、粒子说表述和弦说表述。哪种理论的观点正确呢？对同一只动物，我们能说它是鹿，是马，又是驴吗？但是，现实就是这样荒谬。类似的问题还有很多。

说量子，大多数人没有明确的概念，具体一些问题就更清楚。例如，光是什么？电子是什么？无线电是什么？它是粒子？是弦？还是电磁波？还有，物质的本质是什么？以什么形式构成？质量从哪里来？万有引力如何产生？如何作用？为什么要把宇宙空间中不知名物质和不能解释的能量区别命名为暗物质和暗能量？黑洞是什么？它是一个空洞吗？这是一个知识大爆发的时代，也是一个疑惑丛生的时代。什么是真相？什么是真理？面对未知的世界，我们依凭什么思想的指引走向未来？ 

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三个十字路口

对现代物理学史，人们谈论最多的是著名的两朵乌云，“紫外灾变”导致了量子力学的诞生；迈克尔逊——莫雷实验导致了相对论的诞生。其实，这只是表象，真正可以改变物理学发展方向的是三个著名或不著名的实验。

我们常说，实验是检验真理之本，“一个漂亮精巧的理论总是被一个简单的实验轻易地摧毁”。是的，一个反例就能摧毁一个逻辑体系！我们知道，一个理论是不是正确，不仅要符合客观事实，还需要可重复的实验验证。但是，现在这一科学原则已经无人遵守。一个实验可以判定一个理论的“生死”，哪个理论会“束手就擒”呢？因此，现代物理学的这三个实验成为了矛盾的焦点，对这三个实验的差异解读，决定各个理论的命运，也改变了物理学的发展方向。

第一个实验：1801年的杨氏双孔（双缝）干涉实验。

实验结果显示，光和电子都会产生同样的明暗干涉条纹，既使是精确地用最小单位的光或电子也会产生同样的明暗干涉条纹。事实证明，只有真正的波才会产生干涉条纹，托马斯·杨的双缝实验无可辩驳地证明了光和电子的波动特点。双缝干涉实验是支持波动说的一个决定性实验，是经典物理学的逻辑支柱之一。无论是狭义/广义相对论，还是量子力学，粒子说的理论至今无法自洽地解释1个粒子是如何同时穿过双条缝并在屏幕上产生了干涉条纹。无数条狭缝就需要分裂为无数个粒子，一个粒子如何分成无数个粒子？无数个粒子如何相互干涉？因此，对粒子说学派来讲，双缝实验是一个无法逾越的鬼门关。

怎么办？粒子说的理论就此“束手就擒”吗？那是不可能的。于是，为了粒子说这个学派的“生存”，粒子学家们一个解释不能自洽，就创建一个新的解释，结果，奇迹真的出现了。

我们简要介绍一下粒子说的量子力学理论部分的几个解释。 

哥本哈根诠释。当不去观测粒子到底通过了那条狭缝时，它就会同时通过了两条狭缝并产生干涉条纹；当去测量粒子具体通过哪条狭缝时，粒子就选择一条狭缝穿过而不会产生干涉条纹。测量是哥本哈根诠释的核心，测量行为“创造”了整个世界。例如，只要不观测，月亮就处于存在与不存在的状态。有趣的是，人择原理必然推导出神择原理，因为宇宙需要一个无处不在的有智能的观测者以让宇宙的每个角落同时保持存在。

延迟实验解释。人择原理的增强版。所谓的“延迟”指的是粒子通过双缝后再来选择粒子究竟是通过了一条缝或是同时通过了两条缝，即用结果决定原因。

路径求和解释。为了摆脱观测者，费曼的解释是粒子从A地运动到B地，它并不具有经典理论中所描述的那样有一个确定的轨道，而是一种所有可能运动路径轨迹的叠加。

多世界解释。这就是大名鼎鼎的平行宇宙理论。为了摆脱观测者，埃弗雷特的解决方法是，粒子穿过双缝的一瞬间，宇宙就在瞬间分裂为两个一模一样的宇宙，在一个宇宙一个粒子从左侧缝隙穿过，另一个宇宙里一个粒子从右侧缝隙穿过来绕过双缝难题。请注意，从双缝分裂后的平行宇宙永远分离并且不再相关联，另一个粒子如何回到同一个宇宙并产生干涉条纹呢？ 

多维度解释。让两个粒子区别穿越差异的空间维度来取代平行宇宙理论分裂后无法再合并的两个宇宙。即让一个粒子变成“鬼”粒子穿过抽象的n维空间来绕过双缝难题。 

综上所述，量子力学的理论部分都不过是双缝干涉实验的差异版本的解释而已，这些基于粒子说的解释都纠结于一个粒子怎么样同时穿越两条狭缝，问题是，两条狭缝的解释都不能自洽，那么，更多狭缝时怎么办呢？例如偏光眼镜有数十万条狭缝，如何解释一粒光子同时穿越了十万条狭缝同时到达了我们的眼睛呢？最重要的问题是，“丑媳妇总是要见公婆的”，无论让量子怎么样“掩耳盗铃”绕过双缝选择难题，所有解释双缝干涉实验的理论都必须自洽地解释量子在同时穿过两条狭缝后怎么样相互干涉并产生干涉条纹这个终极问题。可惜，没有一个粒子说的理论能够自洽地解释这个简单的问题。

《查找薛定谔的猫》的作者约翰·格里宾总结道：许多量子学家设计一些实验并不是为了解释疑惑，而是想告诉众人量子力学的本质就是奇异性的。他们认为量子理论最显著的特点之一就是存在着许多关于这种存在“究竟意味着什么的”的差异解释。就其哲学基础而言，这些解释之间大多是相互矛盾的。量子理论看起来对许多相互之间相互排斥的解释都是允许的。就像在实验中光子同时通过双孔（双缝）一样，在某种意义上，所有的解释都是正确的，有一些物理学家并不试图说明哪一些解释是正确的，而是建议我们从各种差异的解释中多少了解了解一下量子世界，将所有的观点都考虑进去，将其看成各种可能的叠加。事实上你可能会发现有少数物理学家（这些人根本就不愿意去思考这些事情）顽固地坚持一种观念，那就是他们所喜欢的哪种解释才是正确的，而其他的解释“显然”都是错误的。［《查找薛定谔的猫》354页]  

面对这些相互矛盾的解释，我们不仅要问，什么是量子力学？哪种解释可以代表量子力学（总不能说所有的差异的解释都正确吧！）？但是，目前的现状是，所有的解释都被认为是正确的。如果用科学的标准来看，这些解释在逻辑上都不能自洽。但是，这个问题难不倒粒子学家们，不符合客观逻辑是吧？那就修改逻辑的定义，不符合客观逻辑的逻辑也是一种逻辑。不是量子理论出现了奇异性，而是客观世界本来就是奇异性的，量子理论只是指出了这一点。厉害吧？ 

在抛弃了客观逻辑之后，这些相互矛盾的解释都成为了量子力学的一部分。粒子说不仅不仅没有被双缝干涉实验摧毁，反而越来越壮大，并且建立了一个粒子标准模型，最重要的是，还主导了理论物理学的话语权。但是，双缝干涉实验至今仍是粒子说两个理论的梦魇。从某种意义上讲，现代理论物理学都是围绕双缝实验展开的争论。 

第二个实验： 1859年的斐索实验。

斐索为了验证菲涅尔的“以太部分曳引假说”而做的一个流水实验，实验的目的是为了考察介质的运动对在其中传播的光速有何影响，从而判断以太是不是被拖曳。

实验细节是光束由光源发出后，经过半透镜后分为两束，一束光与水流方向一致，另一束光则与水流方向相反，检验光程相同但方向相反的两束光在观察者处是不是会产生光程差。实验显示，两束光程相同、在透明介质中运动方向相反的光在观察者处产生了光程差。当水开始高速流动时，干涉条纹随着水的运动速度的变化而变化，水流速度越高，观察到的干涉条纹变化越大。速度越低，观察到的干涉条纹变化越小。换用空气这种空间介质，观测发现条纹变化比较小。

实验结果显示介质的运动对在其中光的传播产生了影响，两束光在观察者处产生干涉条纹会随介质运动的速度变化而变化。这意味着，空间介质运动速度改变了光的相位差，也就是改变了光的传播速度。证明光速会与空间介质的运动速度叠加或递减。当时的人们认为实验验证了菲涅尔 “以太部分曳引假说”。 

问题是，人们没有意识到斐索实验中光速与空间介质的运动速度叠加或递减所揭示的深远意义——证明了光速受运动介质运动速度的影响，即光速可变，这个实验可以证明后世狭义/广义相对论的理论基础——“真空中光速不变原理”不成立。我们知道，一个理论建立在错误假设基础上，那么这个理论就是错误的理论。这个实验完全可以阻止狭义/广义相对论的理论的建立。但是，人们只是认为验证了菲涅尔的“以太部分曳引假说”，而没有意识到光速与空间介质的运动速度叠加或递减的深远意义。原因是当时（1887年）的迈克尔逊——莫雷实验的结论对波动说的打击实在太大，经典物理学处于风雨飘摇之中。

斐索实验是一个简单明了的实验，可以重复验证光速与空间介质的运动速度叠加或递减！这个实验对相对论来说同样是一个可怕的梦魇。相对论之所以还是主流理论，但是，斐索实验对它的“末日审判”已指日可待。

第三个实验：1887年的迈克尔逊——莫雷实验。

19世纪的以太被当作绝对静止的参照系存在，以太充满了宇宙空间，因此，行星在空间的运转就会与以太空间产生相对运动，这就是著名的“以太漂移假说”。例如地球的自转，地球表面必然会遇到每秒30公里的“以太风”。如果电磁波是以太的震动，那么，因为地球与以太存在相对运动，以太必然会对光的传播产生影响。 

1879年，麦克斯韦提出了一种探测方法：让光线区别在平行和垂直于地球运动方向等距离地往返传播，平行于地球运动的方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。1881年至1887年，迈克尔逊和莫雷按照麦克斯韦的思想设计了光干涉仪，进行了检验“以太漂移假说”实验。实验通过测量两束垂直光的光速差值来测试地球表面与空间是不是存在相对运动，来验证地球表面是不是存在“以太风”。

实验结果表明光速和传播方向在差异方向上都是相同的，即空间介质并没有影响光速的传播。人们认为这个实验地球与以太并没有相对运动，证伪了“以太漂移假说”。间接证明以太这个绝对静止参考系的存在。后世的人们认为迈克尔逊——莫雷实验验证了光速不变原理，从而动摇了经典物理学的逻辑基础。 

需要注意的是，迈克尔逊——莫雷实验是建立在斐索实验基础上的实验，即建立在运动的介质会改变光的传播方向和传播速度的认知基础上——光速可变（请注意）。事实上，迈克尔逊——莫雷实验的原理与斐索实验原理非常相近，两个实验都是为了验证空间介质的运动对光速的影响，只不之后者是制造空间介质的运动来验证光速是不是受到传播介质运动的影响，而前者则是观察光的传播方向是不是偏移来验证空间介质是不是存在相对运动。前者在已知空间介质会影响光速和使光的方向产生偏移的情况下，用光速是不是变化或方向是不是偏移来证明空间介质是不是与实验装置存在相对运动。实验显示光速没受空间介质的影响，光的方向也没发生偏移，才得出空间介质与实验装置并无相对运动的结论。

迈克尔逊——莫雷实验的确可以证明地球表面与空间相对静止，问题是，是什么原因造成了这种相对静止？问题出在哪里里呢？

事实上，在19世纪，人们对以太空间的性质还存在很大争议： 

但是，这个实验有太多的局限性，仅仅针对的是“以太漂移假说”。而事实上，当时还有两种以太假说： 

1.“以太部分曳引假说”。菲涅尔认为以太绝对静止，当一个物体相对以太参照系运动时，其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动。斐索实验证明的正是这个假说。 

2.“以太完全曳引假说”。英国物理学家乔治·斯托克斯认为把以太分成不动（以太漂移假说）和可动（以太部分曳引假说）的两部分不如假设星体能够完全拖曳一部分以太，在物体表面附近的以太有一个速度逐渐减慢的区域，星体曳引周围的这部分以太一起运动，而距离星体更远空间中的以太则完全静止。即在地球表面，以太与地球具有相同的速度，即地球完全曳引这部分以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。［《狭义与广义相对论浅说》导读第17页］因此，在地球表面附近的以太空间与地球并无相对运动。 

 （图英国物理学家乔治·斯托克斯）