吴西风：物理是对真实世界的描述吗？(图)

物理只是用数学模型来理解真实世界，但却不是真实世界本身。（图片来源：Adobe Stock）

【看中国2021年2月25日讯】物理是用数学模型来理解、预言实验测量结果。这个数学模型是抽象的，和真实世界有一定的联系，却不是对真实世界的直接描述，不能将物理体系与真实世界混为一谈。

即使经典物理，比如牛顿的力学体系，也是抽象的数学模型，虽然在这个模型里几乎所有的物理量都是可以测量的。牛顿力学体系建立在一系列假定和抽象概念之上，比如绝对时空和惯性系，是对真实世界的理想化、模型化和一种猜测。这和文学作品建立的体系（比如《红楼梦》中的贾氏家族和大观园）与真实世界的对应关系有着类似的地方。

在真实世界里，没有一个参照系是真正的惯性系，因为牛顿第一定律定义了惯性系：一个不受任何外力（并非外力之和等于零）的参照系。惯性系是真实世界某种程度的近似，只存在于头脑想象的数学空间里；而牛顿力学描述的是惯性系里物体运动的规律，不是对真实世界里物体运动的直接描述。牛顿力学可以推广到非惯性系，但仍需参照一个在真实世界里并不存在的惯性系；不首先确立惯性系，就无法使用非惯性系来作计算。

而牛顿假设的绝对时空并不正确，不符合现在对时间精确的测量结果。在牛顿当时的观测条件下，这个假设以及牛顿力学的计算结果，符合几乎所有的观测数据（仅有一个例外：水星近日点的进动误差）。因而牛顿力学曾被认为是对真实世界的描述，直到科学家发现某些涉及高速粒子运动的现象，基于绝对时空的牛顿力学无法解释；而现今高精度的时间测量，否定了绝对时空的假设。

牛顿力学另外一个假设是物理量的连续性，这也和当时的实验数据吻合，直到19世纪末，对于微观粒子的测量表明，牛顿的这个基本假设也不正确，导致牛顿力学无法解释微观粒子的运动。牛顿力学不是对于一两个微观现象失效，而是对于几乎所有的微观现象，牛顿力学的计算预言和测量结果都截然不同。

现在大概没有一个科学家认为牛顿力学是对真实世界的描述，它只是对真实世界在一定范围内的有效近似。超过宏观、低速这个范围，牛顿力学就失效了，因为牛顿的两个基本假设，物理量的连续性和时空的绝对性，分别在微观和高速（和光速相比）情况下显著失效，导致牛顿力学的计算结果和实验观测数据大相径庭。即使在宏观、低速条件下，只要测量的精度足够高，也会发现牛顿力学的预言和实验结果有微小的差别。这种极其细微的差别，可以通过量子力学和相对论的计算来修正。

量子力学和相对论，分别以量子性原理和相对性原理取代了牛顿力学的这两个基本假设，并以此作为出发点，分别建立了自己的数学模型和物理体系。任何数学模型不符合量子性原理或相对性原理，就不能正确预言微观粒子或高速粒子的运动，也就不是一个对于微观世界或高速粒子有效的物理理论。试图绕过量子性或相对性建立一个对微观、高速有效的物理体系是徒劳。量子力学和相对论不仅对于微观、高速有效，也同样能够精确地预言宏观、低速世界，只是远远不如经典物理的计算简捷方便。

那么当代物理的两大基本理论，量子力学和相对论，是对真实世界的描述吗？尽管到目前为止，没有任何一个实验现象违反了量子力学或者相对论，我们依然不能确信量子力学和相对论是对真实世界的描述。

理由如下：

（1）和经典物理不一样，量子力学描述的是抽象的波函数随时间的演变。波函数不是可以测量的物理量，而是纯粹的数学概念，其值在通常条件下是复数，不存在于真实世界。物理学家通过求解量子力学方程得到波函数，通过波函数进而计算出能被测量的物理量的分布，这个理论分布可以和实验测量到的分布相比较。

（2）量子力学和广义相对论并不相容，二者最多只能有一个在更普遍的范围内，也就是说必须同时使用量子力学和广义相对论的情形下（目前还没有直接观测到的数据），是正确的。

（3）今后在技术上可以不断提高测量精度，重新对已知的实验现象进行观测，量子力学和相对论的预言，无法保证依然符合测量的结果。

（4）今后可以测量的范围越来越广，无法保证在今天未知的观测范围内的结果，会符合量子力学和相对论的预言。

（5）量子力学和相对论并非是唯一（或者说唯二）的符合测量结果的理论（数学模型）。现今有很多种其他理论，也能作出和现有观测结果一致的预言。那么哪种理论才是对真实世界的描述呢？比如在宏观、低速的条件下，牛顿力学和量子力学+相对论的预言都和实验结果几乎完全一致（二者细微的差别在今天使用最精密的仪器最也极难测量到，只在特定的一些情况下测到了——这是近年来比较热门的宏观量子物理学），那么是牛顿力学还是量子力学+相对论，是对真实（宏观、低速）世界的描述？

（6）物理学家只能判断一个数学模型的计算结果符合还是不符合测量的数据。而测量结果和真实世界并非总是一致的。测量会改变被测量的体系，尤其是微观体系，测量导致的微观体系的改变不可忽略。并且一次测量仅能反映真实世界的某一方面，真实世界的某些方面，不一定能够被测量。

（7）真实世界的存在与否是个悬而未决的问题，无法排除我们所感知的和测量的，其实是个精心设计的模拟程序的运行结果。“真实的世界”可能并不存在，只是我们的感知所造成的幻觉。

（8）我们的感知影响着实验观测，也就是说，实验观测既是客观的，也是主观的，我们难以分清客观和主观对于测量结果的影响程度。

即使将来产生一种新的、更成功的理论，取代量子力学和相对论，也无法确信这个新理论是对真实世界的描述。我认为这个新理论，更有可能是对头脑中根据想象建立的数学世界的更为抽象的描述。物理是不是对真实世界的描述？大概永远也没有办法知道。物理只是对真实世界的猜测，如果真实世界真的存在。

物理学家其实不怎么关心这个哲学问题。他们关心的是，现有的理论能否有效地、实际地解释、预言测量结果，能否发现或建立更为简单和谐、更为统一基本、更具美学价值的理论，可以有效地解释所有的测量结果。

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