01.09 一場革命正在席捲經典物理學

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經典物理學的方程精確描述了由大爆炸初始條件下所決定的世界的演化,這意味著一切絕非偶然。然而,我們的日常經驗和直覺卻常常與這種確定性的觀點相悖——一切真的都是事先寫好的嗎?隨機性僅僅是一種錯覺嗎?


瑞士日內瓦大學的物理學家尼古拉斯·吉辛(Nicolas Gisin)一直在分析現代物理學中使用的經典數學語言。他發現,解釋我們周圍現象的公式和有限的世界之間存在矛盾。他建議對數學語言進行修改,使隨機性和不確定性成為經典物理學的一部分,從而使其更接近量子物理學。他將這些觀察和思考發表在《自然·物理學》雜誌上,一場革命正在席捲經典物理學,併為未來的潛在改變鋪平了道路。


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在經典物理學或“牛頓體系”中,人們普遍認為從大爆炸開始,一切就已經註定了。世界的演化是由一些數學公式來解釋,這些公式以最精確的方式從初始條件展開,來描繪這個世界。為此,物理學家運用

經典數學的語言,用實數表示這些初始條件。吉辛說:“這些數字的特點是小數點後面有無限位小數,這意味著它們包含無限量的信息。”

這種典型的實數有很多,它們都由一系列完全隨機的小數組成,最為人所知的π只是其中之一。我們在日常生活中很少需要用到它們,但它們的存在是經典數學中公認的假設,這些數出現在物理學的許多公式中。


然而,有一個問題:既然我們的世界是有限的,那麼它怎麼能包含無限的數字和具有無限信息量的數字呢?為了避免這種“有限包含無限”的矛盾,吉辛教授建議回到經典物理學的源頭——改變數學語言,這樣我們就不必再依賴實數。


20世紀20年代,數學界有一場經典的“世紀辯論”,辯論的雙方分別是德國著名數學家

希爾伯特(David Hilbert)和荷蘭數學家布勞威爾(L. E. J. Brouwer)。希爾伯特強調數學的形式化,在形式化數學中,每一個實數及其無窮的小數位數都是一個完整的個體對象

而布勞威爾則持另一種觀點,他認為直線上的每一點都應被表示為一個隨著時間發展而不斷髮展的過程,這種觀點被稱為直覺主義數學。直覺主義數學將那些實數表示為一個隨時間發生的隨機過程,一位接一位的小數,所以在每個給定的時刻,小數點後只有有限位的小數,也就是有限的信息量。儘管布勞威爾也有許多著名的支持者,包括赫爾曼·魏爾(Hermann Weyl)和庫爾特·哥德爾(Kurt Gödel),但顯然,布勞威爾在這場辯論中“失敗”了。但在吉辛看來,直覺主義數學恰恰可以解決經典物理學中用無限來解釋有限的矛盾。


經典數學和直覺主義數學這兩種數學語言之間還有另一個區別,就是命題的真實性。在經典數學中,根據排中律,一個命題非真即假。但在直覺主義數學中,一個命題要麼為真,要麼為假,要麼不確定。因此不確定性在直覺主義數學中是可以接受的。這種不確定性比經典物理學所提倡的最絕對的決定論更接近我們的日常經驗。


此外,量子物理學中也存在隨機性。吉辛教授說:“有些人試圖不惜一切代價避免隨機性,把其他基於實數的變量包括進來。但在我看來,我們不應該試圖通過消除隨機性來使量子物理學更接近經典物理學。恰恰相反,我們最終必須通過引入不確定性,使經典物理學更接近量子物理學。

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我們對世界的看法是通過我們所說的語言而構建的。如果選擇經典數學的語言,我們將很容易繞著決定論思考;相反,如果選擇直覺主義數學的語言,我們將很容易趨向不確定性。

吉辛教授解釋說:“我現在認為,我們已經接受了太多經典物理學的假設,這意味著我們已經整合了一種或許毫無理由的決定論。另一方面,如果我們選擇將經典物理學建立在直覺主義數學的基礎上,它也將變得不確定,就像量子物理學一樣,並且將更接近我們的實際經驗,為我們的未來打開其他可能性。”


吉辛教授認為,這種語言的變化不會改變迄今為止的研究結果,但它會使人們更容易理解量子物理學,最終放棄“一切註定”的世界觀,為新的視角、隨機性、機會和創造力騰出空間。


https://www.unige.ch/communication/communiques/files/2615/7831/9292/Indeterminist_physics_for_an_open_world_.pdf

https://www.nature.com/articles/s41567-019-0748-5


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