牛頓是我的左腦,量子是我的右腦: 讀《為什麼量子物理學家不會失敗?》

圖片截自 goodreads

第一次讀這本書是四年多前,這是我遇到的第一本「科學哲學」[1]—— 用我能夠理解的方式,解釋量子力學的哲學意義。也就是,如果我不想要知道詳細的公式(超過我的智力上限)、計算過程,我可以從量子力學的發現學到什麼?

我還記得,當時我第一次驚奇地發現:近代物理有許多顛覆常識的理論。同時也驚恐地發現:這些科學研究並不是「最近幾年」的事,而已經發展百年,讓我瞬間感覺自己是上古時代的原始人。

後來因為這本書,我開始對量子力學感興趣,但始終沒搞懂;我喜歡它很奇怪、無法理解,但是世界上最聰明的科學家們研究了大半輩子,沒有人能說這是錯的(而是不斷確認證實)。這種科幻感。

「看起來很規律,但實際上很瘋狂也很奇怪的世界」聽起來很吸引人。

然後因為我總是搞不懂,它就總是顯得很神秘,吸引我不時去戳戳它;所以四年後的今天,我又來了。想把這本四年前讀的書,裡面印象最深的部分整理出來:兩種世界觀(世界模型)的對比。

(嗯,我也發現了。我總是忍不住把「書和我的個人故事」寫的如此話多。)

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世界觀(世界模型)

世界觀(世界模型)—— 我們對世界的基本假設、世界如何運作、有哪些基本準則 —— 在書中,作者用的字是範式(paradigms):

範式(paradigms)是我們理解世界的方式。這些範式來自最新、最準確的科學知識。範式不一定會告訴我們「做什麼」(它們通常不包括日常生活中的具體細節、或說明「如何做」);相反地,範式告訴我們「我們為什麼這樣做事。」我們的範式是「我們如何理解我們做的事情」底下的那把大傘,也是我們之所以這樣做的原因。 [2]

在書中,作者把「第一次科學革命(16-17 世紀)」的範式和「第二次科學革命/量子力學(19-20 世紀)」的範式對比。然後說:哈哈!根據最新的科學研究,「第二次科學革命」所延伸出的範式,完全跟「第一次科學革命」相反。

而「第一次科學革命」的範式就是日常生活中最常見的「常識」。

範式一:
第一次科學革命(16-17 世紀)

  1. 機械論(mechanism):每一個「東西」都是由更小的元件組成的。這些小元件都各自有可預測的功能。小元件讓更大的「東西」可以正常運作。這就是這些元件的「工作」。
  2. 決定論(determinism):每一個運動/作用力,都有一個對等的反作用。每一個運動都有原因。物體的運動,是因為有其他東西施力於其上。
  3. 分離性(separateness):觀察者和被觀察者是分開的兩個東西。一位科學家、老師、經理、管理者⋯⋯等,全都和他們觀察或實驗的對象不同且分開。
  4. 邏輯結果(logical outcomes):事情的發生是邏輯、線性的。當某個特定的結果出現,你永遠可以循線找到發生的原因。行動就像一串骨牌一樣,一個影響著另一個。

機械論、決定論、分離性、邏輯結果,是第一次科學革命影響的範式的四個特徵。

而這四個特徵如何影響我們呢?作者是這樣說的:

機械論把一切看成一個大時鐘,所有的東西都可以拆解成更小的物件。所以,如果一個東西/一件事情運作的不如預期,要做的便是找出「沒有好好工作的小元件」,修正或替換它。

決定論告訴我們,如果我們想要改變成任何事情,唯一重要的就是行動(物理性干預)。如果有不喜歡的結果,那一定是因為有「我們應該做,而沒有做」的事情,或是「我們不應該做,但是做了」的事情。重點是找出這些事情/行動是什麼,如此便能修正一切,得到理想中的結果。

分離性告訴我們,我們可以當個「客觀的觀察者」,而不影響我們觀察的事物。因此,我們也可以客觀的調整、修正它。

邏輯結果告訴我們:有任何想達成的結果,只要用邏輯去分析它所需要的各個步驟,依序進行,就能如願。

範式二:
第二次科學革命/量子力學(19-20 世紀)

但是量子物理學家告訴我們的,卻和上面這四點恰恰相反。

  1. 整體論(holism):所有的物質都是由有機、統一的整體組成,其總和大於各部分相加。
  2. 萬物一體(unity):原因和結果之間並不一定有關聯。行動不總是由另一個「外力」造成。
  3. 纏結(entanglement):觀察者和被觀察者無法分開。觀察者的觀察和期待,會變成「被觀察者」的一部分。觀察者和被觀察者可說是一件事物的兩個面向。
  4. 非線性(nonlinearity):系統不是線性的。系統不是一堆公式,「影響」和「原因」也不成比例。我們曾經以為宇宙的一切都是邏輯性的、有秩序的,但後來卻發現在有些地方,沒有邏輯秩序和一定關聯。

這四個特徵,恰恰和第一次科學革命所衍生出來的典範相反。

  • 整體論(holism):世界不是一個大時鐘,而是一個有機體。
  • 萬物一體(unity):我們細緻地互相影響,所以沒有絕對的「行動」可以造成特定的結果。
  • 纏結(entanglement):觀察者和被觀察者無法分開,所以「預期/期待」和行動一樣重要。
  • 非線性(nonlinearity):系統不是線性的,(心智能理解的)邏輯不見得可以解釋一切。

範式一 vs 範式二

而這些特性對我們的世界觀有什麼影響呢?

  • 對比機械論,「整體論」帶來「自由意志」。

在機械論(mechanism)底下,強調「什麼有用/什麼沒用」(小元件不是有發揮作用,就是沒有達到預期),是一種非黑即白的思維。在機械論的思維底下,所有的系統都是一台大機器,由內外各種力量影響者,超過一個人所能控制或影響的範圍。

但第二次科學革命告訴我們,系統不是一台機器,而是一個整體。系統不是由一群「忠實為大機器效力」的小元件組成,而是由一群「有自由意志」的部分組成。例如你的身體:身體中的細胞也有獨立於你的「自由意識」。[3]

這不是說不能夠再依賴元件,而是當「調整」沒有出現預期的效果時,可以不需要太過挫折。

  • 對比決定論,「萬物一體」認為「行動」不是一切。

這並不是說「行動」不重要。—— 在物質世界裡,行動永遠會是改變的重要步驟。—— 而是不再需要「只靠」行動作為改變唯一的途徑。

所以,你不需要因為預期的結果沒有出現,而開始自我批判自己「做了哪些錯的行動」;而你也可以停止尋找「完美行動手冊」以達到自己想要的成果,因為沒有這種東西。

  • 對比分離性,纏結告訴我們:觀察和觀察者是分不開的。

因此你的「預期」(expectations、preconceptions)和行動一樣重要。

  • 對比邏輯結果,非線性告訴我們:理想的結果不見得來自一連串、邏輯能解釋的事件。

你想要的結果,可能以想像不到的方式出現。可以有不同的方法走向「成功」;也可能事情跟你想像的完全不同,但你一樣開心。

過度解釋量子力學?

有人可能會覺得這本書過度解釋了量子力學 —— 真的可以這樣推論嗎?是不是只是把自己想要說的話,硬套在「量子力學」的名字底下?

我覺得 —— 基於我對量子力學所知太少,無法判斷有沒有過度解釋。但這本書的確沒有花很多篇幅解釋量子力學相關的實驗、歷史、詮釋,而主要以「科學家/物理學家」的名言錦句,搭配作者想說明的新典範。並以歐洲中世紀信仰的範式(賞罰分明的神)下,人們「迷信」的行為,來比喻「今日社會主流的理性思想,在兩百年後的人看起來,可能就是如此『迷信』」。

—— 行文上,確實有點戲劇化。會讓人覺得「嗯?什麼?等等!中間是不是少了很多關聯沒有說清楚?」

不過大概也正因為它很戲劇化、很容易讀,才讓我發現原來量子力學這麼有趣,而想要進一步了解。

而我自己覺得最有意思/受用的地方是:作者提出兩個不同範式的相互對比,可做為兩種不同的思考框架。

兩個範式,兩種思考框架

怎麼說呢?

如同標題說的,我覺得作者所描述的範式一,有點像是左腦:理性、線性(思考過去、擔心未來)、邏輯性;範式二,則像是右腦:不確定性、不可預測、靈感/某種更大的存在。

我沒辦法馬上決定哪一個範式「是對的」,所以我通常這樣想:「我們什麼時候,比較接近哪種範式?」、「不同的範式可能如何影響我們?」。

TED 演講:你腦內的兩個世界。圖片截自 TED

例如,腦科學家吉兒泰勒在 TED 的演講《你腦內的兩個世界》提到左腦中風的經驗:「接著我失去了平衡,靠在牆壁上。我看著我的手臂,發現我找不到身體的界線,不知道自己是從哪個點開始的、哪裡結束。因為組成我手臂的原子和分子,和牆壁融合成一體了。我感覺到的只有能量。」讓我想到範式二的萬物一體(unity)。

或是,當我想著:「我只是一個小小螺絲釘,很難改變什麼」的時候,意識到自己正用範式一的機械論(mechanism)來比喻世界。而一個持相反觀點的人,可能會反駁我:「你知道蝴蝶效應嗎?也許一個人的力量,比你想像中的還要大。」

想像一個「範式一」的世界如何運作,而「範式二」的世界又會是如何?

——「有時候我覺得,一切好像都是註定的,
該發生的就是會發生。」
想到這句的同時,也想到接著的「可是量子力學說,一切都是不確定、未決定的耶。」

想著這些框架引導出的意義、其中的差異,在一件事情上看到兩個互相矛盾的意涵。

這是我喜歡的地方。

後記

如果你對量子力學、科學哲學有興趣,我接下來打算/正在看的書是《科學革命的結構》和《原子中的幽靈》,也許你會有興趣;它們也比《Why Quantum Physicists Do Not Fail》更容易取得。

量子力學中有名的雙縫實驗(Double-slit experiment),這個動畫講解的很清楚。該動畫是出自影片《What the Bleep Do We Know!?》。

附註

[1] 我不確定這本書到底能不能算是科學哲學?也許它不夠嚴謹?而我也是到這兩年才知道原來有個領域叫「科學哲學」,而我可以在那裡找到更多我有興趣的東西。也有許多經典著作。

[2] We all hold paradigms through which we understand our world. And, as Kuhn made note, those paradigms come from the most current and accurate scientific knowledge available. Paradigms don’t necessarily tell us what to do (they do not usually involve the nuts-and-bolts, how-to instructions for our daily lives); instead paradigms tell us why we do things the way we do them. Our paradigms are the umbrella under which all the things we do make sense to us; they are, in fact, the reasons we do things the way we do them. —— Kuhn, Greg. Why Quantum Physicists Do Not Fail (p.16).

[3]

這裡作者蹦跳出了物理的世界,舉了甘德絲.柏特(Candace B. Pert)「情緒分子」的研究為例子:

每一次當你產生某種想法、有某種感受時,你的大腦下視丘(Hypothalamus)會產生對應該情緒的「情緒分子」(胜肽/neuropeptide)。這些情緒分子就會在你的身體裡跑呀跑呀、流啊流啊。而你身體裡的細胞膜上,則有對應不同情緒分子的受體(receptacle)。每一個都不一樣,也只能對應特定的情緒分子;就像鑰匙對應特定的鑰匙孔一樣。情緒分子會和細胞膜上,對應的受體結合。柏特發現,久而久之,你的細胞也會「上癮」,開始渴求他最常遇到的那種情緒分子,而開始要求下視丘分產生該種分子。而唯一要產生這種情緒分子的方法,就是「你」經歷某種特定的情緒。

而這個運作過程並非「你」能夠控制的,你的小部分(細胞)並不是完全「聽命於你」,而有自己的意識。

詳細內容可參考《情緒分子的奇幻世界》。

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