第四章
“相安无事”的矛盾

真正的物理学可以说是从“日心说”开始的。现在看来，“日心说”与“地心说”并没有绝对的对错之分，因为参考系可以层层叠加，不管哪一种参考系都可以正确计算出行星的轨道与周期。但在当时的历史条件下，“日心说”可以大大简化框架，这样才能推导出开普勒三大定律，进而才有了牛顿万有引力定律（见图4-1）。

在光学的发展中，牛顿曾通过棱镜实验对光进行研究，他认为光是粒子。惠更斯通过研究则认为光更像波。到了爱因斯坦时代，他又回到了光的粒子性。现在，量子力学认为光子具有“波粒二象性”，两种矛盾的性质可以共处。这个例子也说明，人类能接受矛盾概念的共存，而矛盾之点就是创新之处，量子通信与量子计算正是发轫于此。

人类对物理世界的认识相对比较清楚，因为我们能够引入一些物理量、物理概念来理解物理世界。这些引入的物理量需要经过严格定义，比如物理中有“粒子”的概念。电子、质子都属于粒子，我们可以对这些粒子进行测量。由于不同参照系之间有严格的转换关系，因此不管在什么环境或者参照系条件下测量，任何人观测到的结果都是一样的。

再以质子为例，任意两个质子的性质是完全一样的，即使两者交换，对物理世界而言也毫无影响。这个例子在基础物理中可以通过几个方式证明。一个是泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）。针对费米子这种自旋为半整数（1/2，3/2，5/2…）的基本粒子而言，泡利原理认为它们是不能占有相同状态的（即一个量子态只能被一个粒子所占据），也证明了它们是完全相同的。

在量子统计领域中，“玻色—爱因斯坦统计”和“费米—狄拉克统计”也都假定了粒子的不可分辨性。此外，在量子中的纠缠态（Entangled State），也从另一个的角度说明了粒子是不可分辨的。比如两个粒子在同一状态下制备出来后，即使相隔很远彼此还是相互联系的，这也是因为不可分辨性才会有纠缠。而在经典力学中，粒子被描述为可分辨的，所以在玻尔思曼统计中的结果与量子统计结果不尽相同，但量子统计的结果在多个实验已经得到验证，因此可以说，粒子的不可分辨性是经过验证的。

虽然物质世界存在实在论与非实在论的争论，但我们不必陷入这种争论之中，因为人类起码对于粒子的理解是比较清楚的，并且可以很好地进行描述。即使电子的运动轨道等细节不能准确定义，也并不妨碍我们对于物理世界的理解，且电子的电荷、自旋和质量已然非常明确。

相比之下，人类或生命的组成是更加复杂的系统，并且涉及大量的粒子系统，因为即使是组成生命的最小单位（细胞）也拥有大量的粒子。且不说粒子的组合或空间结构的复杂性，仅计算这些粒子的数量，其复杂性就非常庞大了。

热力学系统是多粒子系统中最简单的一类，其中一种极端的情况是热平衡状态（熵值趋于最大）。虽然生命过程本身不会违反热力学，但与生命有关的系统是远离热平衡态，无法仅用热力学来解释。生命现象的复杂性如此之高，目前还没有一个好的度量。

热力学中有一个吉布斯悖论，不同物质的混合，混合熵的计算数值是一定的，无论两种物质A和B仅仅有些微差别还是差别很大。当两种物质仅仅有些微差别时混合过程仍然有所谓混合熵。当两种物质完全相同时混合熵的计算数值为零。混合熵随A和B的相似程度的变化是不连续的。对这个悖论的解释是：当气体不同时，不论不同程度如何，原则上是有办法把它分开的，因此混合有不可逆的扩散发生。但如果两气体本来就是一种气体的两部分，则混合后是无法再分开复原的。这在理论上并无矛盾。对吉布斯悖论中的混合熵随A和B的相似程度的变化的不连续性有多种解释。真要解吉布斯悖论就必须证明混合熵实际上是连续变化的。

麦克斯韦妖（Maxwell's demon）可以视为另一个在物理学中尚未完善解答的悖论。它是英国物理学家麦克斯韦1871年为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。麦克斯韦提出：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，门则可以选择性地将速度较快的分子（温度较高）放入其中一格，将速度较慢的分子（温度较低）放入另一格，这样，两格的温度就会一高一低。麦克斯韦认为，整个过程中使用的能量就是“分子是热的还是冷的”这一信息。理论上，活板门消耗的能量也是非常少的。

经典物理认为两种气体是可以分得清楚的，而量子力学中是全同粒子。在微观层面上，不同的粒子不能算作全同，全同粒子也不能找到差别。但在生命的层次上，是可以混淆的。比如，我每天都有吃水果的习惯，那么我昨天吃的苹果，和我今天吃的苹果，对我来说功效是一样的，或者我明天要吃梨，对我而言它和苹果的意义依然一样。意识只能在宏观的层面产生也是这个道理。

在物理学的探索中，人类可以说是非常幸运的。行星轨道（二体问题）有解，验证了牛顿万有引力定律，而氢原子在薛定谔方程中有解，至此量子力学的正确性得到了验证。

回顾物理学的发展史，我们可以看到理论总是不断地被证伪，同时也总是能看到新的更具有普遍和一般性的理论的诞生。尤其是在伽利略之后，物理学的进展非常之快，每一次的进步都意味着某种方式的统一。我们在一个更底层基础上，将一些已知的现象用统一的理论来解释。其中一次进步就是牛顿的万有引力定律。之所以叫“万有引力”，是因为该定律统一了天上与地上的运动，发现了所有物体之间都有相互作用的引力，地球上的引力与行星运动受的力是同一种力。这是物理学历史上第一个重要的统一理论。

到了电磁学时期，我们发现了电能产生磁，磁也能产生电，最后由麦克斯韦集大成形成了电磁学的统一理论——麦克斯韦方程组。在研究过程中进一步发现了光是电磁波。这是一项非常重要的发现。因为只有了解了光，我们才能够深入到微观世界。在微观世界中，一切活动都是由光来完成的，比如核电辐射、光电效应和氢原子的光谱等，是这些研究引出了对量子的发现。

第三次重大进步是爱因斯坦时期，他发现在电磁学中，牛顿力学中所隐含的伽利略变换是不成立的，时间和空间通过光速联系在一起，都不是绝对的。修改了伽利略变换，相应地就要修改牛顿的万有引力定律。爱因斯坦从等效原理（惯性质量和引力质量相等）出发，最终猜出了广义相对论的引力场方程。前一段时间发现的引力波，就是该方程的一个预言。爱因斯坦后期一直寻求大统一理论，希望能将万有引力与电磁学统一起来，但并未成功。“超弦理论”作为当今非常重要的理论，也是试图进行这种统一，但尚未得到公认。

中西方文化一直存在着较大差异。不断有各种学科背景的人士从多个角度提出自己的分析和看法。有人认为，中西文化的差异在于西方注重分析，而中国注重综合。表面上看是这样，但从物理学的发展路径来看，我们认为中西文化的差异更多体现在对质朴性（simplicity）的追求上。

物理学中对质朴性的追求，最早可以追溯到牛顿，他曾经讲过：“真理从来都是存在于质朴性之中，而非源于事物的多样性或混杂。”（Truth is ever to be found in the simplicity, and not in the multiplicity and confusion of things.）而这一追求到爱因斯坦时被发挥到了极致。这并不是说中国就没有追求质朴性，比如“阴阳”就是一个非常简单的框架。只是西方对质朴性的追求更深一层。犹太人因为反对埃及文明的众神偶像崇拜而创立了一神教，以抵抗当时异常恶劣的生存环境。从犹太教中又分化出了基督教和伊斯兰教。西方世界为判定谁才是那个“唯一真神”可以打得头破血流，这在中国传统文化看来可能是很荒谬的。但正是一神教的出现，使得西方人更愿意相信任何现象的背后必然有一个终极原因而不是一堆复杂的表面因素。为此必然要刨根问底。这种精神在科学研究中就表现为对质朴性的追求。相比之下，中国没有经历过这种洗礼，对终极原因的追求并没有那么执着。比如，用雷公电母来解释雷电现象，长期以来古代中国人觉得是可以接受的。

也有人认为中西方更重要的差异在于逻辑自洽。但实际上，逻辑自洽并不比质朴性更趋于本质。举例来说，光到底是粒子还是波动？这一问题困扰了人类数百年。最早牛顿提出光是粒子，可是后来惠更斯发现光具有波动性，到了爱因斯坦又认为光是具有粒子性的。现在我们认识到光具有波粒二象性，虽然粒子性和波动性似乎互相冲突，但在光学中都能成立。由此观之，逻辑自洽并不一定是必要条件。再者，牛顿方程中时间是可逆的，我们把时间和空间都倒过来，牛顿方程仍然成立。热力学第二定理却告诉我们时间不可逆。这两个定理的冲突如此明显，但我们依然同时接受牛顿力学和热力学。后来出现的量子力学中时间也是可逆的。物理学家为了调和类似矛盾，提出了各态历经理论，它能证明即使在足够长时间后，系统能够回到足够接近当初的状态。

物理学中，逻辑上很难自洽的一个重要问题是量子纠缠。最初源于爱因斯坦反驳波尔学派理论而提出的ERP悖论：假如量子力学是对的，那么就有超越时空的现象。如果两个粒子一开始互相纠缠，不管距离多远，都可以通过测量其中一个粒子的状态得知另一个的状态，这明显违反因果关系和狭义相对论中信号传播速度不超过光速的原理。为了进一步研究这一悖论，贝尔发现了一个不等式，后来实验证明贝尔不等式不成立，量子力学并没有问题。量子力学方程最早是由薛定谔猜出来的，彼时我们甚至不知道波函数的物理意义，但严格求解的氢原子问题与实验数据完全吻合。量子纠缠很难在原来物理框架内得到解释，但我们现在可以基于量子纠缠进行量子通信。量子纠缠可以理解为在量子状态下全同粒子间的关联无时无处不在，是超越时空的特性。我们需要解释的是，粒子间的去相干（经典性）是如何发生的。

如果将现代科学看作一个生命体，那么质朴性就是这个生命体的内核，但只有内核还不足以让它健康延续和发展，还需要不断涌现和汇聚的资源来供养。现代科学发端的时机与地理位置十分重要。借助于一个财富水平相对较低并处于一个上行的历史时期的文明载体，现代科学的崛起才能成为可能。我们认为这才是解答李约瑟难题的要点。

那么，追求质朴性有什么意义呢？在追求它的过程中，我们能够收获新的发现，提出新的理论，这一点甚至超过了可证实性和可证伪性。波普尔提出“一个科学理论必须满足证伪性”。但我们可以看到，日心说和地心说都可证实却不可证伪，把这两个理论做到极致，都能预测金星、火星出没的时间。只是在当时的历史条件下，日心说能够大大简化天体运动，减少天球数量，构建更简洁的椭圆运动模型。可以说，有了日心说，才有了开普勒定律以及牛顿万有引力定律，进而才有完整的牛顿力学体系，人们由此才可以理解天上地上运动，才有了人类理性原则的升华。质朴性并没有严格的定义，但它的内涵在于：用最简单的道理或公式来描述事物的本质。相信这一点人人都能理解。比如，爱因斯坦的广义相对论对于普通人而言在数学模型上难以理解，但其实它的理论底层非常简单，那就是等效原理。有了等效原理这一核心理论，数学结构和方程式就容易产生和解释了。

物理学的发展路径就是这样贯穿而来的，出于对质朴性的执着追求，物理学每向前追求一层，就会取得一次重大的进步。那么，在哲学世界会不会也有类似的现象呢？