思想实验究竟是什么?——以纠缠实验的两种状态为例

2019

01/09
08:20

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文章共8420字,阅读约需25分钟。


摘要

思想实验在本质上究竟是什么?从思想实验与经验的关系着手展开分析,可以找到一个令人信服的答案。有关思想实验与经验的关系的主张,在科学哲学史上存在着经验论与先验论两种相互对立的观点。以纠缠实验为例,该实验先后经历了思想实验和物质实验两个阶段,表明以布朗和库恩为首的先验论主张存在问题,思想实验并非一种神秘的先验认知手段,因为它可以被转化为实际的经验操作。而经验论的主张与思想实验的实际较为符合,但其代表人物诺顿却因为坚持将思想实验重构为论据,而使思想实验远离了经验基础。索伦森的“思想实验就是实验”的主张,较为接近思想实验的本来面目。但由于他忽视了“无需操作”和“无法操作”之间的区别,因而未能完全认清思想实验的本质。只有那些由于“无法操作”而设置理想化条件的实验才是真正的思想实验。



思想实验在科学史上的作用无可替代。但思想实验在本质上究竟是什么?它是否属于传统的实验范畴?它属于科学实验的一种,还是仅仅作为一类普通的思维活动而存在?这一问题却一直是众说纷纭,时至今日依然不能形成一个一致的答案。我认为,明确思想实验与经验的关系,即思想实验是经验的还是先验的,是回答思想实验在本质上究竟是什么的关键所在。

思想实验与经验的关系





在科学哲学史上,有关思想实验与经验的关系的主张, 有两种相互对立的观点:一类主张思想实验与物质实验一样,属于基于经验之上的科学实验;另一类主张思想实验与经验无关,是一种先验的存在,完全是思维的产物。

诺顿是思想实验经验论主张的代表。他认为,思想实验虽然在科学史上有过许多杰出的贡献,但它并不是什么认识论上的奇迹,它与物质实验一样,可为我们提供某些关于世界的信息。而思想实验之所以能够做到这一点,“是因为它们运用了我们的一般性认识论资源:常规经验和得出它们的推理 。”这就是说,思想实验与物质实验一样,都是从常规经验出发,经过相关推理,最终得出结论。他认为,我们所有知识都是从经验中来,只不过在思想实验有关世界的知识的产生过程中包含了科学家们的提炼、概括,以及重组工作。诺顿得出这一论断的依据是“思想实验不包含任何新的经验数据,”由此他主张, 思想实验只能是重新组织或概括了我们已知的关于世界的知识。


与诺顿的观点相似, 马赫也主张,人类对世界的认识是基于不断累积的经验之上的,在这个方面,思想实验与物质实验之间不存在明显的界限。 他指出,亚里士多德所进行的物理学研究大多是运用思想实验进行的,“在这些思想实验中利用了回忆中、特别是语言中储存的经验财富。”当然,马赫也承认,人类本能的经验获得与思想实验之间存在一定的距离,因为日常的粗糙经验为人们呈现的是一个不确定的世界图景。不过,也正是这些日常经验为人们提供了丰富的个别情况,而如果人们用思想实验“来代替那种粗糙的经验,后来得出的量上的表象就获得了最肯定的支柱。”在马赫看来,思想实验较之于物质实验而言,是一种建立于更为精致的经验基础之上的实验。至于索伦森,在思想实验与经验的关系上,则比马赫和诺顿更为激进,他认为 “思想实验就是实验。”

与上述主张相对的是, 布朗认为有些思想实验是先验的存在,与经验无关。 他认为,有一部分知识是先验的,人们可以通过感知自然规律来获取这些先验知识,而感知的方式就是思想实验。也就是说,思想实验是这些先验知识的源泉。不过,布朗承认并非所有思想实验都能够产生先验知识,只有一种他称之为柏拉图式的思想实验才具有这一功能。所谓柏拉图式的思想实验就是某种单一的思想实验,它在摧毁一个旧理论的同时又形成一个新理论。布朗主张,“这一过程是先验的,它既不立足于新的经验证据之上,也不仅仅是旧的经验数据的派生。”

库恩也认为,物质实验所依靠的经验数据必须是人们熟知并普遍接受的,但思想实验仅仅从这些经验数据出发,既无法导致新知识的产生,也无法形成对自然的新的理解。 他认为,“思想实验所产生的新理解不是对自然的理解,而宁可说是科学家的概念工具。”鉴于这一认识,库恩认为,思想实验的作用主要在于使科学家认识到他们的思想中的固有矛盾,进而消除由此而导致的混乱。而这种作用的发挥是概念工具在科学家的心理转换中实现的,因此不取决于人们所熟知的那些经验数据。除了布朗和库恩之外,还有一些人认为思想实验与经验无关,只是人们在头脑中建构的一些模型。这类主张包括库柏的思想实验“WHAT IF”问题模型,耐塞西安以及米什切维奇的智力模型论等。

总体上看,在思想实验与经验的关系上——思想实验究竟是经验的还是先验的,两类主张争 论激烈,由于出发点不同,最终有关思想实验的本性,即思想实验究竟是什么的回答,也必然出现根本对立的情况。

二、思想实验是先验的吗



布朗之所以断言有些思想实验是先验的,根本原因就在于他认为自然规律就是一般概念之间的联系。而一般概念和数学客体一样,属于抽象实体的范畴。在此基础上,布朗认为,“有些自然规律可以为人们所感知,其方式就和有些数学客体可为人们所感知的一样。”这就意味着,人们无法直接与一般概念相接触,就像人们不能抓住数学客体一样,但人们可以通过某些特定的感知方式去认识这些自然规律。在这里,布朗所说的认识手段就是思想实验,抽象实体的存在就是思想实验的感知对象。



实际上,虽然布朗主张思想实验的先验存在,但他并不否认经验的作用,而他有关思想实验是先验的主张,主要源于他一直聚焦的人的认识过程中从经验现象到自然规律之间那神秘的“一跃”。显然,人类认识经由经验现象到达规律的这神秘的“一跃”究竟是经验的还是先验的,决定了思想实验的本质。那么,思想实验果真如布朗所主张的那样,是先验的吗?对这一问题的回答,我将从光子纠缠实验的两种不同状态中寻找答案:

  • 光子纠缠实验状态之一:思想实验

    1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森共同发表了《量子力学对物理实在的描述是完备的吗?》一文。在文章中,他们借助一个后来被称为EPR佯谬的思想实验,来论证量子理论的不完备性。其中,他们先假定存在两个处于纠缠状态的光子:A和B。且A和B之间的距离足够远,远到它们相互的空间波包没有重叠。在此情况下,对A的测量不会对B产生任何影响,反之亦然。由于二者之间存在纠缠关系,我们可知,如果对A的位置测量结果是+1,那么B的位置一定是-1。同理,对A和B的动量测量也必然存在同样关系。


    当然,爱因斯坦设计EPR思想实验是在以下两个前提下进行的: ①定域因果论。 如果两次测量事件之间的四维时空是类空的,那么这两个事件不存在因果关系。 ②物理实在要素。 一个物理量成为实在的充足条件是:如果一体系不受干扰,就有可能对它作出确定的预测。即在一个系统不存在扰动的前提下,该系统的任何可观测物理量都应当对应一个确定的经验数值。那么,因为对光子A和B的测量是类空间隔的,所以对A的测量不会对B产生扰动。由此,可得出结论:粒子B的动量和位置可精确得知,量子力学对粒子的状态所提供的说明是不完备的。


  • 光子纠缠实验状态之二:物质实验

    目前,通过激光泵浦非线性光学自发参量下转换(SPDC)是科学界制备纠缠光子对的常用方法。在SPDC过程中,有一束高频激光通过一块BBO晶体时,存在一定的将光子劈裂成两个低频光子A和B的概率。分裂后A和B遵循着能量和动量守恒,那么在两个圆锥相交方向上,A和B处于相干叠加态。此时,这对光子不但在极化信息上高度关联,而且在时间信息上也高度关联。于是,我们就得到了一个可经验感知的纠缠光子对。


    当然,运用物质实验的手段获取高品质的纠缠光子对的过程中,还有一些具体问题需要解决,比如光子在通过BBO晶体时,容易产生“走离效应”,而降低光子对之间的关联,通常需要放置半波片使得光子产生极化旋转,以解决这一问题。但事实上,这属于技术问题,不影响纠缠光子对实验的基本性质。事实上,目前在这一领域中,我国潘建伟领导的团队已经完成了制备八光子纠缠实验。这就表明,EPR思想实验中从经验现象到自然规律之间跨越并非如布朗所坚称的那么神秘,而且对现象背后的规律的感知也并非如人们对抽象的数学客体的认识那样,人们可借助物质手段获取经验信息,以实现对规律的认知。


纠缠光子实验的两种状态表明,在一定条件下,思想实验和物质实验之间可以发生转换。从根本上看,思想实验是经验的,而非先验的。实际上,布朗有关思想实验的先验观点,是在实验条件无法实现的情况下作出的解释。在EPR思想实验中,爱因斯坦等人设计这一实验的时候,纠缠现象无法被经验所验证。当然,我也并不否认,在有的思想实验中,部分实验条件将永远无法实现,但我们完全可以通过类比,将实验条件作类经验的理想化处理,进而完成从现象到规律的“一跃”。


三、作为论据的思想实验



在思想实验和经验的关系的问题上,诺顿的主张与布朗的柏拉图式思想实验先验观是针锋相对的。 诺顿认为,包括所谓先验知识在内的一切人类关于世界的知识,都是以经验为基础而存在的。不过,由于思想实验不包含有关世界的新的经验数据,因此,这些先验知识作为某种假设存在于思想实验之中。 事实上,在这里诺顿虽然没有明确提到类经验与直接经验的关系,但他在思想实验中一再论及的,以假设存在的“先验知识”就是类经验。它虽不是直接的经验数据,但却是在人类传统经验基础之上的抽象和综合的产物,是一种源于经验,同时又高于具体经验的经验形式。


在EPR思想实验中,虽然当时人们完全无法得到一个相互纠缠的光子对,甚至也无法实现对单个光子的位置与动量的精确测量,但这并不妨碍在人们的思维中出现两个理论上存在的相互纠缠的光子对,也不妨碍人们对纠缠光子A或B的位置在思维中的精确测量。其中,处于纠缠状态的光子在有些人的头脑中可能来自于儿时玩耍的两个相互碰撞之后又分开的玻璃球的形象,在另一些人的头脑中可能来自于过去某个时候他们亲眼目睹的一次车祸——两辆车猛烈撞击之后又分开的景象,也可能有些人就把两个光子抽象为两个质点。在不同的人的头脑中出现的光子形象各不相同,但不管是哪一种,都必然来源于旧有的经验世界。


对纠缠光子的测量也是如此。熟悉粒子物理学的人,对于EPR中光子的测量所想象出来的形象,大多如对其它已知普通粒子的测量中要用到的手段和设备是一样的,这在玻尔对EPR思想实验的回答中可以得到证实。在回答中,玻尔用到光阑、照相底片、规定着空间参照系的底座等装置。当然,思想实验中的测量所需的装置和目前光子纠缠物质实验中用到的半波片等不一样。这是因为思想实验中的测量受到人们以前对基本粒子的各种测量手段的影响,从以往的具体经验中抽象而来,而进行的类经验的操作。正是类经验的运用,保证了诺顿所强调的思想实验的“实验性”特征。


不过,诺顿对思想实验的经验论主张只是为他的论据观服务的。诺顿认为,由于思想实验可以为人们提供一些关于世界的信息,而这些信息又不是从某些新的经验数据中得出,“因此,这些信息唯一的毫无争议的来源可能是它由人们已经证明为相同的论据导出的,尽管这些数据不可能在思想实验的细节陈述中展开。”在此基础上,他主张所有思想实验都能够被重构为论据。而对思想实验的论据重构,诺顿主要分为两个步骤:重构论题和消去论题。在重构论题中,他对思想实验进行分步骤提炼,并按照一定的逻辑步骤提炼为论据;在消去论题中,则是在提炼的基础上,把思想实验中一些与结论的一般性无关的细节剔除出去。

根据诺顿的思想实验论据观,对EPR思想实验进行重构的过程如下:

1. 假定存在前提:定域因果论和物理实在要素;

2. 从1中可得出:如果存在两个处于纠缠状态的光子:A和B,那么当A和B之间的距离足够远时,对A的测量不会对B产生任何影响,反之亦然;

3. 对A的位置进行测量,得到结果为+1;

4. 由1和2可得出:B的位置为-1;

5. 同理,可得出B的动量值;

6. 结论:B的位置和动量可精确得出;

7. 因此,量子理论是不完备的。

事实上,从论据重构中,我们可以看出,诺顿对思想实验的经验论主张并不坚定。他指出:“原则上,人们可以在坚持论据观的同时,对论据中所使用前提条件的根源,以及它们与经验之间的关联不作任何虑。”经验论只是诺顿进行论据重构的铺垫,一旦实现了论据重构的目的,诺顿就放弃了经验与思想实验的关系。



问题是,再次远离了经验基础的论据观,并非真的如诺顿所坚持的那样适用于一切思想实验——能够对所有的思想实验进行重构,一旦思想实验中存在某些类似人的主观选择的因素在内,论据观就将面临失效。比如,霍金曾设计过一个 金鱼缸思想实验 ,以说明两个不同的理论能够同时对某一现象作出合理说明:众所周知,鱼缸会产生变形效应。在这一效应的影响下,缸内的金鱼对缸外物体的运动进行观察的结果,与我们的不同。比如,我们看到某一物体作直线运动,而缸内的金鱼看到的则是该物体沿曲线运动。尽管如此,金鱼仍可对变形效应下的现象加以归纳总结,并形成科学定律。这些定律总是成立,因为它们不但可以为金鱼眼中的现象提供说明,而且还能够为金鱼对缸外物体的未来运动作出准确的预言。


在霍金的金鱼缸思想实验中,站在两个不同的视角去看世界,人们可能会得到两个不同的对 世界进行描述的理论。而这并不意味着这两个理论有对错之别,或许这两个理论都是正确的。这一思想实验中存在着一些左右人进行理论选择的主观因素,他们无法在诺顿的论据重构中表现出来。事实上,此类在思想实验中常常出现的主观因素还有许多,诸如感觉、心理、信仰等都是单纯的论据所难以呈现的问题。

四、思想实验就是实验



基于经验论之上,诺顿有关思想实验与经验之间关系的主张,与思想实验的实际较为符合,但他在对思想实验进行逻辑重构的问题上,显然与对思想实验的本来面目的刻画渐行渐远。他认识到思想实验应该具有实验性的特征,但重构之后的思想实验由于不能反映科学家的感觉、心理、文化等主观因素而丧失了实验性的特征。 在这一问题上,索伦森主张思想实验就是实验。


索伦森的这一主张是在考察了实验的详细设计过程之后得出的。首先,索伦森认为,在实验过程中,对实验程序加以精简意味着一个旨在提供信息的实验计划有所进步。当然,这一精简是以不损失信息为前提的,即精简了实验程序的同时,仍然能够为人们提供同样多的信息,则实验计划获得了进步。当然,程序的精简显然必须以经验的累积为基础。索伦森发现,许多创新都是模仿并扩展了某些偶然事件的好的效应的结果。比如,早期的渔民可能是在无意间发现,带有倒刺的鱼钩捕鱼效果更好,因此他们就会将这个带有倒刺的鱼钩作为今后制造鱼钩的模型。不过,我们可以想象的是,制造鱼钩的那些渔民可能并没有掌握倒刺能够提供捕鱼帮助的理论知识,它们只是在经年累月的实践中选择他们使用的最为成功的鱼钩作为新的模型,从而使鱼钩变得越来越好。索伦森认为,在鱼钩改进的过程中,鱼钩制作者仅仅依靠直观经验就跳过了许多实验程序的做法,就是他所谓的“实验程序的精简”环节。


当然,索伦森指出,这里的“实验程序的精简”本身不是思想实验,但他认为,这是从实验进化到思想实验的重要一步。在对科学实验的具体考察中,索伦森发现,实验设计中存在着大量的未知、偏见、干扰等因素,这些因素可能会使得人们难以达到实验的目标。严格地纠缠于这些因素之中,常常令实验无法继续。而经验告诉人们,如果通过精简实验程序的方法,忽略这些障碍因素,常会使人们易于达到目标。



不过,对实验程序的精简不是随意进行的。在对实验整个过程中所发生的一系列不断变化的 现象进行精简后,我们将会把目光聚焦于几个关键的变化上。如果再更进一步,“当我们的创新者打算通过假想而不是具体操作来呈现实验时,他就迈入了思想实验的王国。”索伦森 指出,通过这“革命性的一跃”,我们就完成了从实验到思想实验的转变。


需要指出的是,在物质实验中对于实验程序的精简比较常见,大多属于经验层面允许的范围。但索伦森发现,还存在一种情况,即在有些实验步骤是明显不可行的情况下,人们必须在缺失了某些标准实验应该有的步骤的时候,去猜测结果。索伦森认为,这些缺失了必要步骤的试验就是思想实验的雏形,“当我们不断提高在思想中试验的比例,以取代操作试验时,实验看起来就更像思想实验了。当情况达到极致,所有的试验都无需操作时,我们就得到了一个清晰的思想实验实例。”


在这里,索伦森从物质实验过渡到思想实验,主要通过逐步减少实验步骤来实现的。由此他得出结论: 思想实验就是实验,只不过是一些无需具体操作的实验。 但在事实上,索伦森忽视了重要的一点: 在纠缠实验的两种状态中,是先有思想实验,后有物质实验的。 两种实验状态的先后顺序所带来的问题是,在没有物质实验的前提下,爱因斯坦等人是如何精简实验程序的呢?索伦森的实验程序精简说显然无法作答。此外,从索伦森的论证中,我们明显可以看到,完成所谓的从物质实验到思想实验的“革命性的一跃”的是“无法操作”的实验步骤,而不是“无需操作”的实验步骤。而索伦森对“无法操作”和“无需操作”的混淆,导致了他看不到思想实验与物质实验之间的本质区别。因此,虽然索伦森看到了思想实验的经验基础,克服了诺顿的思想实验论据观的固有问题,对思想实验的刻画更加深入,但他的思想实验观中仍然面临困境:思想实验和物质实验之间区别何在?这是我们必须回答的一个难题。

五、思想实验条件的理想化



实际上,无论是认为思想实验的本质是先验的布朗、库恩、库柏等人,还是主张思想实验是经验的诺顿、索伦森、马赫等人,他们都不否认思想实验与经验有一定的联系。 两大派别的根本区别在于经验是否是思想实验所提供的关于世界的信息的最终源泉。


从EPR思想实验中光子对的来源上看,让我们回到爱因斯坦和玻尔的论战中去寻找答案。事实上,我们可以发现,爱因斯坦等人最初在EPR思想实验中的考察对象并不是两个“光子”(photon),而是两个独立的“系统”(system),后来为了说明的需要,爱因斯坦将两个“系统”简化为两个“粒子 ”(particle)。在这里,我们看到这三者和人们旧有的经验的关系是大不相同的。“系统”与经验距离最远,完全是一个抽象的概念。“粒子”也不是一个具体的经验对象,它可与电子、质子、中子、夸克等许多基本粒子相对应,是这些基本粒子的集合概念。而“光子”则通常是一个具体的经验对象,属于基本粒子的一部分。但是,从“系统”到“粒子”,再到后来人们讨论的“光子”,虽然三者之间发生了一系列的变化,但这并不影响人们对EPR思想实验的理解,因此,“系统”、“粒子”和“光子”在思想实验中本质上是一致的。


鉴于EPR思想实验中的三者与经验关系上的本质一致性,我们可知,思想实验中的“光子”与物质实验中的“光子”显然属于不同的概念。即思想实验中的“光子”并非是一个具体的经验对象,而更多地是作为“粒子”或“系统”的代表存在的。此处的光子不仅仅是一个“光子”,更是一个“粒子”,一个“系统”。所以,思想实验中的“光子”不是如物质实验中的“光子”那样以直接经验感知的方式存在,而是以以往旧有的粒子或系统经验为基础,综合而成的类经验方式存在。从这一意义上说,类经验是思想实验中实验对象的形成基础。



正是以类经验方式存在的实验对象,使得思想实验具有了物质实验所无法具有的特性。因为物质实验中的实验对象(比如光子)只能是某种特定的存在,而思想实验中的实验对象(比如光子)则不仅可具有光子的特性,还可具有其它基本粒子(比如电子、质子、中子等)的共有特性,是经过人的头脑抽象了的存在。


“光子”的这种抽象的类经验存在方式,使光子可以在头脑中任意地发生变化,为思想实验条件的理想化提供了可能。当然以类经验的方式操作“光子”的情况不仅仅发生在思想实验中,在物质实验中也常会出现。正如索伦森所指出的那样,在许多物质实验之前,科学家们都会在头脑中先行运作一番。这就是索伦森称之为“无需操作”的那种情况。而在马赫那里,是为物质实验的具体操作做好准备。不过,此时以类经验方式操作的实验显然属于物质实验,虽然没有真正进入到实际操作的层面。比如潘建伟在八光子纠缠实验真正操作之前,他们的头脑肯定早已将具体实验操作过程运作过许多次。显然,我们不能因为他们是在头脑中先行运作了一遍就称之为思想实验。事实上,直到这一步为止,索伦森对思想实验与经验之间关系的认识都没有问题。此时,他对思想实验的本原的揭示仅差一步之遥。可惜的是,索伦森却误将“无需操作”看成是思想实验的本质特征。


深入考察后,我们可以发现,发生在思想实验中的类经验操作与索伦森所指的“无需操作” 的情况并不相同。其主要区别在于,思想实验中进行类经验处理的都是在现实中“无法操作”的步骤,而不是“无需操作”的步骤。比如在爱因斯坦的EPR思想实验中,由于受到当时的条件限制,那时他们根本就无法进行实践操作,只能在头脑中以类经验为基础进行运作。此时,这一实验就是思想实验。


需要特别指出的是, “无法操作”又分为两种情况:永远无法操作和当下无法操作 对于受科学水平和条件所限,而当下无法操作的实验,随着科学水平的提升,条件一旦成熟,思想实验就可转化为物质实验。纠缠实验的两种状态,就是典型。而且两种状态的出现通常存在着先后顺序:先有思想实验,后有物质实验。在科学史上,我们从来没有见过,在科学水平可行的情况下,科学家先操作了某一物质实验,然后再以思想实验的形式将它又呈现一遍,也没有见过思想实验与物质实验同时出现的情况。因为人们一旦可以在经验层面操作某一物质实验,就无需思想实验的方式存在了。因此,一旦思想实验转化为物质实验之后,它作为思想实验的特征就已经失去,它就已经不是思想实验了。在此意义上,只有当实验条件无法在现实中达到,而将条件理想化的实验才是思想实验。


通过对“无需操作”与“无法操作”两种情况的澄清,将索伦森的无需操作的思想实验观改造为条件理想化的实验,对于思想实验的本质认识有着重要的意义。我们将不再受思想实验概念模糊性的困扰,为思想实验在当代科学前沿的有效运用扫清了道路。


来源:《自然辩证法通讯》,2017年第5期, 第136-142页。

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  • 阮婷.

    无比简洁却能改变世界

    2019-01-18
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  • 上课啦~

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    2019-01-14
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