永不停息的宇宙：经典物理到量子物理的转折

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永不停息的宇宙：经典物理到量子物理的转折

4 偶然性定律
在物理学这样一门精确的科学中，“偶然性”是如何起作用的？如果承认“偶然性”的影响，那么我们是不是在怀疑自然定律的严格准确性？
要解决这一矛盾，我们必须更明确地考虑“自然定律”是什么意思。我们只需要提一个简单的力学现象，比如用大炮发射炮弹（图12）。决定炮弹路径的是确切的定律。每个学生都知道，如果没有空气阻力，炮弹的路径将是一条抛物线。那么，我们能确定炮弹会落在哪里吗？不能，我们还必须知道炮筒所指的方向，以及炮弹离开时的速度。
图12
我们可以把这些称为“初始条件”，显然它和“自然定律”没有什么关联。但如果要应用自然定律，就必须知道初始条件，否则我们无法做出有用的预测。
同样的过程在热量问题中反复发生，但存在着一个重要的补偿作用，即偶然性本身也遵循某种定律。这似乎有些自相矛盾，但它是无可置疑的。若非如此，人们就不会用流行歌曲纪念“在蒙特卡洛豪赌的男人”。许多哲学家绞尽脑汁研究偶然性定律的深层含义，但这些定律却被赌徒、保险公司和物理学家及其他人所应用，并让这些人确信自己能得出正确的结论。
于是，物理学家接受了偶然性定律，并把它作为一种自然定律，尽管他们说不清楚偶然性定律的终极形而上学意义是什么。法国伟大的数学家亨利·庞加莱曾经用典型的法式洞察力陈述了这一立场，他借一位著名的物理学家之口说：
“‘所有人都坚信这一点：数学家认为这是一个观察事实，观察者认为这是一个数学定理。’长期以来，能量守恒定律就是这样。”
但坦白地说，即便是那些通常认为的精确的自然定律，比如惯性定律或者牛顿著名的万有引力定律，我们就真的知道它的终极含义吗？
事实上，物理学的最新进展——量子力学（我们稍后会讨论）已经表明，我们必须放弃绝对定律的想法，一切自然定律实际上都是某种意义上的偶然性定律。
日常生活中的统计数据相当令人怀疑。“统计数据”这个词让人联想到许多事情，从赌徒和他的痛苦结局，到最受尊敬的保险公司。怀恨在心的人甚至会说：“统计数据证明不了任何东西。”人们也许并不总是以正当的方式应用统计数据。然而，有些业务直接依赖于统计数据的可靠性，比如人寿保险。在概率论的帮助下，保险精算师根据死亡率表格计算出不同年龄的保费。他的一个错误就可能会使保险公司破产。因此，那些为自己的生命投保的人，表明他们相信死亡率表格的正确性，也相信精算师计算的可靠性。
试图将统计理论应用于实际研究的物理学家，至少也是同等地相信自己的立场。他的原始素材并不是来自经验主义的表格，而是来自“等概率”的简单假设。从掷骰子的经验中我们知道这意味着什么。骰子的六个面朝上的可能性是均等的。除非骰子有问题，也就是说它的重心并不在正中心，那么它的结果就会以其他方式偏离理想的形态。在仔细检查之后，如果没有发现这样的问题，那么我们就可以预测，某个特定的点数（比如说“4”）出现的概率是1/6。实验已经证实了这一点。
概率论告诉我们在复杂情况下可以期待发生什么。例如，同时掷几个骰子出现特定点数的可能性，或者结果偏离平均值（比如掷600次骰子，没有出现100次“4”点，而只出现了90次）的可能性。结果表明，这种“无知之学”是对的，就像其他所有的调查方法一样。我们考虑的例子越多，预测结果就越准确。所以，物理学家处于非常有利的地位，因为在物理现象中，粒子的数量通常极其庞大。

作者: [德]马克斯·玻恩
出版社: 北京联合出版公司
出品方: 未读
副标题: 经典物理到量子物理的转折
原作名: The Restless Universe
译者: 左安浦
出版年: 2023-3-1

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