哲学悖的物理学形式

生活在公元前5世纪的希腊哲学家——埃利亚的芝诺（Zeno of Elea）,喜欢通过哲学思辨的方式研究运动的本质.他曾经对运动的本质提出了一系列悖论,柏拉图在著作中记录了其中最知名的“飞矢不动”悖论：一个飞行中的箭头,在一个特定时刻,如果它有一个确定的位置,那么它在这个时刻就没有运动,因此,这个箭头就永远都不会到达目的地.

很明显,真实的运动是存在的,飞行的箭头最终也会到达目的地.那么,如何理解芝诺关于运动的悖论?2000多年以来,这都被认为是一种诡辩,而哲学家芝诺则被认为是一个“聪明的骗子”.直到20世纪,芝诺和他的关于运动的一系列悖论才重新引起了哲学界的关注.

“飞矢不动”悖论不仅吸引了哲学界的关注,在物理学界也引起了广泛的关注和探讨.是否有可能通过物理学实验真正地实现芝诺悖论,让人们更加接近理解运动的本质?这对于人类的生活又有什么意义?实际上,早在20世纪70年代,一些理论物理学家就提出了在量子领域实现芝诺悖论的设想,通过物理学实验来实现这样的一个哲学悖论,所依赖的基础就在于量子力学的基本检测设之一：对于量子系统进行观察会对这个量子系统产生影响.对一个量子系统进行观测,会导致系统波函数的坍塌,如果对一个量子系统进行频繁观测,那么这个量子系统的演化就将会明显变慢；如果对一个量子系统进行持续观察,那么这个量子系统就可能无法演化,停滞在一个状态,陷入到“飞矢不动”的状态.自从理论物理学家提出了这个实验设想之后,很多实验物理学家都尝试通过不同的方式实现这种量子状态,而且这些尝试也可能为人类在其他领域的研究带来影响.

检测设存在一个状态不稳定的、随时可能发生衰变的粒子,如果人们对它进行观测的结果是还没有发生衰变,那么人们对这个粒子的观测行为也就使得这个粒子的波函数坍塌到“不衰变”的状态,而后,在极短的时间内,这个粒子发生衰变的概率将会随着时间迅速增加.因此,从理论上来说,对这个粒子进行持续不断的观测,这个粒子的状态就将永远都不会发生改变,保持在“不衰变”的状态.但是对于一个自然发生的衰变来说,人们很难观测到这种现象,因为需要观测的间隔极短,在实际实验中很难做到.

1988年,美国物理学家理查德·库克（Richard Cook）发表论文,提出了一个设想,可以利用单个的、被困离子的受激跃迁的过程实现量子芝诺效应.依照库克的设想,在1990年3月1日,美国国家标准与技术研究所与科罗拉多大学的科学家大卫·维因兰德（Did Wineland）和他的同事们在《物理评论A》（Physical Review A）杂志发表论文《量子芝诺效应》（Quantum Zeno Effect）,描述他们第一次在量子领域里实现了芝诺效应（维因兰德之后因为在量子物理领域的杰出贡献在2012年获得了诺贝尔物理奖）.维因兰德和他的同事们利用电磁场固定住铍离子,然后再利用激光把铍离子降低到极低的温度.他们利用持续极短时间的光脉冲对这个粒子进行不断观测,使铍离子的状态“静止”,第一次实现了在量子领域的“飞矢不动”.

更多的物理学家尝试通过其他手段在量子领域实现芝诺悖论.2013年8月,德国洪堡大学的物理学家奥利佛·本森（Oliver Bensen）和他的同事们在《物理评论A》杂志发表论文《对单固态自旋的量子芝诺现象的研究》（Study of the Quantum Zeno Phenomenon on a Single Solid State Spin）,描述他们第一次在室温条件下,在金刚石晶体中实现了量子芝诺现象.这项研究,不仅对于量子物理的理论研究有重要意义,结合之前在金刚石晶体实验中实现的另一些突破,还有可能对于量子计算机和量子信息网络的实现有帮助.

本森和他的同事们利用在金刚石中的氮空位晶体缺陷进行实验——一个氮原子和一个空缺位置取代了在晶体中两个本该相邻的碳原子.他们利用微波来改变在晶体中空位电子的磁旋状态,然后实验者在任意时间利用激光脉冲来探测氮空位电子处于两个可能的量子态中的哪一个.他们发现,在这种情况下,本应在两种量子态中振荡的电子的状态停滞了,也就是说,他们在室温下,在金刚石晶体中实现了芝诺悖论的“飞矢不动”.

本森和他的同事们实现了在室温条件下金刚石晶体内部的芝诺悖论,对于量子计算机和量子信息网络的研究也有意义.结合最近在金刚石晶体内的另一项研究突破,量子芝诺效应对于两个量子比特的量子门（Two-qubit Quantum Gate）的研究有很大推动.本森认为,观察到了金刚石晶体内部的芝诺现象是第一步,第二步就是利用这一特性研究“量子门”.“门”是在集成电路和计算机中最基本的器件,用来处理“0”和“1”两个信号的运算关系,而量子态的奇妙之处在于,它可以同时处于“0”和“1”两种状态,因此通过“量子门”进行计算,也就有可能实现远高于普通计算机的效率.

2013年5月2日,荷兰代尔夫特科技大学的物理学家罗纳德·汉森（Ronald Hansen）和他的同事们在《自然》杂志发表论文《两个固态量子比特相隔3米的纠缠态》（Heralded Entanglement Between Solid-state Qubits Separated by Three Metres）.在论文中描述的是量子世界中另一个令人惊奇的现象——量子纠缠.汉森和他的同事们在室温的条件下,同样在金刚石晶体中的氮空位中心,首次实现了相隔3米的量子比特的纠缠态.量子纠缠态是量子世界最令人迷惑和着迷的性质之一,也是用于制造量子门的关键技术.同样是在室温条件下进行的实验,使两个量子比特的量子态相互纠缠,这表明金刚石晶体很有可能是最适合制造量子门,在实际条件下进行量子计算的材料,虽然在目前,基于金刚石晶体的实验效果还不如离子阱（Ion Trap）,但是汉森认为,金刚石晶体很有可能在几年的时间内超越离子阱.

物理学家们对于“飞矢不动”这样一个哲学命题,通过各种的物理学实验使之成为现实,让人们对于这个存在了两千多年的哲学命题有了更深刻的理解,甚至有可能对量子计算机和量子信息网络研究有巨大的推动作用.同时,各类“飞矢不动”的物理学实验也可以使人们更深入地思考哲学与物理学之间的关系.

哲学,长久以来被认为是一门高于科学的学科,它的研究方法和研究成果对于自然科学的研究都可以起到指引作用.但是近年来自然科学,尤其是物理学的进步,使它在摆脱了神学的束缚后,继而摆脱了哲学的帮助,反过来,物理学实验的结果可以给哲学研究以佐证,这让理论物理学家史蒂芬·霍金甚至发出了“哲学已死”的论调.

类似于“飞矢不动”这样的一个哲学命题,最开始被认为是一个悖论,之后被认定是一个“聪明的骗局”,在历经了两千多年后才引起哲学界重视,转而被物理学家当作一个物理学命题来研究,最终成为实验事实,这正是人类认识世界和理解世界的过程,这个实验也使人们更接近理解“运动”的本质.同时,人们也难免会产生更多的期待：是否可以通过物理学实验的方式,真正实现更多的哲学悖论,让哲学和物理学的命题可以从形而上学和逻辑学思辨的领域转至普遍通过实验来证实.