我们的物理现实是否客观存在？

图片来源 ：Alan Stonebraker/美国物理学会

两个量子即使相隔遥远也能瞬间纠缠在一起，这种现象常被认为是量子物理学中最令人费解的部分。如果现实本质上是决定论的，并且由隐变量支配，那么这种诡异感就可以消除。然而，所有试图消除这种量子怪异现象的尝试都失败了，因为哥本哈根诠释和隐变量理论之间的任何实验差异都只支持了量子力学的标准图景。

要点总结

• 古老的哲学问题：“如果森林里有一棵树倒了，但周围没有人听到，它会发出声音吗？”这个问题似乎显然有答案：是的。
• 每当一棵树倒下，它的树干就会折断，树枝会相互碰撞，最终树干会撞击地面。这些动作都应该发出声音。
• 但相对论告诉我们，每个观察者所听到的声音都与其位置和运动有关；量子物理学告诉我们，观察行为会改变系统的量子态。这一切对“客观现实”的存在意味着什么呢？

如果说我们大多数人能确定一件事，那就是：我们所观察到的物理现实确实存在。尽管这一结论背后总有一些哲学假设，但无论在任何条件下，我们迄今为止的测量结果都与这一假设相符：无论是用人类感官，还是用实验室设备，亦或是使用望远镜或天文台，无论是仅受自然因素影响，还是人为干预，都无法推翻这一假设。现实存在，而我们对现实的科学描述正是基于这样的事实：无论在何处、何时进行的测量，都与对现实本身的描述相一致。

但此前我们对现实的认知中包含一系列假设，而这些假设如今已不再被普遍接受，其中最主要的一点是，现实本身的存在方式独立于观察者或测量者。事实上，20世纪科学的两大伟大进步——相对论和量子力学——恰恰挑战了我们对客观现实的认知，并指出现实本身无法与观察行为割裂开来。以下是关于我们今天对客观现实概念的认知中一些奇特的科学发现。

图片来源：NASA/JPL/旅行者1号

1979年，旅行者1号飞掠木星时，在木星表面观测到一个短暂的光点，这是人类首次在木星大气层中观测到流星体撞击事件。木星经历的此类事件至少是地球的数千倍，因为木星的引力会吸引大量原本不会撞击它的天体，即便木星体积庞大。我们认为，无论我们是否观测到，这些天体最终都会撞击木星。

客观现实

简而言之，其核心思想是：现实存在，并且其存在方式独立于任何监控或观察现实的实体或事物。粒子具有质量、电荷和其他固有属性，这些属性不会改变，无论：

• 谁来测量它？
• 他们在哪里？
• 它们移动的速度有多快？
• 要测量的是哪个属性？
• 或者通过何种方式获取测量结果。

这是科学的一个重要基础思想：事物的“真实性”与它是否被检验以及如何被检验完全无关。

但这仅仅是一种假设。诚然，我们可以看到物理定律和自然界的基本常数似乎不会随时间和空间而改变：一个氢原子与数十亿光年之外或数十亿年前的氢原子具有相同的发射和吸收谱线。一个质子在南极洲的静止质量与它在国际空间站上的静止质量相同，也与它在宇宙中任何星系中的静止质量相同。正如这些例子所示，我们只能说，这种假设的合理性取决于我们能否对其进行实验和观测检验。

图片来源：Krea/Wikimedia Commons

如果一个理论不具有相对论不变性，那么不同的参考系，包括不同的位置和运动，将会展现出不同的物理定律（并且对现实的理解也会存在分歧）。我们在“波斯特变换”（或速度变换）下具有对称性，这一事实表明我们拥有一个守恒量：线性动量。一个理论在任何类型的坐标或速度变换下都保持不变，这一事实被称为洛伦兹不变性，任何洛伦兹不变的对称性都守恒CPT对称性。这种在恒定运动下保持不变的概念可以追溯到伽利略时代。

从伽利略到牛顿，从法拉第到麦克斯韦，物理学在其发展史的大部分时期都很好地证实了这一点。万有引力定律似乎是普适的，适用于我们所能看到的任何地方，从地球上的物体到绕地球运行的天体，再到围绕地球以外的天体运行的行星、卫星和彗星。万有引力常数确实是一个常数；运动定律似乎对每个人都适用，如果两个人分别测量一个物体的位置、运动或加速度，以及物体在不同点之间运动所需的时间，他们都会得到相同的结果。

最初，这似乎同样适用于电磁学，就像适用于经典力学一样。无论我们观察什么，电学和磁学的定律都相同，并且对静止和运动的电荷——无论速度如何——都同样适用。这些电荷是放射性粒子，例如α粒子（氦核）或β粒子（电子），还是像充满电的范德格拉夫起电机上那样巨大的电荷集合，都无关紧要。电荷在导体或绝缘体中的行为可能不同，这些材料的性质也可能影响电荷在其中的运动方式，但无论装置如何，定律、常数以及测量者是谁，一切都保持一致。

图片来源：NASA/阿波罗10号

阿波罗10号被称为登月“彩排”，实际上配备了所有能够让宇航员直接登陆月球表面的设备。他们比以往任何载人任务都更接近月球，并为1969年7月阿波罗11号的真正登月铺平了道路。整个过程仅需牛顿物理学原理，绕月轨道上的宇航员体验到了完全失重的状态。

相对论

然而，随着长度收缩和时间膨胀的发现，情况开始发生变化，这最终导致了爱因斯坦相对论的革命性突破。如果你在地球上从静止状态发射一个物体，周围的每个人都能测量出它的速度，而且测量结果会相同；唯一的区别在于他们看到的物体运动方向，位于物体“后方”的人会看到物体远离自己，而位于物体“前方”的人会看到物体朝自己飞来。

如果抛射体位于移动平台上，或者观察者位于移动平台上，他们测量到的速度和方向可能各不相同。但是，如果您知道各个平台的移动速度，则每个观察者都可以轻松地重建其他观察者所看到的情况。

然而，如果不是像炮弹这样的普通抛射体，而是一个以接近光速运动的粒子呢？事实上，如果它本身就是光呢？突然之间，这些旧的定律就失效了。因为所有观察光的人看到的都是光以完全相同的速度运动：c，即 299,792,458 米/秒。

图片来源：约翰·D·诺顿/匹兹堡大学

对于相对速度不同的观察者来说，“光钟”的运行速度似乎不同，但这源于光速的恒定性。爱因斯坦的狭义相对论解释了不同观察者之间时间和距离的转换。然而，只要每个观察者都处于各自的参考系中，他们看到的“时间流逝”速度都是相同的：每秒一秒。即使实验结束后，当他们把各自的“时钟”放在一起时，会发现时间不再一致。

突然间，空间和时间之类的概念不再是客观存在的现实组成部分，而仅仅相对于观察者而言。在上述思想实验中，两位观察者分别测量光线从地面向上传播到顶部镜子，然后再向下传播到地面所需的时间。这种被称为“光钟”的装置，对于任何观察者，无论静止还是运动，都应该得出相同的结果。

但对于静止的观察者来说，运动中的光钟似乎走得更慢；事实上，相对于观察者而言，运动中的人感觉时间流逝得更慢。同样地，对于运动中的观察者来说，他们的光钟似乎以正常速度运行，但静止的光钟——相对于他们而言看起来像是在运动——似乎走得更慢；对于所有不与观察者及其光钟一起运动的人来说，感觉时间流逝得更慢。

同样，两个物体之间的距离（即距离的度量）只能相对于观察者来定义。而像“同时”这样的概念也只能针对静止在同一位置的两个观察者来定义。事实上，如果我们能够足够精确地测量“时间”，那么即使是像“这个抛射体何时落地？”这样简单的问题，处于不同位置或以不同速度或方向运动的观察者也会得到不同的结果。

来源：ESO/M。帕萨/L.卡尔卡达

在牛顿（或爱因斯坦）力学中，系统会根据完全确定性的方程随时间演化。这意味着，如果你能知道系统中所有粒子的初始条件（例如位置和动量），就应该能够毫无误差地任意向前演化系统。如果不包含时间坐标，就无法精确描述物体的位置。然而，在我们所处的现实世界中，由于无法真正精确地知道初始条件（即使考虑到量子不确定性），上述结论并非完全成立。

事实证明，影响“这个物体有多远？”、“这种现象持续了多久？”或“哪个事件先发生？”等问题的，不仅仅是位置或运动的变化。此外，时空本身的曲率变化——即引力的影响——也会影响答案。时间不仅会在接近光速运动时膨胀，在更强的引力场中也会膨胀。物质和能量的存在与分布会影响我们对时空的感知，这就是为什么光线在靠近物体时会发生弯曲，以及为什么接近黑洞的事件视界时时间会变慢。

事实上，由于“空间”或“时间”不存在客观的衡量标准，一些非常奇特且违反直觉的观测结果便会随之出现。如果遥远星系中发生超新星爆发，你可能会预期超新星的光线会在某个特定的、预先设定的时间到达你的眼睛。但如果在你和超新星之间存在一个巨大的天体，它实际上会扭曲两者之间的空间，导致同一星系和超新星出现多个影像：超新星的光线在每个影像中到达的时间都不同，并非同时发生。空间和时间或许真实存在，但它们并非客观存在；它们只是相对于每个观测者或测量者而言才具有真实性。

图片来源：SA Rodney 等人，《自然·天文学》，2021 年

这组由哈勃太空望远镜拍摄的图像展示了同一星系的四个弧形图像，它们因引力透镜效应而被拉伸成弧状。2016年，我们在其中一张图像中捕捉到了一颗超新星（标记为SN1），随后又观测到了第二颗和第三颗超新星，两者间隔约6个月。根据重建的透镜前景星系团的几何结构，我们可以预期在2037年于标记为SN4的位置观测到第四颗超新星。

量子物理学

在量子领域，事情变得更加违反直觉，因为实验或观察的结果取决于你进行观察或测量的方法，以及你是否进行观察或测量。

例如，著名的双缝实验（有时也称为双缝干涉实验）。如果你尝试将大量小物体扔过一个开有两个缝隙的屏障，你会看到这些物体聚集在屏障后面的墙上，形成两堆：一堆对应于左侧的缝隙，另一堆对应于右侧的缝隙。这与宏观世界中的现象完全一致，无论你用的是球、鹅卵石还是生物体。

但如果你使用量子粒子，例如电子或光子，就不会得到两堆粒子。相反，你会看到类似波的干涉图样：粒子优先落在等距排列的交替位置，而其他位置则不允许粒子落在那里。收集到的粒子数量最多的“峰值”位于两个狭缝的中点，随着远离中心峰值，峰值（逐渐减小）和谷值（始终降至零）交替出现。

图片来源：Tonomura 博士；Belsazar/Wikimedia Commons

这是电子依次通过双缝的波形图。如果你测量电子通过的是“哪条缝”，就会破坏图中所示的量子干涉图样。无论如何解释，量子实验似乎都对我们是否进行某些观察和测量（或强制某些相互作用）很在意。

那么，你或许会想到，与其一次性全部送入粒子，不如一次一个地送入。这样做，结果也一样：宏观物体会堆积成两堆，而量子粒子只会落在干涉图样的“峰值”上。当粒子数量足够多时，完整的图样就会显现出来。

之后，你可能会想到尝试测量每个粒子在到达后壁的过程中穿过了哪个狭缝。或许令人惊讶的是，现在宏观实验和量子实验都只得到了两堆粒子。观察“每个粒子穿过了哪个狭缝？”的行为破坏了量子行为。不知何故，进行测量——这意味着在你正在实验的量子粒子与另一个量子粒子之间引入足够能量的相互作用——会改变量子系统的行为。

我们在量子力学中以多种方式观察到这种现象。让一个自旋的量子粒子穿过一个垂直放置的磁铁，粒子会向上或向下偏转，从而揭示其自旋方向。在下游放置另一个垂直放置的磁铁，向上偏转的粒子仍然会向上偏转，向下偏转的粒子仍然会向下偏转。但是，你认为如果在两个垂直放置的磁铁之间放置一个水平放置的磁铁会发生什么呢？

图片来源：MJasK/Wikimedia Commons

当具有量子自旋的粒子穿过一个定向磁体时，它会至少沿两个方向分裂，分裂方向取决于自旋方向。如果再沿相同方向放置一个磁体，则不会发生进一步分裂。然而，如果在两个磁体之间垂直放置第三个磁体，粒子不仅会沿新的方向分裂，而且之前获得的关于原始方向的信息也会被破坏，导致粒子在穿过最后一个磁体时再次分裂。

答案包含两方面：

• 水平磁铁将粒子束分成两束，一组粒子向左偏转，另一组粒子向右偏转。
• 但是现在，无论你选择哪组粒子穿过下一个垂直磁铁，它们都会再次分裂成向上和向下的轨迹。

换句话说，进行“水平”测量（或观察）会破坏有关这些粒子自旋方向的“垂直”信息。

这是否意味着客观现实并不存在？未必如此；或许存在一种潜在的现实，无论我们是否对其进行测量，它都存在，而我们的测量和观察仅仅是一种粗略且不足的方式，无法揭示客观现实的全部真相。许多人相信，终有一天会证明这一点，但就目前而言——这项进展刚刚荣获2022年诺贝尔物理学奖——我们能够对独立于我们的观察和测量而存在的“现实”类型做出非常有意义的限定。就我们目前所知，宇宙中出现的真实结果无法脱离测量者的身份和测量方式而存在。

图片来源 ：Johan Jamestad/瑞典皇家科学院

量子力学中的纠缠对可以比作一台向相反方向抛出颜色相反球的机器。当鲍勃接到一个球并看到它是黑色的时，他立刻就知道爱丽丝接到了一个白球。在一种使用隐变量的理论中，这些球一直包含着关于其颜色的隐藏信息。然而，量子力学认为，这些球在被观察之前是灰色的，或者黑白相间的，直到有人观察它们时，一个球随机变成白色，另一个变成黑色。贝尔不等式表明，存在一些实验可以区分这两种情况。这些实验已经证明量子力学的描述是正确的，球的颜色在测量之前是不确定的。

与大众普遍认知相反，科学的职责并非解释我们所处的宇宙。相反，科学的目标是精确描述我们所处的宇宙，而在这方面，科学已经取得了显著的成功。但我们大多数人热衷于提出的问题——而且我们常常不假思索地提出这些问题——往往是关于探究某些现象发生的原因。我们喜欢因果关系的概念：某件事发生，然后，由于这件事的发生，又发生了另一件事。这在很多情况下是正确的，但量子宇宙也会以各种方式违背因果关系。

我们无法回答的一个问题是，是否存在客观的、独立于观察者的实在。许多人假定它存在，并以此构建我们对量子物理学的诠释，从而承认存在一个潜在的、客观的实在。而另一些人则不作此假设，他们构建的量子物理学诠释同样有效，但未必包含这样的客观实在。无论好坏，我们所能指导我们的，只有我们能够观察和测量的事物。无论是否存在客观的、独立于观察者的实在，我们都能成功地对其进行物理描述。此时此刻，我们每个人都必须决定，是否要接受“客观实在”这个在哲学上令人满意但在物理上无关紧要的概念。

本文最初发表于 2022 年 11 月，并于 2025 年 12 月进行了更新。

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