這本書討論了9個作者認為影響深遠的物理悖論。其實我個人對於作者所選的這9個悖論中,真正感興趣的大概只有2/3,而其中的3個還與相對論是直接相關的。可惜許多量子愛好者的EPR悖論並沒有被作者選進去,心中小小為此而吶喊了一下XD
「悖論」這個概念在哲學領域裡的討論有很久遠的歷史,一直到當代之前,科學跟哲學還未完全分家的時候,許多物理上或是自然科學裡頭的悖論都共同地被科學家與哲學家們討論著。直到今日,究竟什麼是悖論,還是在哲學家那邊有不少的爭議。按照本書作者的區分,悖論可以被分成「真悖論」跟「認知悖論」兩種:真悖論就是那些悖論的論證裡有明顯矛盾,或是有涉及循環論證、邏輯上不可能等特徵的形式;而認知悖論就是陳述上有蓄意引導讀者誤解,或是乍聽之下有悖於直覺的論證。這兩種分別對於悖論的定義都不是哲學上精確的定義,可是對於能讓讀者稍微掌握書中悖論屬於哪一類這方面是多少有些幫助的。這本書介紹的物理學悖論全都是認知悖論,而按作者言,認知悖論都是有解的悖論;我們只需要透過物理學就可以理解這些乍聽之下的荒唐是怎麼被解消的。
作者先從機率理論裡一個著名的經典問題「蒙提霍爾問題」開始,企圖讓讀者理解他所謂的認知悖論是什麼意思。這個問題可以在網路上搜尋的到,我就不贅述了。簡單來說就是因為我們在考慮這個問題時,沒有注意到條件機率下計算的結果,而與我們直覺上所認知的結果相悖。
第二章開始談古希臘哲學家芝諾的幾個關於運動跟無限概念的悖論,像是阿基里斯與烏龜、飛矢不動、運動場悖論、二分法悖論等。這些古代的難題透過現在的物理理論都可以被解決,可是從這一章裡,作者很明顯鄙視形上學這個領域對於這些悖論探討的成果,把形上學裡關於解消這幾個芝諾悖論的想法視為是缺乏經驗科學作為後盾的抽象思辨而已。作為哲學人,我讀到這邊的反應也只是笑了一下,因為作者很明顯對於哲學不是很有好感,所以也只能夠尊重他的想法。當作者接著談到當代物理學對於芝諾悖論的一些看法時,介紹了「量子芝諾效應」;大意是說在量子理論裡,觀測本身會影響量子行為,所以原則上我們只要觀測一個粒子夠久,它就不會衰變,讓粒子持續處於初始未衰變的狀態。但是作者並沒有深入討論這裡的爭論,只是稍微提一下,蠻可惜的。
第三章談奧伯斯悖論,但我個人沒什麼興趣...第四章談馬克士威的精靈,也就是關於熱力學第二定律的一個有趣的思想實驗。熱力學第二定律有許多不同的表述方式,其中一種跟「熵」概念有關的表述是這樣:一個系統的熵值只會增加不會減少,除非有其他能量注入這個系統。而「熵」這個概念的其中一種解釋的方式是透過系統的亂度來定義的——系統越亂則熵值越高。在這種理解下,馬克士威提出了他有名的精靈這個思想實驗讓熱力學第二定律無法被遵守,換句話說,包含著這隻精靈的系統會讓一個系統的熵值減少(同樣地,網路可以找到這個思想實驗的細節,所以不贅述)。而拯救第二定律的方法,簡單來說,則是要把精靈所擁有的資訊當成是系統的一部分,所以當精靈有辦法讓系統的熵值變小的同時,前提是他必須要先將大量的能量消耗在分類、儲存系統中的分子(的資訊)來操控裝置。就我個人所知,熱力學第二定律涉及不少跟時間序列有關的討論,特別是所謂「時間之箭」這個概念,可是作者並沒有著墨太多。
第五到第七章都是跟相對論有關的悖論,首先是穀倉跟穀竿的悖論,再來是雙生子悖論,最後一個是祖父悖論。值得注意的是,雖然作者對於這三個跟相對論有關的悖論都有一些來自於物理理論的解,但我個人的感覺是這三個所涉及的哲學爭議是一個比一個大。(一)穀倉與榖竿悖論是說物體在高速運動的情形下長度會縮短,如果再假想物體接近光速運動的話,則會縮短更多。考慮一支與穀倉一樣長的穀竿,然後讓一個可以跑出光速的短跑選手拿著穀竿通過穀倉:按照相對運動原理,在穀倉裡的觀測者會看到短跑選手的穀竿因為接近光速運動而縮短,所以當他通過穀倉時,穀倉可以完全容納穀竿;可是對短跑選手來說,穀倉也是以光速的方式接近他,所以當他跑經過穀倉時會看到穀倉會變短,因而他手上的穀竿會超出穀倉的長度。這個悖論的解是來自於狹義相對論裡的「同時性的相對性」。(二)雙生子悖論:考慮一對同樣年紀的雙胞胎,A跟B。A以光速運動的方式進行星際旅行並離開地球觀測站,而B留在觀測站。在A離開的過程中,B全程監控並發現A的時間會過得比較慢。但跟上一個悖論一樣,運動是相對的;從A看來,B待著的地球觀測站也是以光速的方式在遠離他,所以B的時間也會過得比較慢。但事實上A才是那個時間過得比較慢的人,而這個解是來自於廣義相對論的等效原理。(三)祖父悖論:假如你能回到過去,並殺死你的阿公,你的爸爸就不會出生,更遑論你爸遇見你媽還把你生下來;可是如果你沒有被生下來,你也不會回到過去殺死你阿公,這樣你爸會被生下來並遇到你媽,再把你給生下來,然後你再回到過去殺阿公...這個悖論涉及的形式是一個循環論證。作者針對這個悖論的解是訴諸於「量子多重宇宙」這個量子詮釋,以及「蟲洞」(或有時譯作「蛀孔」)這個物理可能性。
我想說明一下這三個跟相對論有關的悖論其背後哲學參與的程度。穀倉跟穀竿的悖論以及雙生子悖論這兩個通常在哲學上比較沒有什麼爭議,因為愛因斯坦在建構他的相對論時,就已經有一個很漂亮的解答。唯一可能較容易引起爭議的地方是對於「時間」這個(以及跟時間相關)概念的理解。特別是穀倉與穀竿悖論的解還需要將「同時性」這個概念相對化,讓相對於在光速運動下長度變短的物體(例如穀竿)可以不引起悖論的結果。前面我提到過作者對於哲學的不信任態度,在雙生子悖論這章裡(Ch.6)展露無遺。我們可以看到作者嘗試解釋「時間是什麼?」這個問題(p.129),然後談到了一個時間本身是幻覺的哲學論證。簡單來說,該論證宣稱「過去」不復存在,「未來」也尚未發生,而所謂「現在」只不過是一個短暫的瞬間片段,並被用來區隔所謂的未來與過去,這種不斷變換的「現在」也不能夠被看成是實質的存在。因此,過去、現在、未來都不存在,因此時間是幻覺的。其實這個論證不是完全錯,但是作者在陳述時也是極不精確。首先我們還是不知道時間到底是什麼;再者,我們也不清楚作者所謂的「過去」、「現在」、「未來」指的是什麼,是指發生的事件嗎?還是指某種稱為時間的「東西」?如果是,那它又是什麼?當然,我們也不知道作者所謂的「存在不存在」是什麼意思。再談完這個時間是幻覺的論證後,作者又馬上談到了「時間流動」這個概念以及我們為什麼有很強的關於時間正在流動的感受,同時也談到了「如何測量時間速率」這個概念,很可惜這邊作者談到的概念很多,但解釋很少。這些全都是時間哲學討論的議題,但很可惜都被作者用三言兩語給輕描淡寫掉了。或許作者壓根認為這裡哲學幫不上什麼忙,又或著他認為哲學純粹只是缺乏經驗科學作為後盾的抽象思辨,對於物理是完全沒有幫助的。但不論作者的理由是哪個,這些哲學觀點都對於祖父悖論的解有很強烈的影響。而祖父悖論是我認為這三個相對論悖論中,哲學成分最高,也是最複雜的一個,因為除了涉及時間概念之外,還涉及了因果關係的概念,特別是所謂的「逆序因果關係」——結果發生在原因之前,或著說結果早於原因的發生。
第八章談拉普拉斯的惡魔,主要是關於決定論以及後來科學發展混沌理論的東西。但是這裡應該要先靠杯一下譯者,因為他把deterministic翻成「命定的」,又把determinism翻成「決定論」,這種翻譯其實很誤導,因為通常「命定」在哲學中文翻譯裡指的是另一個哲學概念fatalism,常見翻譯成命定論或是宿命論,可是fatalism不是determinism。這是兩個不同的哲學主張,涉及的是不同的哲學議題;前者是關於事件發生的必然性跟真理之間的關係,並不直接涉及自由意志,後者主要涉及自由意志跟因果關係。拉普拉斯的惡魔非常有名,而這個悖論的大意是這樣:如果有一個掌握世界全部的法則,並且通曉某一時刻世界狀態的惡魔存在,他將可以推論該時刻之前所發生過的所有事,也能預測該時刻之後將要發生的所有事。這時考慮惡魔選擇在某個未來的時刻,出手干預他早就計算出來將要發生的事件,使其不發生,導致預測失準,從而他的預測能力失效。這有可能嗎?如果他真的出手干預,他的預測能力應該要算出他將要出手干預這個未來事件的發生,他如果沒算到這一步,不就表示他的預測失準嗎?這個悖論涉及決定論、自由意志、可預測性,跟隨機性等概念。一個簡單回應這個悖論的方式是直接承認惡魔所擁有的知識並非完備的,我覺得這解很有趣,也很訝異作者提出這觀點,但是很可惜他沒有深入討論,因為我覺得這裡或許涉及到一些不完備性的概念。作者另外提出兩個解,一個是混沌理論,另一個是量子理論。前者的解法是認為因果之間的關係不是單一線性的,而是開放性的,後者則是直接接受世界本質上是隨機的。我覺得這章涉及的東西都很龐大,作者在議題的處理上顯得很有野心,但是力有不足,許多需要解釋的地方都用一兩句話給帶過,算是有點可惜。
第九章談薛丁格的貓,這個思想實驗應該是很多人都聽過的物理悖論,簡單來說就是一隻貓在箱子裡因為某種衰變物質裝置的緣故,要嘛被弄死,要嘛活著。可是按照哥本哈根詮釋——也就是一個量子系統的量子態的機率可以透過波函數來計算,一但有測量行為,波函數會崩塌成為某一個測量上的量子態,可是在還未測量以前,所有的量子態的機率都會疊加在一起,在箱子還未被打開來檢查貓是死是活之前,貓有一定的機率是活貓這個量子態,也有一定的機率是死貓這個量子態,所以貓是既生又死的狀態。支持哥本哈根詮釋本身就有一個回應這個悖論的看法,他們直接bite the bullet認為這就是世界的樣貌,我們無法討論貓在未開箱前的真實狀態,一切應該要像波函數描述的那樣,貓的死活的確是處於兩種量子態的疊加。作者還提到一些把「測量行為」當成是解悖的關鍵,特別是討論怎樣算是一個「有意識的測量」跟「哲學唯我論」的討論,可惜作者沒有著墨太多,也不清楚這實際上要怎麼回應悖論。我覺得這章事實上寫的是挺差的,我在猜可能背後涉及的量子詮釋有太多觀點,所以要清楚地完整介紹變得不太可能,但是這章留有太多概念都沒有被清楚地解釋,反而讓這個有趣的悖論失去討論的樂趣。
第十章談費米悖論,主要是關於生命出現的意義以及理由的討論;如果有外星人跟外星文明,為什麼他們沒來造訪我們?他們上哪兒去了?大致上這個悖論是說:如果生命是特別的,那其他外星生命在哪;但如果生命不特別,那為什麼宇宙只讓生命出現在地球上?P.206開始討論了幾個主張,它們都頗有茶餘飯後的趣味卻沒有嚴格的討論。我覺得這章與其說跟外星文明的存不存在相關,倒不如說是跟哲學裡所謂的微調論證這類宇宙論論證有關聯。我同時覺得這個悖論也跟「為什麼有東西存在,而不是空無一物」這類哲學論證有關。但是作者似乎比較關心科學上的理由,這類哲學論證的討論則沒提到。
整體來說,我覺得這本書的可讀性還是算高的。雖然作者頻頻展現對於哲學的輕視XDD可是這本書本來就是一本科普作品,面向對物理、科學有興趣的讀者來介紹跟物理學有關的悖論以及相關的物理理論的確是最為優先的考量。我自己在閱讀中,除了吸收一些物理知識之外,也在不少地方停下來想一下哲學方面的問題,這對於重新思考一遍相關的哲學問題是挺有幫助的。事實上,我的感覺是:物理——特別是理論物理——要跟哲學完全的分家還久的很,因為有太多關於這個物質世界的本質跟概念都還是要有哲學的理論預設,像是時空、因果、自由意志、心智意識、存在...等等。所以我想作者也應該要開放一點,看看哲學家是不是能夠為這些根本性的問題給出什麼意見,否則的話,這種敵對態度只會讓哲學家嘲笑科學家在建構哲學論證時的能力不足(這讓我想起許多專業物理學家還會批評物理學哲學家低能這種令人感到可惜的事情)。